2.2电路设计和布图规则.ppt

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1、混合微电路是一种高集成度的电路封装形式。在混合电路设计中最重要的是在电路成本和电路性能间的平衡折中。,1 in=25.4 mm,2.2 电路设计和布图规则,混合电路的优良设计结果依赖于三个要素：1)能够实现它被设计时所有预期的功能；2)能够在系统的使用周期内无间断地完成这些功能；3)能够经济地加工生产。根据以上三点的要求，混合电路在设计中应遵循特定的设计规则和设计顺序。以下列出一些设计顺序，它指出了每一阶段的设计特点和应当考虑的设计参数。在实际操作中，可根据具体情况适当调整。设计流程参考图2.17（P52）,系统要求：系统的技术规范将会确定一些影响混合电路设计的因素。技术规范应包括环境条件(如

2、温度和湿度)、系统尺寸、质量、每个元器件的消耗功率、可靠性及信号源。此外，还应当给出材料总成本和人工成本。电路要求：根据系统所要达到的目的，所选电路的形式、配合和功能是这个阶段的基本考虑因素。搭建实验板：用实验板的形式来演示电路功能，以便确定影响最终基片布图电性能的一些限制条件。最终电路原理图：在此阶段必须考虑元器件定义的问题，其中包括元器件的性能规范和对于不同组装工艺的封装兼容性。,2.2.1 混合电路设计元素（设计顺序见表2.2）,工艺过程定义：在这个设计阶段，确定使用厚膜工艺还是薄膜工艺制造电路中的无源元件。设计评审：在这个阶段应当选定外贴元器件，确定厚膜或薄膜工艺过程，对所选择的工艺的

3、可生产性进行评估。基片布图：此阶段需将模块的尺寸、引出脚、性能和可测试性要求与已建立的设计规则的要求统一起来制作电路原型生产工艺总结,PCB抗干扰设计的布线技巧,一、元器件布线1尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰。输入和输出元件应远离。输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行，最好加上线间地线，以免发生反馈耦合。2某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引起意外短路。,二、一般导线及焊盘布线1.印刷板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板的粘附强度和流过它们的电流值决定。2印刷导线拐弯处一般取圆弧，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性

4、能。3.尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。4.焊盘中心也要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。,三、电源线及地线设计1.根据印刷线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻，同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。2.在小信号电路与大电流电路做在一起的电路中，必须将GND明显地区分开来。布线方法为将小信号GND与大电流的GND进行分离，通常使用两根引线的GND。使大电流不在布线电阻上流动，从而不产生干扰，如像功率放大级和负载那样，将大电流流动的部分由电源直接进行布线。还有，将小信号部分进行汇总，也直接由电源进行

5、布线。如果这样做，小信号线与大电流线完全分离，再将汇总的小信号GND与功率放大级的GND相连接。3.数字地与模拟地分开。,厚膜电路设计要点,1、切实掌握设计依据 电路的设计依据是供需双方签订的合同或电子系统对电路提出的最基本的设计要求；有参数指标、质量等级、考核标准和其它的附加条件。可参照下列条件：电性能指标；系统研制提供的电源种类及数量；输入信号的波形、频率、电平；应输出信号的波形、频率、功率及参数要求；输出负载形式；所允许的最大功耗；产品工作环境条件 可靠性、先进性及经济性。产品结构、外形尺寸和重量 产品封装形式及气密性要求。,2、严格遵守设计原则 在设计过程必须遵守下列原则和指导思想：设

6、计的先进性和继承性 通用化、系列化、标准化 方案优选、参数优选 材料、元器件标准选用 工艺的可行性、可生产性 可靠性 性能价格比,3、全程遵循设计程序3.1 线路设计：方案论证、电路设计、热设计、可靠性设计、电路设计的正确性验证、电路设计评审、出电原理图等。3.2 封装结构设计：按照环境、尺寸、重量、功耗、气密性及引出端数目选择合适的封装形式和外壳结构。尽量选用标准外壳。必须重新设计时选用的材料、镀层、引出端及封装边缘距离必须满足附录规定。3.3 组装工艺设计：根据对产品的力学环境、热学环境及电性能要求选择芯片装贴、无源器件装贴、基片装贴、互连工艺和封装工艺确定产品工艺基线。3.4、版图平面设

