Martyn Gaudion

Polar Instruments公司

 

I-Connect007团队采访了Polar Instruments公司的Martyn Gaudion，讨论了叠层设计的具体细节，以及设计师对叠层理解有误的原因，特别是在海外批量生产PCB时容易出现的问题。Martyn阐明了即使是最简单的PCB叠层，设计师也要权衡利弊；很多OEM现在合作的公司都是代理商，并且这些代理商雇用的是之前就职于PCB制造商的员工，以帮助他们解决复杂的叠层难题。 

Andy Shaughnessy：Martyn，你不妨先给我们介绍一下为什么恰当设计叠层很重要？为什么叠层总是存在如此多问题？ 

Martyn Gaudion：其中重要的问题之一就是设计师与制造商的沟通。而且在过去十年里，材料呈现了爆炸式的增长。可以找到耐热材料、适合高速应用的材料、对可靠性要求较高的应用所需的材料。突然间，所有材料供应商除了FR-4之外，又有了各种各样不同价格区间的专用材料。我认为有必要强调一下Polar公司并没有把自己看成是叠层方面的专家，相反，我们认为客户才是叠层领域的专家。我们一直以来都要做到的一点，就是让真正了解制造领域的制造商和设计方密切沟通，因为这个环节很容易出现沟通不畅的情况。 

Shaughnessy：设计师在设计每个叠层时要针对各个方面权衡利弊。

Gaudion：在超高速设计上，我们发现设计师有时会对于设计规格过于严苛，他们并没有完全意识到制造商要电镀铜。他们会要求芯材的铜层非常光滑，但也必须在上面钻孔和电镀。实际上一旦电镀了芯材，或者电镀通孔之后，其粗糙程度和基材就不一样了。若想确保最终得到的产品与设计的一致，了解钻孔的位置等所有相关信息非常重要。我们也见过一些大型OEM会说：“就听我们的，你就按照我们说的做就可以了。”然后制造商回答道：“但是板层上会钻孔，我们要进行电镀。”然后OEM又回复道：“不，我们指定了铜层要按照这个级别的金属箔去处理。”可是他们却忘记了这个铜层上要做电镀处理。当涉及到供应链时，可能会出现在某地生产样品而在另一个地方批量生产，情况就会变得更糟。

Dan Feinberg：Martyn，现在还采用FR-4的占比有多少？肯定不会像二三十年前那样接近100%。 

Gaudion：高端制造商比较喜欢采用FR-4，所以现在有很多PCB制造商使用改良FR-4或陶瓷填充的材料和较高速的材料。但现在还有非常多一般用途的4层板，采用的还是基本的无卤素FR-4。现在逐渐出现的趋势是混用材料，也就是用基本材料做低速板层，用较贵的材料做高速板层。这时就需要不同的材料进行叠层，设计师就有必要与PCB制造商沟通交流，确保这些材料能层压、黏结，否则就会引起问题。 Feinberg：这个问题一直困扰着我。设计师和供应商应该加强沟通，几年前，他们之间甚至都没有联系。 

Gaudion：沟通已经改善了很多。人们要求在我们的叠层工具中加入更多细节，设计师和制造商也应此要求加强了沟通。我们要面对的挑战是如何在叠层工具中传输数据，这些数据不一定要与CAD数据一起传输。所以说如果ODB ++、IPC-2581或Gerber没有正确的叠层数据，仍然需要传输与CAD分开的叠层文件，因为叠层文件中有很多Z轴信息，而这些信息并未全部包含于CAD工具。

我们还注意到在过去的20年中，特别是在美国和欧洲，很多高端代理商聘用了大量原本为PCB制造商工作的员工，他们可以跟设计师有效沟通，发挥了极大的作用。

过去你可能会想“为什么代理商想要叠层工具呢”？因为他们本身就是做PCB出身的，实际在帮助设计师。我发现有时候设计师并不愿意太频繁的沟通，因为他们怕暴露出自己在PCB制造方面知识的欠缺，甚至有时候，他们倾向于保留自己的意见，欧洲的设计师尤为如此。我们会鼓励设计师多多发问，高端代理商非常善于为设计方和制造方提供沟通接口。 

Happy Holden：自从开始生产双面板以来，叠层就是印制PCB的基础特性。很长时间以来，叠层之所以重要，是因为某些信号是传输线，意味着信号返回时需要参考面。人们一直争论的点在于板的厚度，材料采购后，板面的最终厚度取决于加工工艺，而厚度决定了阻抗。对此不够了解的电气工程师会参照原材料的规格来确定厚度，对此非常了解的工程师会亲自到PCB工厂询问最终的成品板厚度是多少？ 

Gaudion：这种情况还是时有发生，Happy。有的人会问我们，“但规格要求上就是这么写的，厚度是75±4微米。”但这是压合后的数值。你要确定成品厚度，取决于铜的密度和层数，不同制造商生产出来的这些参数都各不相同。使用我们的工具当然可以模拟压合的过程，可仿真毕竟是仿真，不是实际操作。 

