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高速HDI電路板的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

發(fā)布時(shí)間 :2018-05-23 09:28 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
使用HDI布線輔助設(shè)計(jì)工具,可加速設(shè)計(jì)方案線路布設(shè),同時(shí)可在生產(chǎn)前先利用軟件模擬找出設(shè)計(jì)問題。
使用HDI布線輔助設(shè)計(jì)工具,可加速設(shè)計(jì)方案線路布設(shè),同時(shí)可在生產(chǎn)前先利用軟件模擬找出電路板設(shè)計(jì)問題。
 
隨著資訊產(chǎn)品對(duì)于體積的要求越來越高,尤其是移動(dòng)裝置產(chǎn)品的尺寸朝持續(xù)微縮方向開發(fā),如目前熱門的Ultra Book產(chǎn)品,甚至是新穎的穿戴式智能裝置,都必須運(yùn)用HDI高密度互連技術(shù)制作的載板,將終端設(shè)計(jì)進(jìn)一步壓低產(chǎn)品尺寸。
 
HDI(High Density Interconnect)即為高密度互連技術(shù),這是印刷電路板(Printed circuit board)所使用的技術(shù)的一。HDI主要是應(yīng)用微盲埋孔的技術(shù)進(jìn)行制作,特性是可讓印刷電路板里的電子電路分布線路密度更高,而由于線路密度大增,也讓HDI制成的印刷電路板無法使用一般鉆孔方式成孔,HDI必須采用非機(jī)械的鉆孔制程,非機(jī)械鉆孔的方法相當(dāng)多,其中「雷射成孔」為HDI高密度互連技術(shù)的搭配成孔方案為主。
 
FPGA、GPU等高復(fù)雜度整合晶片,因?yàn)橐_過多,必須搭配HDI板進(jìn)行功能整合。
FPGA、GPU等高復(fù)雜度整合晶片,因?yàn)橐_過多,必須搭配HDI板進(jìn)行功能整合。
 
在產(chǎn)品極度要求小型化設(shè)計(jì)時(shí),可利用HDI板材壓縮主板面積,同時(shí)具減輕重量?jī)?yōu)點(diǎn)。
在產(chǎn)品極度要求小型化設(shè)計(jì)時(shí),可利用HDI板材壓縮主板面積,同時(shí)具減輕重量?jī)?yōu)點(diǎn)。
 
HDI電路板設(shè)計(jì)復(fù)雜度高,必須花更多心力驗(yàn)證設(shè)計(jì)。
HDI電路板設(shè)計(jì)復(fù)雜度高,必須花更多心力驗(yàn)證設(shè)計(jì)。
 
目前HDI在性價(jià)比較高的層數(shù)大多在6層上下。
目前HDI在性價(jià)比較高的層數(shù)大多在6層上下。
 
HDI印刷電路板的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)寬廣,舉凡手機(jī)、超薄型筆記本電腦、平板電腦、數(shù)位相機(jī)、車用電子、數(shù)位攝影機(jī)...等電子產(chǎn)品,都已使用HDI技術(shù)來縮小主板設(shè)計(jì),縮小后的效益相當(dāng)大,不只終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以把更多機(jī)構(gòu)內(nèi)空間留給電池、或更多附加功能零組件,產(chǎn)品的成本也可因?yàn)閷?dǎo)入HDI而相對(duì)降低。
 
HDI早期用于中高價(jià)手機(jī) 現(xiàn)在幾乎普及于各移動(dòng)裝置
早期使用HDI技術(shù)最多的產(chǎn)品,以功能性手機(jī)、智能型手機(jī)為主,此類產(chǎn)品占了HDI高密度電路板快一半以上用量,而Any-layer HDI(任意層高密度連接板)則為高階HDI制作制程,與一般HDI電路板最大差別在于,多數(shù)HDI為由鉆孔制程進(jìn)行的機(jī)鉆進(jìn)行PCB貫穿處理,至于層與層的間的板材,Any-layer HDI運(yùn)用「雷射」鉆孔打通每一層的彼此連通設(shè)計(jì)。
 
例如,采用Any-layer HDI的制作方法,一般可以減省約四成的PCB體積,目前Any-layer HDI已被用于Apple iPhone 4、或較新穎的智能型手機(jī),藉由更高密度整合主板降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)厚度,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)得以用更輕薄的設(shè)計(jì)型態(tài)問市。但Any-layer HDI為采用雷射盲孔制造,在線路加工制作難度相對(duì)較高、成本也較一般電路板為高,目前僅高單價(jià)的移動(dòng)裝置使用較多。
 