7、计：版图平面设计的主要依据是最终线路图，已选定的封装结构，组装工艺及工艺基线提供的工艺参数。3.5、工艺设计评审 3.6、制版3.7、绘制印刷、激光调阻和元器件组装、互连图及基片尺寸图。,2.2.2 薄厚膜无源元件设计,一、厚膜电阻1)直线状厚膜电阻直线状电阻器的长度和宽度之比称为方数，用N表示。(6)P0:电阻器的额定功率密度，简称功率密度，它表示单位面积的电阻体上能够承受的功率，其大小主要与电阻器的基片材料和电阻材料有关。(如Ta膜电阻材料和氧化铝陶瓷基片为30),因此，电阻器的面积(lw)(7)解式(6),(7)构成的方程组，可以得到满足阻值和额定功率要求的直线状电阻器的宽度w和长度l(

8、8),当N1时，一般不用上式，而改用：(9)长宽比：由于印刷工艺上的限制和厚膜电阻浆料的流变性，厚膜电阻器的长宽比最小不得低于1/10，最大不得高于10，最好在1/3到3之间。接触电阻：厚膜电阻膜与端头导体在接触处存在着接触电阻，它是电阻膜与端头导体膜之间因电流收缩效应形成的接触电阻与二者之间因相互扩散或固相化学反应所产生的新物质的电阻之和。,图2.2-1接触电阻测量方法,图2.2-2采用pd-Ag系导体浆料,图2.2-3采用Au导体浆料,同一系列的电阻器，方阻越高，接触电阻就越大。如果缩短电阻体的长度，接触电阻在全部阻值中占的比例就会变大。接触电阻的影响越显著，实际阻值与标称阻值的差别就越大

9、，而且电性能变得越坏。,关于接触电阻的几点结论：a.同一系列的电阻器，方阻越高，接触电阻越大。b.电阻体长度越短，接触电阻在全部阻值中占的比例越大。c.接触电阻的影响越显著，实际阻值与设计计算的标称阻值之间的差别就越大，且电性能变得越坏。d.电阻膜与端头导体之间存在的这种接触电阻，会对电路性能发生影响，在设计时必须注意：两个电阻器有一个共用端头导体的情况下，两个电阻器的电阻膜不应连成一体，而应在共用端头上分开。,电阻的探针测量技术a.两探针法 两探针是传统的最简单的测量电阻的方法。它仅包含两根探针放在待测电阻上进行测量。此方法会引入由探针电阻、探针接触电阻和端头导体电阻组成的误差，可高达0.2

10、，对1000 的电阻，误差百分比为0.02%；对于10 的电阻，误差百分比高达2%，故对低阻或要求高精度的场合，不使用两探针法。,b.四探针法 两支探针用来将电流注入到测量环路中，另两支探针放在接近电阻端头处并联数字电压表。优点：作为误差项的探针电阻和探针接触电阻消失了，因为数字电压表是高阻抗仪表，不干扰电流在回路中的流动，引入的误差仅是端头电阻。缺点：使用两倍数量的探针，设计时，须为这些额外探针留有足够的空间。,2.2.3 无源元件的调整,电阻微调方法(薄、厚膜都适用)A.激光调阻最广泛使用的激光系统：基于一种掺钕的钇铝石榴石(YGA)晶体.特点：较短的红外波长(1.06微米)，切口较小、较

