摘要:電子產(chǎn)品功能越來越強(qiáng)大的同時(shí),對便攜的要求也越來越高,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)和趨勢為主線,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,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(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(jì)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(jī)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(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(jì)方法、觀念、工具等都帶來深遠(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
IPC-2315上對HDI的分類有詳細(xì)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(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,就是多了幾種類型的孔。目前國內(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型的過孔信息,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,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)分開來,單獨(dú)進(jìn)行約束設(shè)置;結(jié)合單獨(dú)區(qū)分出來的同名網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)約束、盤中孔設(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)雜的多階過孔結(jié)構(gòu)管理。
無盤設(shè)計(jì)功能可以自動(dòng)根據(jù)走線層來實(shí)現(xiàn)通孔焊盤的存在與去除,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)之初就因?yàn)槿コ副P來實(shí)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(qiáng)大的Fan out功能和BGA出線功能等
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(fèi)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(jì)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(gè)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(diǎn)
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(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)。一般國內(nèi)廠商做到最復(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,所以孔盤的要求比激光孔大很多,而機(jī)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(shí),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(jì)挑戰(zhàn)
任意層過孔技術(shù)完全顛覆了傳統(tǒng)過孔設(shè)計(jì)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(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(jìn)行環(huán)線的層,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。
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(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,埋入無源甚至于有源的零件進(jìn)入PCB和基板中可滿足以上要求。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(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)提供對知識產(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(jì)。埋入器件的設(shè)計(jì)不僅可以簡化后面SMT的工藝,同時(shí)對產(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(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(jī)械孔不會6層都連接地平面,計(jì)算會遠(yuǎn)遠(yuǎn)比公式來得復(fù)雜;現(xiàn)在的過孔生產(chǎn)的時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通機(jī)械孔,并且沒有Stub的問題,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)心微孔的過電流能力,需要的時(shí)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(jì)能力,在HDI多階過孔設(shè)計(jì),任意階過孔設(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,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(jì)、仿真、生產(chǎn)、貼片、組裝等一站式服務(wù),全面實(shí)現(xiàn)客戶在小型化領(lǐng)域的各類需求。
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