By Cadence
本文要點
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高(gāo)密互連 PCB 設計案例 |
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用(yòng)於 HDI 設計的(de)過孔 |
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使用(yòng)設計規則進行有效過孔管理(lǐ) |
正如五金店(diàn)裡需要管理(lǐ)並陳列各種類型、公制、材質、長度、寬度和(hé)螺距等的(de)釘子、螺絲類安裝件，PCB 設計領域中也(yě)需要管理(lǐ)過孔這樣的(de)設計物(wù)件，尤其在高(gāo)密設計中更是如此。傳統的(de) PCB 設計可(kě)能隻使用(yòng)幾種不同的(de)過孔，但如今的(de) 高(gāo)密互連 (HDI) 設計 則需要許多(duō)不同類型和(hé)尺寸的(de)過孔。而每一個過孔都需要被加以管理(lǐ)，從而被正確地使用(yòng)，確保最大(dà)程度提高(gāo)電路闆性能和(hé)無誤差可(kě)製造性。本文將詳細闡述在 PCB 設計中管理(lǐ)高(gāo)密過孔的(de)需求，以及如何實現這一需求。
驅動高(gāo)密 PCB 設計的(de)因素
隨著市場對小型電子設備的(de)需求不斷增長，驅動這些設備的(de)印刷電路闆也(yě)不得(de)不隨之縮小，以便能安裝到設備中。與此同時，為了(le)滿足性能提升要求，電子設備不得(de)不在電路闆上增加更多(duō)的(de)器件和(hé)電路。PCB 器件的(de)尺寸在不斷減小，而引腳數量卻在增加，因此不得(de)不使用(yòng)更小的(de)引腳和(hé)更緊密的(de)間距來進行設計，這一切讓問題更加複雜。對於 PCB 設計師來說，這相當於袋子越來越小，而裡面裝的(de)東西越來越多(duō)。傳統的(de)電路闆設計方法很快(kuài)就達到了(le)極限。
顯微鏡下(xià)的(de)印刷電路闆過孔
為了(le)滿足在更小的(de)電路闆尺寸上增加更多(duō)電路的(de)需求，一種新的(de) PCB 設計方法應運而生——高(gāo)密互連，簡稱 HDI。HDI 設計採用(yòng)了(le)更先進的(de)電路闆製造技術，線寬更小，材料更薄，具備盲孔和(hé)埋孔或者用(yòng)雷射鑽出來的(de)微孔。得(de)益於這些高(gāo)密特性，更小的(de)電路闆上可(kě)以佈置更多(duō)的(de)電路，並為多(duō)引腳積體電路提供了(le)可(kě)行的(de)連接解決方案。
使用(yòng)這些高(gāo)密過孔還帶來了(le)其他(tā)幾個好處：
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佈線通(tōng)道： |
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由於盲孔和(hé)埋孔以及微孔不穿透闆層堆疊，這在設計中創造了(le)額外的(de)佈線通(tōng)道。透過有策略地放置這些不同的(de)過孔，設計師可(kě)以為擁有數百個引腳的(de)器件佈線。如果隻使用(yòng)標準的(de)通(tōng)孔，引腳如此之多(duō)的(de)器件通(tōng)常會阻塞所有的(de)內層佈線通(tōng)道。 |
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信號完整性： |
小型電子設備上的(de)許多(duō)信號也(yě)有特定的(de)信號完整性要求，而通(tōng)孔不能滿足此類設計要求。這些過孔會形成天線，引入 EMI 問題，或者影(yǐng)響關鍵網路的(de)信號返回路徑。使用(yòng)盲孔和(hé)埋孔或者微孔，則可(kě)以消除潛在的(de)因為使用(yòng)通(tōng)孔而造成的(de)信號完整性問題。 |
為了(le)更好地理(lǐ)解上文所說的(de)這些過孔，我們接下(xià)來看一下(xià)在高(gāo)密設計中可(kě)以使用(yòng)的(de)不同類型的(de)過孔及其應用(yòng)。
PCB 設計工具中的(de)過孔清單顯示了(le)不同過孔的(de)類型和(hé)配置
高(gāo)密互連過孔的(de)類型和(hé)結構
過孔是電路闆上連通(tōng)兩層或兩層以上堆疊的(de)孔洞。通(tōng)常來說，過孔將走線承載的(de)信號從電路闆的(de)一層傳輸到另一層相應的(de)走線上。為了(le)在走線層之間傳導信號，過孔在製造過程中被鍍上金屬。根據具體用(yòng)途，過孔的(de)尺寸和(hé)焊盤各不相同。較小的(de)過孔用(yòng)於信號佈線，而較大(dà)的(de)過孔則用(yòng)於電源和(hé)接地佈線，或幫助過熱的(de)器件散熱。
以下(xià)是電路闆上不同類型的(de)過孔：
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通(tōng)孔： |
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通(tōng)孔是雙面印刷電路闆自首次問世以來一直在使用(yòng)的(de)標準過孔。孔洞是以機械方式鑽出，穿透整個電路闆，並採用(yòng)電鍍工藝。然而，機械鑽頭能鑽出的(de)最小孔徑有一定局限性，取決於鑽徑與闆厚的(de)縱橫比。一般來說，通(tōng)孔的(de)孔徑不小於 0.15 毫米。 |
