電路板小型化設(shè)計如何實現(xiàn)？

摘要：電子產(chǎn)品功能越來越強大的同時，對便攜的要求也越來越高，電路板小型化設(shè)計成為很多電子設(shè)計公司的研究課題。本文以電路板小型化設(shè)計的方法、挑戰(zhàn)和趨勢為主線，結(jié)合Cadence SPB16.5在電路板小型化設(shè)計方面的強大功能，全面剖析電路板小型化設(shè)計的工程實現(xiàn)。主要包括以下內(nèi)容：電路板小型化設(shè)計的現(xiàn)狀和趨勢，以及現(xiàn)在主流的HDI加工工藝，介紹最新的ANYLAYER（任意階）技術(shù)的設(shè)計方法以及工藝實現(xiàn)，介紹埋阻、埋容的應(yīng)用，埋入式元器件的設(shè)計方法以及工藝實現(xiàn)。同時介紹Cadence SPB16.5軟件對電路板小型化設(shè)計的支持。最后介紹HDI設(shè)計在高速中的應(yīng)用以及仿真方法，HDI在通信系統(tǒng)類產(chǎn)品中的應(yīng)用，HDI和背鉆的比較等。
    關(guān)鍵詞：電路板小型化設(shè)計，HDI，ANYLAYER（任意階）技術(shù)，埋入式器件，信號完整性
    1.引 言
    產(chǎn)品小型化的好處是顯而易見的，從而帶動了電路板小型化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展。這些技術(shù)主要有：
    1、傳統(tǒng)意義上的HDI技術(shù)，經(jīng)過多年的發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)廠家可以做到3+n+3，也就是3階盲埋孔設(shè)計已經(jīng)開始逐步成熟了。
    2、ANYLAYER（任意階）技術(shù)，又叫任意過孔技術(shù)(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)，隨著蘋果的iPhone 4及iPad采用了ANYLAYER HDI，任意階技術(shù)也因此越來越被廣大智能手機等廠家所關(guān)注
    3、埋阻、埋容和埋入式元器件，不少廠家研究埋阻、埋容技術(shù)多年，埋容也已經(jīng)能實現(xiàn)量產(chǎn)，埋入式元器件早些年大量用于航空航天和軍事領(lǐng)域，這些年因為SiP的普及，在普通電子產(chǎn)品領(lǐng)域也開始火起來，算是比較新的技術(shù)，多用于封裝載板。
 
    小型化技術(shù)的推廣，除了對電路板生產(chǎn)工藝帶來巨大的挑戰(zhàn)之外，還對設(shè)計方法、觀念、工具等都帶來深遠的影響。傳統(tǒng)的設(shè)計工具效率低下，并且因為不具備相應(yīng)的約束規(guī)則而需要大量人工干預(yù)檢查，比較容易出錯，設(shè)計工程師需要全新的支持電路板小型化設(shè)計技術(shù)的工具。Cadence SPB16.5全面加強了對電路板小型化設(shè)計的支持，增加了埋入式元器件的設(shè)計方法，同時進一步優(yōu)化增強了對HDI以及ANYLAYER技術(shù)的支持。
 
    2.HDI技術(shù)以及工藝實現(xiàn)
    HDI：High Density Interconnect，高密度互連。傳統(tǒng)的PCB板的鉆孔由于受到鉆刀影響，當(dāng)鉆孔孔徑達到0.15mm時，成本已經(jīng)非常高，且很難再次改進。而HDI板的鉆孔不再依賴于傳統(tǒng)的機械鉆孔，而是利用激光鉆孔和機械鉆孔的結(jié)合應(yīng)用。HDI也就是通常我們所說的盲埋孔技術(shù)。HDI技術(shù)的出現(xiàn)，適應(yīng)并推進了PCB行業(yè)的發(fā)展。使得在PCB板內(nèi)可以排列上更加密集的BGA、QFP等。
 
    2.1 HDI的分類
    IPC-2315上對HDI的分類有詳細說明，這里我們按照激光孔深度的不同分為以下幾種：一階HDI， 二階HDI 三階HDI。
    一階的HDI技術(shù)是指盲孔僅僅連通表層及與其相鄰的次外層的成孔技術(shù)。通常激光孔和盤采用4/12mil（5/12mil），當(dāng)然，現(xiàn)在也可以采用更小盤如4/10mil了應(yīng)對密度較高的布線.內(nèi)層的盲孔我們一般采用普通孔。而二階的HDI技術(shù)是在1階的HDI技術(shù)上的改進和提高，它包含激光盲孔直接由表層鉆到第三層（2+N+2），和表層鉆到第二層再由第二層鉆到第三層兩種形式（1+1+N+1+1），其加工難度遠遠大于1階的HDI技術(shù)。三階HDI板的加工制作工藝與二階基本相似，就是多了幾種類型的孔。目前國內(nèi)的二階HDI設(shè)計和加工已經(jīng)非常成熟了。
 
