電路板小型化設(shè)計(jì)如何實(shí)現(xiàn)？

摘要：電子產(chǎn)品功能越來(lái)越強(qiáng)大的同時(shí)，對(duì)便攜的要求也越來(lái)越高，電路板小型化設(shè)計(jì)成為很多電子設(shè)計(jì)公司的研究課題。本文以電路板小型化設(shè)計(jì)的方法、挑戰(zhàn)和趨勢(shì)為主線(xiàn)，結(jié)合Cadence SPB16.5在電路板小型化設(shè)計(jì)方面的強(qiáng)大功能，全面剖析電路板小型化設(shè)計(jì)的工程實(shí)現(xiàn)。主要包括以下內(nèi)容：電路板小型化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)，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(jì)方法以及工藝實(shí)現(xiàn)，介紹埋阻、埋容的應(yīng)用，埋入式元器件的設(shè)計(jì)方法以及工藝實(shí)現(xiàn)。同時(shí)介紹Cadence SPB16.5軟件對(duì)電路板小型化設(shè)計(jì)的支持。最后介紹HDI設(shè)計(jì)在高速中的應(yīng)用以及仿真方法，HDI在通信系統(tǒng)類(lèi)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(jì)，HDI，ANYLAYER（任意階）技術(shù)，埋入式器件，信號(hào)完整性
    1.引 言
    產(chǎn)品小型化的好處是顯而易見(jiàn)的，從而帶動(dòng)了電路板小型化設(shè)計(jì)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(guò)多年的發(fā)展，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家可以做到3+n+3，也就是3階盲埋孔設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始逐步成熟了。
    2、ANYLAYER（任意階）技術(shù)，又叫任意過(guò)孔技術(shù)(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)，隨著蘋(píng)果的iPhone 4及iPad采用了ANYLAYER HDI，任意階技術(shù)也因此越來(lái)越被廣大智能手機(jī)等廠(chǎng)家所關(guān)注
    3、埋阻、埋容和埋入式元器件，不少?gòu)S家研究埋阻、埋容技術(shù)多年，埋容也已經(jīng)能實(shí)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?yàn)镾iP的普及，在普通電子產(chǎn)品領(lǐng)域也開(kāi)始火起來(lái)，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(duì)電路板生產(chǎn)工藝帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)之外，還對(duì)設(shè)計(jì)方法、觀(guān)念、工具等都帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具效率低下，并且因?yàn)椴痪邆湎鄳?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(cuò)，設(shè)計(jì)工程師需要全新的支持電路板小型化設(shè)計(jì)技術(shù)的工具。Cadence SPB16.5全面加強(qiáng)了對(duì)電路板小型化設(shè)計(jì)的支持，增加了埋入式元器件的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化增強(qiáng)了對(duì)HDI以及ANYLAYER技術(shù)的支持。
 
    2.HDI技術(shù)以及工藝實(shí)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(dá)到0.15mm時(shí)，成本已經(jīng)非常高，且很難再次改進(jìn)。而HDI板的鉆孔不再依賴(lài)于傳統(tǒng)的機(jī)械鉆孔，而是利用激光鉆孔和機(jī)械鉆孔的結(jié)合應(yīng)用。HDI也就是通常我們所說(shuō)的盲埋孔技術(shù)。HDI技術(shù)的出現(xiàn)，適應(yīng)并推進(jìn)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(lèi)
    IPC-2315上對(duì)HDI的分類(lèi)有詳細(xì)說(shuō)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(pán)采用4/12mil（5/12mil），當(dāng)然，現(xiàn)在也可以采用更小盤(pán)如4/10mil了應(yīng)對(duì)密度較高的布線(xiàn).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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(lèi)型的孔。目前國(guó)內(nèi)的二階HDI設(shè)計(jì)和加工已經(jīng)非常成熟了。
 