HDI印刷電路板為采用增層法(Build Up)進(jìn)行制造,HDI的技術(shù)差距即在增層的數(shù)量,電路層數(shù)越多、技術(shù)難度越高!而一般用途的HDI板,基本上可使用一次增層,至于高階用途的HDI板,則為分二次、或多次以上的Build Up增層技術(shù)制造,為避免機(jī)械穿孔造成HDI板高密度布線因鉆孔不當(dāng)受損,成孔制程可同時(shí)使用雷射穿孔、電鍍填孔、迭孔等先進(jìn)的印刷電路板制作技術(shù)。
 
HDI對(duì)于線路要求密度高 需使用雷射進(jìn)行開孔
其實(shí)HDI高密度制法,并沒有明確的定義,但一般對(duì)于HDI或非HDI差別其實(shí)相當(dāng)大,首先,HDI制成的電路載板所使用的孔徑需小于或等于6mil(1/1,000吋),至于孔環(huán)的環(huán)徑需要≦10mil,而線路接點(diǎn)的布設(shè)密度需在每平方英吋大于130點(diǎn),信號(hào)線的線間距需3mil以下。
 
HDI印刷電路板的優(yōu)點(diǎn)相當(dāng)多,HDI由于線路高度集積化,因此使用板材面積可以大幅縮小,而層數(shù)越高、可縮小的板面也能對(duì)應(yīng)增加,由于基材尺寸更小,HDI應(yīng)用電路板面面積可以較非HDI電路板設(shè)計(jì)少2~3倍占位、卻能維持相同復(fù)雜的線路,自然板材的材料重量可藉此縮減。至于針對(duì)射頻、高頻等特定區(qū)塊電路設(shè)計(jì),可善用多層結(jié)構(gòu),在主電路的上/下層電路設(shè)置大面積的金屬接地層,將可能自PCB引發(fā)的高頻線路EMI問題,限制在HDI的板材內(nèi)部,避免影響外部其他電子設(shè)備運(yùn)行。
 
而HDI板材重量更輕、線路密度更高,對(duì)機(jī)殼內(nèi)的空間使用率相對(duì)較非HDI電路板設(shè)計(jì)更高,而原有高頻運(yùn)行的器件會(huì)因?yàn)椴捎肏DI后,讓訊號(hào)線的傳輸距離縮短,自然有利于新款SoC或高頻運(yùn)行器件的信號(hào)傳輸品質(zhì)因電氣特性較佳、進(jìn)而獲得傳輸效能改善,加上HDI若使用超過8層,基本上就可以獲得較非HDI電路板更好的性價(jià)比,這對(duì)終端產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言也可運(yùn)用HDI主板設(shè)計(jì)方案,提升產(chǎn)品的產(chǎn)品性能與規(guī)格數(shù)據(jù)表現(xiàn),讓產(chǎn)品更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
 
高引腳數(shù)的關(guān)鍵元件 需使用HDI進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)
尤其是引腳數(shù)超多的FPGA元件,對(duì)于PCB布線來說是極大的困擾,又例如目前最常見的GPU元件,引腳數(shù)也是朝向越來越多發(fā)展,大多已經(jīng)改用HDI印刷電路板來進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),HDI尤其適合需要高復(fù)雜連接的設(shè)計(jì)方案使用。
 
尤其針對(duì)新一代的SoC或整合晶片,其高度整合功能下導(dǎo)致IC引腳越來越多,這對(duì)于PCB設(shè)計(jì)連接線路的難度大幅提升,而HDI高密度電路板設(shè)計(jì)方案,可利用板材內(nèi)部多層互連、整合的優(yōu)勢(shì),將復(fù)雜的晶片引腳一一完成連接,而雷射盲孔制作可以在板材內(nèi)制作微盲孔,可以是穿孔式、錯(cuò)置式、堆迭式,亦可在任意層進(jìn)行互連,線路的布設(shè)彈性相對(duì)較傳統(tǒng)PCB高更多,也為高引腳數(shù)的整合晶片應(yīng)用方案提供更輕松的板材設(shè)計(jì)方案。
 