Holden：我还记得最终从方程式转向使用场解算器时经历的巨大变化，因为方程式得出的结果中，误差越来越严重。我们不得不突然转向使用场解算器才能得到正确的数据。 

Gaudion：这件事对我们而言是巨大的变化。25至30年前，我们采用基于方程式的工具，之后转向使用场解算器。随着速度逐渐超过2GHz、 3GHz、 4GHz ，  又再一次出现了插入损耗，其逐渐成为方程式的重要组成部分。现在更加关注铜的光滑度，实际上，我们为一些客户做过一些测试，帮助他们了解在采用键合剂时铜预处理的影响；于是新推出的键合剂使铜变得越来越光滑，就不会像以前那样对铜进行粗化了。 

Holden：这就提出了我们从来没讨论过而经常会遇到的叠层问题——考虑印制PCB上添加的元件，不论是在组装过程中还是组装完成之后。设计师接受了大量的培训之后才能理解磁场是如何进入空隙的。环境空气存在介电常数，但涂敷了导热膏并放置散热片之后，就会覆盖在走线上，这时涉及到的问题就不仅仅是阻焊层和空气了。现在最好添加导热膏或黏合剂以及散热片，因为这些会影响传输线。也就是说，不仅仅关乎到所采用的材料，其实是个三维问题。 

Gaudion：没错。有时候，我们建议将这样的重要走线放置远离表面，放在内层上。如果使用带状线的形式而不是微带线，至少要在表面和关键走线之间放置一个面才能让表面避免受到损伤。可这种情况并不一定总能实现，如果一定要在表面添加一些走线，就要采取特殊的布线方式。

我们在屏蔽层上做了一些文章。有大量PCB的外层使用了EMC屏蔽材料，了解这些屏蔽材料是如何发挥作用的，以及记录板面外层是否使用了屏蔽材料才是真正重要的。因为手机、平板等类似产品会采用很多屏蔽材料，期望明年在工具中加入这个功能。

你必须要考虑如何设计整个Z轴，而CAD只负责X轴和Y轴。从Z轴到密封、空气或者任何边界层上的部件，我们都会考虑。

Holden：没错，现在又有了VeCS结构，叠层的3D结构使PCB更加复杂。你们有没有开始考虑如何去处理垂直导电结构？ 

Gaudion：我去年和Joan Tourné讨论过VeCS。我们公司还没开始考虑采用这项技术，通常在客户推动下，我们才会采用新技术。如果客户开始频繁询问VeCS的相关问题，就说明我们应该开始考虑采用这项技术了。我们倾向于受客户需求的驱动。很多客户要求我们提升叠层工具，仅仅是做到尽量兼顾所有需求并且找到重点关注的工具就已经很困难了。VeCS是一项非常令人惊叹的技术，Joan也是个非常有创意的人才，我们会坐等客户，“我们要采用这项技术，你们用什么方式将这项技术引入你们的工具？”我们就能在不需要增加PCB复杂程度的前提下增加互连密度，也就凸显出了工程设计的巧妙之处。 Holden：在中国香港举办的第15届世界电子电路大会上，我做了一场以VeCS为主题的演讲，展示了这项新技术的最新进展。用HDI或任何其他技术都不能从第1层连接到第18层，但VeCS结构却能做到。用同样的通道，可以连接到第6层、第4层、第12层或第28层。而且有趣的是，我们还能实现极强的可靠性，信号完整性也能得到极大的提升。 

Gaudion：Joan说VeCS结构的美妙之处就在于可以使用传统制造技术来实现这个结构。难点在于要使CAD工具支持这种结构，这也是这项技术未来所面临的发展挑战。在不需要提升加工厂使用技术的前提下能切实提高互连性，同时又不会增加PCB的复杂程度，VeCS结构真的很有创意。 

Holden：我希望制造商能采用这项技术进行试验。如果能使用激光钻孔，会比使用机械孔速度快很多。我经常会跟对学生讲，如果选择了电子行业，就应该意识到这个行业的创新和改变是永恒的。唯一需要记住的一点就是，这不是你们最后一次来课堂学习。如果进入电子行业，意味着整个职业生涯都要不停地学习。 

Feinberg：这一点说的太对了。 

Holden：这个行业就没有静止的时候。但出于某些原因，我们还是会制造酚醛树脂单面板。 

Gaudion：这些旧技术都保留了下来，很有趣。又在这些旧技术上叠加这些新技术。曾经以为速度加快以后，人们就不需要担心反射和阻抗的问题了。插入损耗可能还是重要因素，但对于大多数PCB而言，有些部件会接通直流电，有些部件的运行频率是几百Hz、有些是几百MHz，还有些是2 GHz、3 GHz或30 GHz，面对如此多不同的频率，你要针对所需的性能等级，设计出价格合理的产品。因为新型高速技术的出现，开路和短路并不会消失，现在仍需要检查。 

Shaughnessy：我不知道这属不属于“内部知识”，但我确实看到过设计师用各种不同方式处理叠层工艺。可能这才是导致问题出现的主要原因？

Gaudion：从成本角度来考虑，PCB制造商开玩笑称那些认为叠层会保留下来的设计师会不停要求在上面添加额外一两层HDI。样品工厂就会发现设计师一开始构建一个叠层，然后构建出12层的PCB，再之后又增加为14层，最终到了18层。对于PCB制造商而言肯定很开心，但这样的方式并不是最高效的。先从叠层开始是一种更好的方式。对于较复杂PCB，较大型OEM肯定会从叠层入手，并且针对不同类型的设计推荐不同的叠层。如果是非常复杂的PCB，会推荐首先考虑叠层。

 

由于篇幅有限，本文节选刊登，更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》3月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。

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