    2.2 HDI板設(shè)計上的挑戰(zhàn)
    多階HDI的設(shè)計，需要一個靈活強大的約束管理器，能識別微孔和普通機械孔，能設(shè)置微孔與其他元素的間距約束。同名網(wǎng)絡(luò)的約束關(guān)系變得復(fù)雜，需要支持各種情況下的同名網(wǎng)絡(luò)間距約束檢查。需要能清晰的顯示不同類型的過孔信息，方便設(shè)計工程師進行管理。Allegro的3D結(jié)構(gòu)視圖可以幫助我們更加了解不同孔的結(jié)構(gòu)。
    Cadence的 SPB16.X平臺，具有強大的HDI設(shè)計功能。
    首先是Micro Via屬性，使得HDI工藝實現(xiàn)的微孔徹底和傳統(tǒng)機械實現(xiàn)的盲埋孔區(qū)分開來，單獨進行約束設(shè)置；結(jié)合單獨區(qū)分出來的同名網(wǎng)絡(luò)設(shè)計約束、盤中孔設(shè)計約束等，實現(xiàn)了靈活強大的約束驅(qū)動的HDI設(shè)計。
    Via Labels功能，可以讓設(shè)計者更加方便的查看了解微孔所連接的層，進行設(shè)計規(guī)劃；同時結(jié)合基于OpenGL的3D過孔結(jié)構(gòu)現(xiàn)實功能，從平面到立體，幫助工程師實現(xiàn)復(fù)雜的多階過孔結(jié)構(gòu)管理。
    無盤設(shè)計功能可以自動根據(jù)走線層來實現(xiàn)通孔焊盤的存在與去除，實現(xiàn)了設(shè)計之初就因為去除焊盤來實現(xiàn)更加優(yōu)化的布線空間利用率；與之相匹配的功能是增加了Hole和其他元素的間距約束設(shè)置。
    其他功能包括：DRC Modes里面的Via in Pad約束設(shè)置，過孔類型的結(jié)構(gòu)示例圖形，強大的Fan out功能和BGA出線功能等
    宏力捷采用Cadence強大的電路板小型化設(shè)計工具，結(jié)合自身HDI的設(shè)計和加工能力，完美完成了多個密度極高的小型化產(chǎn)品設(shè)計任務(wù)。
    一個3階HDI的案例，宏力捷借助Cadence的設(shè)計平臺以及在HDI設(shè)計領(lǐng)域多年的經(jīng)驗，完美的完成了設(shè)計。同時由于密度原因，設(shè)計的最小線寬和間距達到了2.4mil ，挑戰(zhàn)了業(yè)內(nèi)的極限。宏力捷借助自有板廠和合作廠家在HDI生產(chǎn)加工上的領(lǐng)先工藝能力，幫助客戶完成了制板和貼片。
 
    3.ANYLAYER（任意階）技術(shù)
    近些年來，為了滿足一些高端消費類電子產(chǎn)品小型化的需要，芯片的集成度越來越高，BGA管腳間距越來越近（小于等于0.4pitch），PCB的布局也越來緊湊，走線密度也越來越大，為了提高設(shè)計的布通率且不影響信號完整性等性能，ANYLAYER（任意階）技術(shù)應(yīng)用而生，這個就是任意過孔技術(shù)(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)。
 
    3.1任意層過孔技術(shù)特點
    任意層過孔技術(shù)與HDI技術(shù)的特征比較，ALIVH的最大優(yōu)勢就是設(shè)計自由度大大增加，可以在層間隨意打孔，而ＨＤＩ工藝不能做到這點。一般國內(nèi)廠商做到最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也就是HDI的設(shè)計極限為三階ＨＤＩ板，由于HDI不是完全采用激光鉆孔，在內(nèi)層的埋孔采用的是機械孔，所以孔盤的要求比激光孔大很多，而機械孔要占用所經(jīng)過的層面上空間。所以一般來說HDI這種結(jié)構(gòu)比起ALIVH技術(shù)的任意打孔，內(nèi)層核板的孔徑也可用0.2mm的微孔還是有很大差距的。所以ALIVH板的走線空間比HDI大概有很大的提高。同時，ALIVH的成本和加工難度也比HDI工藝要高。
 