而HDI電路板設(shè)計(jì)也較以往PCB更為復(fù)雜,不只是線路變得更緊密,在使用不同層電路互連的設(shè)計(jì)復(fù)雜度也大幅提高,線路變得更細(xì)、更緊密的同時(shí),也代表著線路的導(dǎo)體截面積變更小,這會(huì)導(dǎo)致傳遞信號(hào)完整性問題會(huì)更加凸顯,對(duì)PCB設(shè)計(jì)工程師來說要花更多心思進(jìn)行板材功能驗(yàn)證與查錯(cuò)。
 
尤其在面對(duì)高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)案件,例如在開發(fā)過程中板材的電子電路遭遇設(shè)計(jì)變更的可能性相當(dāng)高,而若主板的核心元件有FPGA或其他具大量引腳的元件,稍微有點(diǎn)設(shè)計(jì)變更就會(huì)造成設(shè)計(jì)改善時(shí)程的延宕,而如何在改變頻繁的設(shè)計(jì)過程中,盡可能減少線路部署錯(cuò)誤發(fā)生,必須搭配可支援HDI高復(fù)雜度線路設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)輔助工具,尤其是必須搭配可在FPGA邏輯設(shè)計(jì)、硬體設(shè)計(jì)、PCB邏輯與相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可彼此互通的設(shè)計(jì)架構(gòu)下,讓任何專案的設(shè)計(jì)規(guī)格變動(dòng),均可即時(shí)反應(yīng)于開發(fā)系統(tǒng),避免設(shè)計(jì)板材與目標(biāo)晶片無法匹配的設(shè)計(jì)問題發(fā)生。
 
HDI電路板設(shè)計(jì)需更謹(jǐn)慎進(jìn)行產(chǎn)品驗(yàn)證
也是因?yàn)镠DI印刷電路板已將線路復(fù)雜度大幅提升,這對(duì)于原有的PCB布線設(shè)計(jì)工作將會(huì)帶來更多的設(shè)計(jì)負(fù)荷,在實(shí)際的開發(fā)專案中,雖可利用輔助開發(fā)軟件進(jìn)行走線快速部署、擺位,但實(shí)際上仍須搭配開發(fā)者的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行元件配置、線路布設(shè)的最佳化調(diào)校,搭配開發(fā)軟件自動(dòng)化將引腳與線路連接關(guān)系對(duì)應(yīng)、相對(duì)位置自動(dòng)更換線路引腳等自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案,來進(jìn)一步簡(jiǎn)化HDI印刷電路板的設(shè)計(jì)程序、減少冗長(zhǎng)的開發(fā)時(shí)程。
 
另HDI往往也會(huì)用于高速元件的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案中,尤其是現(xiàn)在3C或移動(dòng)裝置,動(dòng)輒都具備GHz等級(jí)的運(yùn)作時(shí)脈時(shí),主機(jī)板線路的走向,也會(huì)影響設(shè)備在高頻運(yùn)行下的EMI/EMC問題影響。一般來說可先利用開發(fā)軟件先進(jìn)行時(shí)序規(guī)則、走線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)置,先提供給開發(fā)軟件一個(gè)可參考的約束范圍后,再利用開發(fā)軟件自帶的軟件驗(yàn)證功能進(jìn)行初步設(shè)計(jì)的本機(jī)驗(yàn)證,當(dāng)然,開發(fā)軟件的本機(jī)線路驗(yàn)證畢竟不是真實(shí)線路除錯(cuò),頂多僅能作為開發(fā)參考,實(shí)際設(shè)計(jì)方案仍須先做過多次軟件驗(yàn)證后再制作參考設(shè)計(jì)進(jìn)行HDI板材功能驗(yàn)證。
 
使用軟件的模擬驗(yàn)證有相當(dāng)多好處,基本上可以透過軟件模擬驗(yàn)證快速找出可能出錯(cuò)的邏輯線路,透過設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行查點(diǎn)、查線,檢查可能出現(xiàn)錯(cuò)誤設(shè)計(jì)的區(qū)塊,而軟件模擬的速度相當(dāng)快,可在還未投入進(jìn)行板材小批量制作前的驗(yàn)證基礎(chǔ),等到軟件驗(yàn)證搭配模擬環(huán)境測(cè)試沒有出現(xiàn)問題,再進(jìn)行試做品進(jìn)行實(shí)體驗(yàn)證,可大幅減省HDI開發(fā)成本。


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