    2.2 HDI板設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)
    多階HDI的設(shè)計(jì)，需要一個(gè)靈活強(qiáng)大的約束管理器，能識(shí)別微孔和普通機(jī)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(lèi)型的過(guò)孔信息，方便設(shè)計(jì)工程師進(jìn)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(tái)，具有強(qiáng)大的HDI設(shè)計(jì)功能。
    首先是Micro Via屬性，使得HDI工藝實(shí)現(xiàn)的微孔徹底和傳統(tǒng)機(jī)械實(shí)現(xiàn)的盲埋孔區(qū)分開(kāi)來(lái)，單獨(dú)進(jìn)行約束設(shè)置；結(jié)合單獨(dú)區(qū)分出來(lái)的同名網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)約束、盤(pán)中孔設(shè)計(jì)約束等，實(shí)現(xiàn)了靈活強(qiáng)大的約束驅(qū)動(dòng)的HDI設(shè)計(jì)。
    Via Labels功能，可以讓設(shè)計(jì)者更加方便的查看了解微孔所連接的層，進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃；同時(shí)結(jié)合基于OpenGL的3D過(guò)孔結(jié)構(gòu)現(xiàn)實(shí)功能，從平面到立體，幫助工程師實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多階過(guò)孔結(jié)構(gòu)管理。
    無(wú)盤(pán)設(shè)計(jì)功能可以自動(dòng)根據(jù)走線(xiàn)層來(lái)實(shí)現(xiàn)通孔焊盤(pán)的存在與去除，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)之初就因?yàn)槿コ副P(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的布線(xiàn)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(guò)孔類(lèi)型的結(jié)構(gòu)示例圖形，強(qiáng)大的Fan out功能和BGA出線(xiàn)功能等
    宏力捷采用Cadence強(qiáng)大的電路板小型化設(shè)計(jì)工具，結(jié)合自身HDI的設(shè)計(jì)和加工能力，完美完成了多個(gè)密度極高的小型化產(chǎn)品設(shè)計(jì)任務(wù)。
    一個(gè)3階HDI的案例，宏力捷借助Cadence的設(shè)計(jì)平臺(tái)以及在HDI設(shè)計(jì)領(lǐng)域多年的經(jīng)驗(yàn)，完美的完成了設(shè)計(jì)。同時(shí)由于密度原因，設(shè)計(jì)的最小線(xiàn)寬和間距達(dá)到了2.4mil ，挑戰(zhàn)了業(yè)內(nèi)的極限。宏力捷借助自有板廠(chǎng)和合作廠(chǎng)家在HDI生產(chǎn)加工上的領(lǐng)先工藝能力，幫助客戶(hù)完成了制板和貼片。
 
    3.ANYLAYER（任意階）技術(shù)
    近些年來(lái)，為了滿(mǎn)足一些高端消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品小型化的需要，芯片的集成度越來(lái)越高，BGA管腳間距越來(lái)越近（小于等于0.4pitch），PCB的布局也越來(lái)緊湊，走線(xiàn)密度也越來(lái)越大，為了提高設(shè)計(jì)的布通率且不影響信號(hào)完整性等性能，ANYLAYER（任意階）技術(shù)應(yīng)用而生，這個(gè)就是任意過(guò)孔技術(shù)(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)。
 
    3.1任意層過(guò)孔技術(shù)特點(diǎn)
    任意層過(guò)孔技術(shù)與HDI技術(shù)的特征比較，ALIVH的最大優(yōu)勢(shì)就是設(shè)計(jì)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(diǎn)。一般國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商做到最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也就是HDI的設(shè)計(jì)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(jī)械孔，所以孔盤(pán)的要求比激光孔大很多，而機(jī)械孔要占用所經(jīng)過(guò)的層面上空間。所以一般來(lái)說(shuō)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(xiàn)空間比HDI大概有很大的提高。同時(shí)，ALIVH的成本和加工難度也比HDI工藝要高。
 
    3.2任意層過(guò)孔的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
    任意層過(guò)孔技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)過(guò)孔設(shè)計(jì)方法。如果還是需要設(shè)置不同層的過(guò)孔，會(huì)增加管理難度。需要設(shè)計(jì)工具具備智能化打孔的能力，同時(shí)能隨意的進(jìn)行組合和拆分。
    Cadence在傳統(tǒng)的基于換線(xiàn)層的布線(xiàn)方式上，增加了基于Working Layer的換線(xiàn)方式，可以在Working Layer面板中勾選可以進(jìn)行環(huán)線(xiàn)的層，然后在雙擊打孔的時(shí)候，就可以選擇任意層之間進(jìn)行換線(xiàn)。
 