11、窄，对周围电阻材料及底面介质此材料产生最小的损伤。因为YGA激光束是不可见的，多数微调系统采用氦氖激光与YGA结合，发射可见的红色光束，方便定位。,工作原理：激光束通过一系列的透镜和反射镜整形聚焦，最终撞击电阻材料，于是，材料吸收能量被加热，多数材料被气化，一些被熔化后再凝固，其余的作为颗粒被弹出。注意：控制激光束的功率，切口必须清洁、边缘整齐,为了产生稳定的电阻值，需使用高峰值功率的短脉冲。高峰值功率能使材料迅速挥发，而将边界区域的热流量减至最小；短脉冲能使刀口细腻。,吃进尺寸：受每个激光脉冲攻击的材料的量刀口宽度：切割的外宽,激光调整系统分类第一类：双电阻探针系统。激光束位置固定，基片可在

12、X轴和Y轴两个方向上运动。第二类：基片固定，激光束在固定的基片上扫过，且具有多探针。,混合微电路激光微调系统如下图所示，微调过程是全自动化的，激光束和X-Y工作台由微机控制，系统还装有TV摄像机以监视微调过程。,标准激光微调系统工作流程：探针探测电阻器数字电压表测量电阻器的阻值激光被定位在调整的开始点。这点被编程到计算机中发激光脉冲电压表再次取读数计算机将该读数与所要求的读数比较，若在公差范围内则关闭激光器，否则再发出激光脉冲重复上一过程，直到电阻器的阻值处于程序中规定的公差内,激光调整大量生产的有效性受到以下几个因素影响：待调材料的种类（厚/薄膜）电路的几何形状，包括电路元件的数量、尺寸和布

13、图激光的类型和工作模式调整速度,激光调整的噪声越大就意味着稳定性越差。,激光的类型受激准分子激光器（氟化氪和氟化氩）气体激光器，射出的脉冲位于UV频段 一次钻多个孔二氧化碳激光器 缺点：孔的尺寸受限，钻不透铜,一次钻一个孔YGA激光器-工作在红外频段。虽能钻透铜，但很难钻出直径小于10um的孔，一次钻一个孔P227 表9.3,B.喷砂调阻 工艺原理：在喷砂调阻中，细粒的砂在高压下以高速通过小的喷嘴，喷到待调的无源电路元件中，砂子摩擦并移去不需要的电阻材料，使电路元件的尺寸发生改变，从而使量值发生相应的改变，直到达到所需要的阻值。优点：材料中没有应力或机械微裂产生。主要缺点：产生电阻碎屑会成为混

14、合电路里潜在的玷污源。注意：从电路元件上去除的材料的数量由气体压力喷嘴结构、材料的硬度和厚度来决定。,不被广泛使用原因：工作过程会产生尘雾，污染环境；由于颗粒的运动，会产生静电放电；很难在净化车间内进行操作（100级到10级）会在电阻上留下暴露的边缘，易受环境影响由于受到喷嘴最小孔径的限制，调整切口宽度很难小于0.0020.003in。调整速度低于激光调整。,喷砂微调可用下述两种方法之一增加阻值：如激光调阻一样，去掉材料形成切口。这样增加电阻方数，从而增加阻值。减小电阻器的厚度。减薄膜的厚度增加了面电阻率，这样也就增加了阻值。,激光调阻,激光调电阻的原理：为了提高厚膜电路的精度，必须进行阻值调

15、整。由于厚膜丝网印刷操作固有的不准确性，基板表面的不均匀及烧结条件的不重复性，厚膜电阻常出现正负误差，如果阻值超过标称值将无法修正，但是，一般情况下印刷烧成后阻值低于目标值的大约30，所以要通过激光调整达到目标值。激光调阻系统修调技术机理：激光修调是把一束聚焦的相干光在微机的控制下定位到工件上，使工件待调部分的膜层气化切除以达到规定参数或阻值。调阻时局部温升使玻璃熔化，气化部分阻值槽边缘受到玻璃覆盖，可填平基体表面被切割的介质。,激光修调系统具有多种修调功能，可以修调混合集成电路、厚薄膜电阻器网络、电容网络、瓷基薄膜集成元件，还可以修调D/A和A/D转换器的精度，V/F转换器的频率，有源滤波器