    3.2任意層過孔的設(shè)計挑戰(zhàn)
    任意層過孔技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)過孔設(shè)計方法。如果還是需要設(shè)置不同層的過孔，會增加管理難度。需要設(shè)計工具具備智能化打孔的能力，同時能隨意的進行組合和拆分。
    Cadence在傳統(tǒng)的基于換線層的布線方式上，增加了基于Working Layer的換線方式，可以在Working Layer面板中勾選可以進行環(huán)線的層，然后在雙擊打孔的時候，就可以選擇任意層之間進行換線。
 
    4.埋阻、埋容和埋入式元器件
    對高速訪問互聯(lián)網(wǎng)和社交網(wǎng)絡(luò)要求手持設(shè)備高集成和小型化。目前靠最先進的4-N-4的HDI技術(shù)。但為了下一代新技術(shù),實現(xiàn)更高的互連密度，在這個領(lǐng)域，埋入無源甚至于有源的零件進入PCB和基板中可滿足以上要求。當(dāng)你設(shè)計手機，數(shù)碼相機等消費類電子產(chǎn)品，考慮如何將無源和有源的零件埋入PCB和基板是當(dāng)前設(shè)計的最好選擇。這種方法可能因為你采用不同的供應(yīng)商略有不同。埋入零件的另外一個好處，該技術(shù)提供對知識產(chǎn)權(quán)保護,防止所謂的逆向設(shè)計。Allegro PCB Editor可以提供最好的工業(yè)級解決方案。Allegro PCB Editor還可以同HDI板，柔板和埋入式零件更加緊密的合作。你可以得到正確的參數(shù)和約束對完成埋入式零件的設(shè)計。埋入器件的設(shè)計不僅可以簡化后面SMT的工藝，同時對產(chǎn)品表明的整潔度都有很大的提高。
 
    5.HDI設(shè)計在高速中的應(yīng)用以及仿真方法
    高速串行總線技術(shù)的發(fā)展，信號傳輸速率繼續(xù)提升，過孔寄生參數(shù)帶來的影響也越來越被重視。高速仿真工程師關(guān)注過孔優(yōu)化，通過各種手段來減小過孔寄生參數(shù)帶來的影響。HDI由于采用盤中孔的設(shè)計要求，可以減少表層器件的寄生參數(shù)。同時，微孔的電感和電容大約只是一個標(biāo)準(zhǔn)過孔的十分之一左右。
    還是存在很多問題，寄生電容是對地的電容，機械孔不會6層都連接地平面，計算會遠遠比公式來得復(fù)雜；現(xiàn)在的過孔生產(chǎn)的時候，基本都采用無盤工藝，即去除非連接層的過孔焊盤，這可以有效減小過孔的寄生電容。這種情況下，只簡單考慮過孔特征阻抗的影響是遠遠不夠的。
    微孔的阻抗可以比較容易優(yōu)化到差分線的100歐姆阻抗值，這樣就減少了過孔引起的阻抗不連續(xù)帶來的高速問題。
    從以上分析可以看出，微孔的高速性能遠遠優(yōu)于普通機械孔，并且沒有Stub的問題，機械孔就算是采用背鉆工藝，也不可避免的要出現(xiàn)一定長度的Stub。而這個Stub，往往是影響高速電路性能的致命殺手。
    有如果關(guān)心微孔的過電流能力，需要的時候可采用微孔填銅來提高載流能力。
 
    6.結(jié) 論
    Cadence的SPB16.X平臺提供了出色的電路板小型化設(shè)計能力，在HDI多階過孔設(shè)計，任意階過孔設(shè)計，埋入式器件設(shè)計以及基于PDN的埋容仿真分析等領(lǐng)域都提供了出色的支持。全面基于HDI進行優(yōu)化更新的約束管理器，幫助工程師實現(xiàn)在電路板小型化設(shè)計領(lǐng)域的約束驅(qū)動布局布線，提升設(shè)計效率和保證設(shè)計成功率。
    基于Cadence強大的平臺和自身HDI設(shè)計上豐富的經(jīng)驗，同時結(jié)合自有板廠以及合作伙伴在國內(nèi)領(lǐng)先的HDI加工能力，宏力捷可以提供全方位的電路板小型化設(shè)計、仿真、生產(chǎn)、貼片、組裝等一站式服務(wù)，全面實現(xiàn)客戶在小型化領(lǐng)域的各類需求。