By John Burkhert Jr
高(gāo)密度互連 (HDI) 需求主要來自於晶片供應商。最初的(de)球柵陣列封裝 (BGA) 支援常規過孔。漸漸地，引腳變得(de)更加密集。1.27 毫米的(de)間距變成了(le) 1 毫米，然後是 0.8 毫米，再到 0.65 毫米的(de)中心距。在可(kě)以使用(yòng)電鍍導通(tōng)孔 (PTH) 過孔的(de)情況下(xià)，這是最後一個節點。
下(xià)一步是 0.5 毫米級的(de) BGA。我們仍然可(kě)以使用(yòng)嵌入在焊盤內的(de)過孔，但是存在兩個問題。一個是填充和(hé)遮蓋過孔，以便得(de)到平坦的(de)表面來防止迴風焊過程中焊料外流。另一個問題是，典型的(de)「8/18」過孔有一個 0.2 毫米的(de)成品孔和(hé)一個 0.45 毫米的(de)定位焊盤。在一個 0.5 毫米間距的(de)器件上，留下(xià) 50 微米用(yòng)於佈置走線和(hé)走線兩側的(de)空氣間隙——這是不切實際的(de)。
每平方英寸引腳數量過多(duō)的(de)解決方案：微孔
微孔 (microvia) 是進入 HDI 設計的(de)第一步。其主要的(de)好處是：微孔是微型的(de)！除了(le)尺寸較小之外，真正的(de)好處是微孔跨越了(le)一個層對。我們可(kě)以從第 1 層「鑽」到第 2 層，然後在第 2 層扇出到 PTH 過孔，進行其餘的(de)佈線。這是 HDI 最簡單的(de)實現方法。另外想要指出的(de)是：「鑽孔」是用(yòng)雷射完成的(de)。
圖片來源：作者 - 混合信號 PCB 的(de) DSP 端，請注意 ENIG 表面處理(lǐ)優於上述第一次反覆運算(suàn)的(de) HASL。鍍金後過孔的(de)平整度有所提高(gāo)。
實際上，兩束雷射比一束好。一種波長可(kě)以穿透銅，另一種波長可(kě)以很好地切入介電質材料，但主要是在銅上反射。我們可(kě)以用(yòng)紅外線 CO2 雷射擊穿金屬，然後切換到紫外線摻釹釔鋁石榴石 (Nd-YAG) 雷射來穿透絕緣層。一旦它擊中內部的(de)第 2 層金屬，就會停止脈衝，而不會燒穿金屬。
這裡有個關鍵的(de)問題。即使我們要疊加微孔來從第 1 層到達第 3 層，但仍然希望第 2 層的(de)焊盤是雷射的(de)目標。疊加微孔是有一定成本的(de)。作者本人(rén)曾在 Chromecast 的(de) PCB 上使用(yòng)了(le)精打細算(suàn)的(de)交錯微孔法。這種方法的(de)缺點是，它佔用(yòng)了(le)更多(duō)的(de)傳統第 2 層接地平面。為了(le)實現製造廠商的(de)要求，我們花了(le)幾個小時才做(zuò)到這一點。而當出售幾百萬、幾千萬個器件時，一分(fēn)一厘的(de)成本也(yě)很重要。請注意，在 HDI 電路闆中，接地平面的(de)理(lǐ)想位置不一定是第 2 層。
圖片來源：作者 - 需要較粗的(de)射頻走線，以避免測試點出現阻抗問題。隻有當參考平面位於電路闆的(de)深層時，才需要粗的(de)走線。
因此，尺寸差異和(hé)單層跨度一直存在，但我們在用(yòng)微孔設計 PCB 之前，還有一個因素需要瞭解，即一旦孔中的(de)材料脫落，就必須進行電鍍。由於幾乎不可(kě)能對一個又深又窄的(de)孔進行電鍍，因此要使用(yòng)微孔，介電質材料必須非常薄。這個比例大(dà)約在 0.6:1 和(hé) 1:1 之間。使成品孔的(de)尺寸與介電質的(de)厚度相同非常重要，這對大(dà)多(duō)數工廠來說幾乎是不可(kě)能的(de)。理(lǐ)想情況下(xià)，材料要比孔的(de)直徑更薄。
解決方案的(de)核心：核心過孔
這意味著，市場對於薄型介電質一直有需求。正如現在某些消費產品的(de)成本更高(gāo)一樣，對 HDI 友好的(de)材料可(kě)能會有一些交貨期和(hé)價格方面的(de)壓力。微孔的(de)使用(yòng)有限，因此要在成本和(hé)性能之間達到平衡。而 3-N-3 堆疊則是一個理(lǐ)想選擇；3-N-3 指的(de)是先從一塊 N 層厚的(de)電路闆開始，假設 N=4，3 表示圍繞核心部分(fēn)增加的(de)層數。
工廠將以常規的(de)方式使用(yòng) PTH 過孔幾何形狀製作一塊 4 層電路闆。該電路闆將成為成品闆的(de)中央核心。然後，他(tā)們在 4 層電路闆的(de)每一側再疊加一層。這些層的(de)厚度約為 50 微米，以支撐 75-100 微米的(de)過孔。他(tā)們一次又一次地進行層壓和(hé)雷射打孔，這樣最終就會得(de)到三個雷射過孔層、四個機械過孔層和(hé)另外三個雷射過孔層，總共有 10 層。
圖片來源：作者 - 一個 14 層的(de) 3-N-3 堆疊；未按比例繪製。
除了(le)薄薄的(de)半固化(huà)片，主要的(de)成本驅動因素是層壓週期。從兩層、四層、六層或更多(duō)的(de)核心層開始並不是什(shén)麼大(dà)問題。因此常用(yòng)的(de)術語將所有這些核心疊層統稱為「N」層。而將電路闆再次放入壓合機，讓電路闆在高(gāo)溫和(hé)壓力下(xià)粘接在一起，這才是成本來源。壓合機通(tōng)常是工廠中最昂貴的(de)設備。它們的(de)工作速度不像鑽孔機或電鍍槽那樣快(kuài)。隻有一台衝壓機的(de)工廠會面臨一個瓶頸，相應的(de)成本必然反映在 HDI 電路闆的(de)價格上。
2-N-2 堆疊法
有一種很棒的(de)方法，是在外層使用(yòng)薄的(de)介電質製作 HDI 闆的(de)核心，並在進入第二個層壓週期之前在核心上創建微孔。這被稱為 2-N-2 加堆疊。與 3-N-3 版本相比，所需層壓次數要少一次。其缺點是，核心過孔朝堆疊的(de)頂部和(hé)底部進一步延伸了(le)一層。核心過孔突出來的(de)層通(tōng)常適合作為接地層。
從佈線的(de)角度來看，在 1-2、2-3、3-4、4-7、7-8、8-9 和(hé) 9-10 之間設置過孔，可(kě)以解決大(dà)多(duō)數令人(rén)困擾的(de)扇出問題。許多(duō)電路闆可(kě)以採用(yòng)更少的(de)技術來完成，有些可(kě)能需要在整個電路闆上都添加微型通(tōng)孔。到那時，電路闆的(de)兩邊都擠滿了(le)元件，而且可(kě)能有間距很小的(de) 、具有上千個引腳的(de) BGA 器件。當完成這類電路闆時，油然而生的(de)成就感會讓我們心潮澎湃。好好享受吧！
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