16、的零点频率及运算放大器的失调电压等。同时还具有IEEE488接口，可与其他测试设备进行数据传输。,激光调阻时，被切割的电阻体图形主要有以下几种：（1）单刀切割电阻法（2）双刀切割电阻法（3）L型刀口切割电阻法（4）交叉对切电阻法（5）曲线型L刀口的切法（6）曲线型U型刀口的切法,简易型调阻方案：实现功能：通过手动控制控针，对电阻进行自动精密调节。1、激光器及控制系统：YAG50激光器2、光学定位系统：XY自动控制3、阻值测量及控制系统4、手动控针标准型调阻方案：实现功能：通过自动控制控针，对批量电阻进行自动精密调节。1、激光器及控制系统：YAG50激光器2、光学定位系统：五维工作方式3、阻值测

17、量及控制系统4、自动控针：自动上、下5、监控系统：双路CCD监控在线功能调阻方案：实现功能：通过电路中电阻进行精密调节，完成电路功能。1、激光器及控制系统：YAG50激光器2、光学定位系统：XY自动控制3、阻值测量及控制系统4、自动控针：手动5、功能信号接口：根据电路功能要求,激光调阻机的种类,目前调阻机按功能可分单纯调阻及功能性调阻两类：单纯调阻：对电阻进行调节，调节至某一固定阻值，完成调阻。这类设备比较简单。功能性调阻：对某一电路中的电阻进行精密调节，使此电路模块完成相应的功能。此类设备比较复杂，且设备与电路要求相适应。,调阻的设计标准,1.严格控制无源电路元件标称值的公差2.电阻的几何形

18、状-电阻的长宽比3.调整基于百分数进行，而不是基于尺寸大小进行。4.激光调整的高热量梯度会引起应力效应。5.针对大长宽比的电阻，一般选用L切、平行切或蛇形切进行调整。P232图9.8,6.一般不用一种方式进行切割。实用方法：双线切割。原因：单直线切割将电阻从初始值调节到标称值时，刀口会进得很深，造成电阻不稳定。为避免这种不稳定性，应用双切来代替。第一刀，可以是L切，将阻值调整到标称值的80%，剩下的20%由第二刀完成。第一刀必须从距离电阻一端的固定位置处开始，以满足所有可能的公差范围。第二刀不能切入电阻的另一端头，否则可能将电阻完全切断。7.当长宽比大于5时，建议设计为帽形电阻,电阻的微调方法

19、,向上调整：通过切掉部分电阻材料来增加阻值，达到所要求阻值；向下调整：在布图时，在电阻体上添加金导体焊盘，然后用线焊短路焊盘来跳过一段电阻，从而减小阻值，达到标称值。,直线状厚膜电阻器的微调 HIC中厚膜和薄膜电阻器的主要优点在于它们能被微调到精确的电阻值。印刷烧结的厚膜电阻器的公差：20%，可调整到标称值的 1%。薄膜电阻器在淀积后的公差：10%，可调整到标称值的0.01%。,下面列出了对直线状电阻器向上微调法常用的微调图形(薄膜，厚膜都适用)a.直线切割b.双线切割,直线切割速度快，典型的用于一方或小于一方的直线状电阻和帽形电阻的微调。此类型调整对通过电阻的电流引起的扰动最大，并在微调切口

20、处形成一过热点。,也叫阴影切割，允许一次粗调后接着在第一次切割的阴影内进行细调。激光损伤小于L形切割。然而，这种切割会比单直线切割引起更大的热点。,c.L形切割d.扫描切割,L形切割比直线切割提供更高的精度，垂直的腿提供粗调，平行的腿提供细调。角形切割和J形切割比标准的L形切割有更少的热点，更为稳定。这是由于在微调切口中去处了尖锐的转角。激光微调会引起微裂，由于微裂垂直于刀口，在L形切割中，它们能传播到电阻的边缘处使阻值增加或引起开路。,扫描切割是所有切割类型中最慢的，但它能提供较高精度和较稳定的电阻器，因为它不像其他微调结构那样对流过的电流有干扰。由于没有过热点形成，扫描切割的电阻器更适合高