    4.埋阻、埋容和埋入式元器件
    對(duì)高速訪(fǎng)問(wèn)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(jìn)的4-N-4的HDI技術(shù)。但為了下一代新技術(shù),實(shí)現(xiàn)更高的互連密度，在這個(gè)領(lǐng)域，埋入無(wú)源甚至于有源的零件進(jìn)入PCB和基板中可滿(mǎn)足以上要求。當(dāng)你設(shè)計(jì)手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品，考慮如何將無(wú)源和有源的零件埋入PCB和基板是當(dāng)前設(shè)計(jì)的最好選擇。這種方法可能因?yàn)槟悴捎貌煌墓?yīng)商略有不同。埋入零件的另外一個(gè)好處，該技術(shù)提供對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù),防止所謂的逆向設(shè)計(jì)。Allegro PCB Editor可以提供最好的工業(yè)級(jí)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(duì)完成埋入式零件的設(shè)計(jì)。埋入器件的設(shè)計(jì)不僅可以簡(jiǎn)化后面SMT的工藝，同時(shí)對(duì)產(chǎn)品表明的整潔度都有很大的提高。
 
    5.HDI設(shè)計(jì)在高速中的應(yīng)用以及仿真方法
    高速串行總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)傳輸速率繼續(xù)提升，過(guò)孔寄生參數(shù)帶來(lái)的影響也越來(lái)越被重視。高速仿真工程師關(guān)注過(guò)孔優(yōu)化，通過(guò)各種手段來(lái)減小過(guò)孔寄生參數(shù)帶來(lái)的影響。HDI由于采用盤(pán)中孔的設(shè)計(jì)要求，可以減少表層器件的寄生參數(shù)。同時(shí)，微孔的電感和電容大約只是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過(guò)孔的十分之一左右。
    還是存在很多問(wèn)題，寄生電容是對(duì)地的電容，機(jī)械孔不會(huì)6層都連接地平面，計(jì)算會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比公式來(lái)得復(fù)雜；現(xiàn)在的過(guò)孔生產(chǎn)的時(shí)候，基本都采用無(wú)盤(pán)工藝，即去除非連接層的過(guò)孔焊盤(pán)，這可以有效減小過(guò)孔的寄生電容。這種情況下，只簡(jiǎn)單考慮過(guò)孔特征阻抗的影響是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。
    微孔的阻抗可以比較容易優(yōu)化到差分線(xiàn)的100歐姆阻抗值，這樣就減少了過(guò)孔引起的阻抗不連續(xù)帶來(lái)的高速問(wèn)題。
    從以上分析可以看出，微孔的高速性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通機(jī)械孔，并且沒(méi)有Stub的問(wèn)題，機(jī)械孔就算是采用背鉆工藝，也不可避免的要出現(xiàn)一定長(zhǎng)度的Stub。而這個(gè)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(guò)電流能力，需要的時(shí)候可采用微孔填銅來(lái)提高載流能力。
 
    6.結(jié) 論
    Cadence的SPB16.X平臺(tái)提供了出色的電路板小型化設(shè)計(jì)能力，在HDI多階過(guò)孔設(shè)計(jì)，任意階過(guò)孔設(shè)計(jì)，埋入式器件設(shè)計(jì)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(jìn)行優(yōu)化更新的約束管理器，幫助工程師實(shí)現(xiàn)在電路板小型化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的約束驅(qū)動(dòng)布局布線(xiàn)，提升設(shè)計(jì)效率和保證設(shè)計(jì)成功率。
    基于Cadence強(qiáng)大的平臺(tái)和自身HDI設(shè)計(jì)上豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合自有板廠(chǎng)以及合作伙伴在國(guó)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(jì)、仿真、生產(chǎn)、貼片、組裝等一站式服務(wù)，全面實(shí)現(xiàn)客戶(hù)在小型化領(lǐng)域的各類(lèi)需求。