技术资讯 I 如何管理高密 HDI 过孔

电子说 2022-06-18 01:15

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本文要点:


 

高密互连 PCB 设计案例

用于 HDI 设计的过孔

使用设计规则进行有效过孔管理

 

正如五金店里需要管理并陈列各种类型、公制、材质、长度、宽度和螺距等的钉子、螺丝类安装件,PCB 设计领域中也需要管理过孔这样的设计对象,尤其在高密设计中更是如此。传统的PCB设计可能只使用几种不同的过孔,但如今的高密互连 (HDI) 设计则需要许多不同类型和尺寸的过孔。而每一个过孔都需要被加以管理,从而被正确地使用,确保最大程度提高电路板性能和无误差可制造性。本文将详细阐述在 PCB 设计中管理高密过孔的需求,以及如何实现这一需求。

 

驱动高密PCB设计的因素

 

随着市场对小型电子设备的需求不断增长,驱动这些设备的印刷电路板也不得不随之缩小,以便能安装到设备中。与此同时,为了满足性能提升要求,电子设备不得不在电路板上增加更多的器件和电路。PCB 器件的尺寸在不断减小,而引脚数量却在增加,因此不得不使用更小的引脚和更紧密的间距来进行设计,这一切让问题更加复杂。对于 PCB 设计师来说,这相当于袋子越来越小,而里面装的东西越来越多。传统的电路板设计方法很快就达到了极限。

 

为了满足在更小的电路板尺寸上增加更多电路的需求,一种新的 PCB 设计方法应运而生——高密互连,简称 HDI。HDI 设计采用了更先进的电路板制造技术,线宽更小,材料更薄,具备盲孔和埋孔或者用激光钻出来的微孔。得益于这些高密特性,更小的电路板上可以布置更多的电路,并为多引脚集成电路提供了可行的连接解决方案。

 

使用这些高密过孔还带来了其他几个好处:

 

布线通道:由于盲孔和埋孔以及微孔不穿透板层堆叠,这在设计中创造了额外的布线通道。通过有策略地放置这些不同的过孔,设计师可以为拥有数百个引脚的器件布线。如果只使用标准的通孔,引脚如此之多的器件通常会阻塞所有的内层布线通道。

 

信号完整性:小型电子设备上的许多信号也有特定的信号完整性要求,而通孔不能满足此类设计要求。这些过孔会形成天线,引入EMI问题,或者影响关键网络的信号返回路径。使用盲孔和埋孔或者微孔,则可以消除潜在的因为使用通孔而造成的信号完整性问题。

 

为了更好地理解上文所说的这些过孔,我们接下来看一下在高密设计中可以使用的不同类型的过孔及其应用。

 

PCB 设计工具中的过孔列表显示了不同过孔的类型和配置

 

高密互连过孔的类型和结构

 

过孔是电路板上连通两层或两层以上堆叠的孔洞。通常来说,过孔将走线承载的信号从电路板的一层传输到另一层相应的走线上。为了在走线层之间传导信号,过孔在制造过程中被镀上金属。根据具体用途,过孔的尺寸和焊盘各不相同。较小的过孔用于信号布线,而较大的过孔则用于电源和接地布线,或帮助过热的器件散热。

 

电路板上不同类型的过孔

通孔

通孔是双面印刷电路板自首次问世以来一直在使用的标准过孔。孔洞是以机械方式钻出,穿透整个电路板,并采用电镀工艺。然而,机械钻头能钻出的最小孔径有一定局限性,取决于钻径与板厚的纵横比。一般来说,通孔的孔径不小于 0.15 毫米。

盲孔

这种过孔像通孔一样,也是以机械方式钻出,但采用了更多的制造步骤,只从表面钻穿部分板层。盲孔也同样面临着钻头尺寸限制问题;但取决于位于电路板的哪一面,我们可以在盲孔的上方或下方进行布线。

埋孔

埋孔与盲孔一样,也是以机械方式钻出,但起止于电路板的内层而不是表层。由于需要埋入板层堆叠,这种过孔也需要额外的制造步骤。

微孔

这种过孔是用激光烧蚀,孔径小于机械钻头的 0.15 毫米限制。由于微孔只跨越电路板的相邻两层,其纵横比使可供电镀的孔洞要小得多。微孔也可以放置在电路板的表层或内部。微孔通常是填充和电镀的,基本上是隐藏式的,因此可以放置在球栅阵列 (BGA) 等元件的表面贴装元件焊球中。由于孔径小,微孔所需要的焊盘也比普通过孔小得多,大约为 0.300 毫米。

 

用于高密设计的典型微孔

 

根据设计需求,可以对以上不同类型的过孔进行配置,使它们配合工作。例如,微孔可以与其他微孔叠放在一起,也可以与埋孔叠放在一起。这些过孔也可以交错排列。如前所述,微孔可以放置在表面贴装元件引脚的焊盘内。由于没有了从表面贴装焊盘到扇出过孔的传统走线,布线拥塞的问题得到进一步缓解。

 

以上不同类型的过孔可以用于 HDI 设计。接下来,我们看看 PCB 设计人员如何才能有效地管理过孔的使用。

 

PCB设计CAD工具中的高密过孔管理

 

虽然只有少数几种类型的过孔可用于 PCB 设计,但有许多方法可以创造出不同的过孔大小和形状。用于电源和接地连接的通孔,通常比用于常规布线的通孔更大,放置在拥有几百个引脚的大型 BGA 元件底部的过孔除外。对于这些,除了BGA 焊盘以外,可能还需要表面贴装焊盘中的微孔。虽然较大的元件将受益于微孔的使用,但微孔并不适合引脚较少的常规表面贴装元件;对于这种布线则建议使用标准的通孔。这些通孔比电源和接地过孔更小,而用于散热的通孔更大。此外,还可以使用各种不同尺寸的盲孔和埋孔。

 

显然,在 HDI 设计中,由于需要许多不同的过孔来满足所有的设计需求,因此容易使人不知所措。虽然设计师可以跟踪其中的几个过孔,但随着过孔的尺寸规格越来越多,过孔变得越来越难以管理。不仅设计师必须管理所有这些过孔,而且根据电路板的区域,不同的过孔可以用于同一个网络。例如,时钟信号可以通过 SMT 焊盘中的微孔从 BGA 引脚走线出去,但随后会在那条线路的下一段回到埋孔。但对于这个网络,最好不要使用传统式过孔,因为额外的筒状孔壁可能会在线路上产生不必要的天线。

 

那么,如何更好地管理过孔呢?Cadence Allegro PCB Designer为设计师提供了有效的高密过孔管理功能。

 

利用 Allegro PCB Designer 的规则管理来系统地管理过孔间距

 

使用先进的规则管理系统

 

Cadence Allegro PCB Designer 的规则管理器可为每个网络分配一个或多个过孔用于布线。这将减轻设计师在连接每个网络时手动筛选所有可用过孔的压力。也可以为网络组设置网络类,这些网络类可以分配特定的过孔,大大简化了手动管理。此外,可以为过孔或者电路板的特定层和区域全局分配间距等多个过孔约束;还可以为正在处理的不同过孔类型指定间距约束。

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