21、频应用，其热噪声也很低。,e.蛇形切割f.数字切割,当需要大范围改变阻值时使用蛇形切割。它能增加电流路径长度。它必须使用大面积电阻器的设计。这种类型的切割一般常用于动态调整。,最精确和最稳定的电阻器是通过数字微调方法得到的。这种技术要求有非常大的面积。由于微调切口处没有电流流过，微调过的电阻非常稳定。,2)帽状厚膜电阻器优点：每个电阻器的阻值可调范围大，面积损失小，用同一种浆料在一块基片上可设计出阻值范围较宽的电阻器。,例如，从下图中的(a)调成(b)的形状，阻值增加约80%，而仅损失总面积的15%，并不会显著的降低它承受功率的能力。,帽形电阻器的调整方式,第一刀可向帽形的顶部切然后向帽形下端

22、切。两个切口（向上和向下两个切口）间应当留有足够大的距离（至少为2/3）。当切割不止一刀时，必须注意调整深度及刀口间的间距，使其不会影响电阻的功率性。一般第一刀进得深一些，第二刀在第一刀的阴影内，且浅一些。从底部向上进行调整-可获得范围较大的敏感度基本恒定的水平区域，有利于快速精调从顶部向下调整-变化量太小或灵敏度过高，使调整范围很窄。帽形电阻的调整对于切口在电阻中的位置比较敏感。如果切口距某一边缘过近，会形成一个高阻值通路，增大敏感性，导致电流密度过大。,厚膜帽状电阻器几何形貌的计算步骤(已知R,P,)由于在微调中常用向上微调法，阻值是一直上升的，所以初始设计的电阻器的阻值一般均应小于标称值

23、。一般将帽状电阻器微调前的阻值设计成标称值的70%，即(10)式中，是微调前阻值，R是所要求的标称阻值。,W-帽沿宽度；L-帽沿长度 帽高；帽顶长度 T-调阻切口宽度；,它造成的误差可在以后的阻值微调中予以补偿。,计算帽状电阻器沿帽沿部分的宽度和帽沿的长度。计算时，先忽略突出的帽顶部分的分流作用，用直线状电阻计算公式(8)来算(注意此时未考虑调阻，故用 代替R)。即(11),c.此时，可得帽顶的长度为：(12)切口宽度T的大小由切割工艺确定。帽高 的选择应当能够保证最终实现标称阻值。下面计算帽高：对于帽状电阻器的阻值，可以表示为(注意这里因考虑了调阻而取R)：(13)为避免由于近似计算以及工艺

24、中的误差而导致最大限度微调最终仍达不到标称阻值的现象，需将计算值取得比标称值大一些，通常取为1.5倍，(13)式变为：(14),将 代入，解出：(15)例：用方阻，功率密度 的材料，设计一个阻值，额定功率 的帽状厚膜电阻器。(微调切口宽度)解：取电阻未调整时的阻值所以，,这样计算出的电阻器，最大限度可以微调到标称阻值的1.5倍，即56*1.5=84千欧。因此，不需要微调到最大限度就可以满足标称阻值的要求了。,帽状电阻图形的等电阻调整 当计算出来的帽状电阻图形，由于电路布局的原因需要加以修改时，可采用以下原则：若帽的高度增加x,则电阻器两端头的距离即整个帽沿长度必须减少2x.右图中的三个帽状电阻器的阻值是相同的。,向上调阻法会使电阻器的阻值升高，所以在进行图形设计时，应保证这种图形在微调前的理论计算值小于电阻器的标称阻值，而经最大限度的微调后的理论计算值比标称阻值大。,