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盲孔： |
這種過孔像通(tōng)孔一樣，也(yě)是以機械方式鑽出，但採用(yòng)了(le)更多(duō)的(de)製造步驟，隻從表面鑽穿部分(fēn)闆層。盲孔也(yě)同樣面臨著鑽頭尺寸限制問題；但取決於位於電路闆的(de)哪一面，我們可(kě)以在盲孔的(de)上方或下(xià)方進行佈線。 |
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埋孔： |
埋孔與盲孔一樣，也(yě)是以機械方式鑽出，但起止於電路闆的(de)內層而不是表層。由於需要埋入闆層堆疊，這種過孔也(yě)需要額外的(de)製造步驟。 |
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微孔： |
這種過孔是用(yòng)雷射燒蝕，孔徑小於機械鑽頭的(de) 0.15 毫米限制。由於微孔隻跨越電路闆的(de)相鄰兩層，其縱橫比使可(kě)供電鍍的(de)孔洞要小得(de)多(duō)。微孔也(yě)可(kě)以放置在電路闆的(de)表層或內部。微孔通(tōng)常是填充和(hé)電鍍的(de)，基本上是隱藏式的(de)，因此可(kě)以放置在球柵陣列 (BGA) 等元件的(de)表面黏著元件焊球中。由於孔徑小，微孔所需要的(de)焊盤也(yě)比普通(tōng)過孔小得(de)多(duō)，大(dà)約為 0.300 毫米。 |
用(yòng)於高(gāo)密設計的(de)典型微孔
根據設計需求，可(kě)以對以上不同類型的(de)過孔進行配置，使它們配合工作。例如，微孔可(kě)以與其他(tā)微孔疊放在一起，也(yě)可(kě)以與埋孔疊放在一起。這些過孔也(yě)可(kě)以交錯排列。如前所述，微孔可(kě)以放置在表面黏著元件引腳的(de)焊盤內。由於沒有了(le)從表面黏著焊盤到扇出過孔的(de)傳統走線，佈線擁塞的(de)問題得(de)到進一步緩解。
以上不同類型的(de)過孔可(kě)以用(yòng)於 HDI 設計。接下(xià)來，我們看看 PCB 設計人(rén)員如何才能有效地管理(lǐ)過孔的(de)使用(yòng)。
PCB 設計 CAD 工具中的(de)高(gāo)密過孔管理(lǐ)
雖然隻有少數幾種類型的(de)過孔可(kě)用(yòng)於 PCB 設計，但有許多(duō)方法可(kě)以創造出不同的(de)過孔大(dà)小和(hé)形狀。用(yòng)於電源和(hé)接地連接的(de)通(tōng)孔，通(tōng)常比用(yòng)於常規佈線的(de)通(tōng)孔更大(dà)，放置在擁有幾百個引腳的(de)大(dà)型 BGA 元件底部的(de)過孔除外。對於這些，除了(le)BGA 焊盤以外，可(kě)能還需要表面黏著焊盤中的(de)微孔。雖然較大(dà)的(de)元件將受益於微孔的(de)使用(yòng)，但微孔並不適合引腳較少的(de)常規表面黏著元件；對於這種佈線則建議使用(yòng)標準的(de)通(tōng)孔。這些通(tōng)孔比電源和(hé)接地過孔更小，而用(yòng)於散熱的(de)通(tōng)孔更大(dà)。此外，還可(kě)以使用(yòng)各種不同尺寸的(de)盲孔和(hé)埋孔。
顯然，在 HDI 設計中，由於需要許多(duō)不同的(de)過孔來滿足所有的(de)設計需求，因此容易使人(rén)不知所措。雖然設計師可(kě)以追蹤其中的(de)幾個過孔，但隨著過孔的(de)尺寸規格越來越多(duō)，過孔變得(de)越來越難以管理(lǐ)。不僅設計師必須管理(lǐ)所有這些過孔，而且根據電路闆的(de)區域，不同的(de)過孔可(kě)以用(yòng)於同一個網路。例如，時鐘信號可(kě)以透過 SMT 焊盤中的(de)微孔從 BGA 引腳走線出去，但隨後會在那條線路的(de)下(xià)一段回到埋孔。但對於這個網路，最好不要使用(yòng)傳統式過孔，因為額外的(de)筒狀孔壁可(kě)能會線上路上產生不必要的(de)天線。
那麼，如何更好地管理(lǐ)過孔呢(ne)？Cadence® Allegro® PCB Designer 為設計師提供了(le)有效的(de)高(gāo)密過孔管理(lǐ)功能。
利用(yòng) Allegro PCB Designer 的(de)規則管理(lǐ)來系統地管理(lǐ)過孔間距
使用(yòng)先進的(de)規則管理(lǐ)系統
Cadence Allegro PCB Designer 的(de)規則管理(lǐ)器可(kě)為每個網路分(fēn)配一個或多(duō)個過孔用(yòng)於佈線。這將減輕設計師在連接每個網路時手動篩選所有可(kě)用(yòng)過孔的(de)壓力。也(yě)可(kě)以為網路組設置網路類，這些網路類可(kě)以分(fēn)配特定的(de)過孔，大(dà)大(dà)簡化(huà)了(le)手動管理(lǐ)。此外，可(kě)以為過孔或者電路闆的(de)特定層和(hé)區域全域分(fēn)配間距等多(duō)個過孔約束；還可(kě)以為正在處理(lǐ)的(de)不同過孔類型指定間距約束。
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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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