电路板小型化设计如何实现？

    摘要：电子产品功能越来越强大的同时，对便携的要求也越来越高，电路板小型化设计成为很多电子设计公司的研究课题。本文以电路板小型化设计的方法、挑战和趋势为主线，结合Cadence SPB16.5在电路板小型化设计方面的强大功能，全面剖析电路板小型化设计的工程实现。主要包括以下内容：电路板小型化设计的现状和趋势，以及现在主流的HDI加工工艺，介绍最新的ANYLAYER（任意阶）技术的设计方法以及工艺实现，介绍埋阻、埋容的应用，埋入式元器件的设计方法以及工艺实现。同时介绍Cadence SPB16.5软件对电路板小型化设计的支持。最后介绍HDI设计在高速中的应用以及仿真方法，HDI在通信系统类产品中的应用，HDI和背钻的比较等。

    关键词：电路板小型化设计，HDI，ANYLAYER（任意阶）技术，埋入式器件，信号完整性

    1.引 言

    产品小型化的好处是显而易见的，从而带动了电路板小型化设计技术的发展。这些技术主要有：

    1、传统意义上的HDI技术，经过多年的发展，现在国内厂家可以做到3+n+3，也就是3阶盲埋孔设计已经开始逐步成熟了。

    2、ANYLAYER（任意阶）技术，又叫任意过孔技术(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)，随着苹果的iPhone 4及iPad采用了ANYLAYER HDI，任意阶技术也因此越来越被广大智能手机等厂家所关注

    3、埋阻、埋容和埋入式元器件，不少厂家研究埋阻、埋容技术多年，埋容也已经能实现量产，埋入式元器件早些年大量用于航空航天和军事领域，这些年因为SiP的普及，在普通电子产品领域也开始火起来，算是比较新的技术，多用于封装载板。

    小型化技术的推广，除了对电路板生产工艺带来巨大的挑战之外，还对设计方法、观念、工具等都带来深远的影响。传统的设计工具效率低下，并且因为不具备相应的约束规则而需要大量人工干预检查，比较容易出错，设计工程师需要全新的支持电路板小型化设计技术的工具。Cadence SPB16.5全面加强了对电路板小型化设计的支持，增加了埋入式元器件的设计方法，同时进一步优化增强了对HDI以及ANYLAYER技术的支持。

    2.HDI技术以及工艺实现

    HDI：High Density Interconnect，高密度互连。传统的PCB板的钻孔由于受到钻刀影响，当钻孔孔径达到0.15mm时，成本已经非常高，且很难再次改进。而HDI板的钻孔不再依赖于传统的机械钻孔，而是利用激光钻孔和机械钻孔的结合应用。HDI也就是通常我们所说的盲埋孔技术。HDI技术的出现，适应并推进了PCB行业的发展。使得在PCB板内可以排列上更加密集的BGA、QFP等。

    2.1 HDI的分类 

    IPC-2315上对HDI的分类有详细说明，这里我们按照激光孔深度的不同分为以下几种：一阶HDI， 二阶HDI 三阶HDI。

    一阶的HDI技术是指盲孔仅仅连通表层及与其相邻的次外层的成孔技术。通常激光孔和盘采用4/12mil（5/12mil），当然，现在也可以采用更小盘如4/10mil了应对密度较高的布线.内层的盲孔我们一般采用普通孔。而二阶的HDI技术是在1阶的HDI技术上的改进和提高，它包含激光盲孔直接由表层钻到第三层（2+N+2），和表层钻到第二层再由第二层钻到第三层两种形式（1+1+N+1+1），其加工难度远远大于1阶的HDI技术。三阶HDI板的加工制作工艺与二阶基本相似，就是多了几种类型的孔。目前国内的二阶HDI设计和加工已经非常成熟了。

    2.2 HDI板设计上的挑战

    多阶HDI的设计，需要一个灵活强大的约束管理器，能识别微孔和普通机械孔，能设置微孔与其他元素的间距约束。同名网络的约束关系变得复杂，需要支持各种情况下的同名网络间距约束检查。需要能清晰的显示不同类型的过孔信息，方便设计工程师进行管理。Allegro的3D结构视图可以帮助我们更加了解不同孔的结构。

    Cadence的 SPB16.X平台，具有强大的HDI设计功能。

    首先是Micro Via属性，使得HDI工艺实现的微孔彻底和传统机械实现的盲埋孔区分开来，单独进行约束设置；结合单独区分出来的同名网络设计约束、盘中孔设计约束等，实现了灵活强大的约束驱动的HDI设计。

    Via Labels功能，可以让设计者更加方便的查看了解微孔所连接的层，进行设计规划；同时结合基于OpenGL的3D过孔结构现实功能，从平面到立体，帮助工程师实现复杂的多阶过孔结构管理。

    无盘设计功能可以自动根据走线层来实现通孔焊盘的存在与去除，实现了设计之初就因为去除焊盘来实现更加优化的布线空间利用率；与之相匹配的功能是增加了Hole和其他元素的间距约束设置。

    其他功能包括：DRC Modes里面的Via in Pad约束设置，过孔类型的结构示例图形，强大的Fan out功能和BGA出线功能等

    宏力捷采用Cadence强大的电路板小型化设计工具，结合自身HDI的设计和加工能力，完美完成了多个密度极高的小型化产品设计任务。

    一个3阶HDI的案例，宏力捷借助Cadence的设计平台以及在HDI设计领域多年的经验，完美的完成了设计。同时由于密度原因，设计的最小线宽和间距达到了2.4mil ，挑战了业内的极限。宏力捷借助自有板厂和合作厂家在HDI生产加工上的领先工艺能力，帮助客户完成了制板和贴片。

    3.ANYLAYER（任意阶）技术

    近些年来，为了满足一些高端消费类电子产品小型化的需要，芯片的集成度越来越高，BGA管脚间距越来越近（小于等于0.4pitch），PCB的布局也越来紧凑，走线密度也越来越大，为了提高设计的布通率且不影响信号完整性等性能，ANYLAYER（任意阶）技术应用而生，这个就是任意过孔技术(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)。

    3.1任意层过孔技术特点

    任意层过孔技术与HDI技术的特征比较，ALIVH的最大优势就是设计自由度大大增加，可以在层间随意打孔，而ＨＤＩ工艺不能做到这点。一般国内厂商做到最复杂的结构也就是HDI的设计极限为三阶ＨＤＩ板，由于HDI不是完全采用激光钻孔，在内层的埋孔采用的是机械孔，所以孔盘的要求比激光孔大很多，而机械孔要占用所经过的层面上空间。所以一般来说HDI这种结构比起ALIVH技术的任意打孔，内层核板的孔径也可用0.2mm的微孔还是有很大差距的。所以ALIVH板的走线空间比HDI大概有很大的提高。同时，ALIVH的成本和加工难度也比HDI工艺要高。

    3.2任意层过孔的设计挑战

    任意层过孔技术完全颠覆了传统过孔设计方法。如果还是需要设置不同层的过孔，会增加管理难度。需要设计工具具备智能化打孔的能力，同时能随意的进行组合和拆分。

    Cadence在传统的基于换线层的布线方式上，增加了基于Working Layer的换线方式，可以在Working Layer面板中勾选可以进行环线的层，然后在双击打孔的时候，就可以选择任意层之间进行换线。

    4.埋阻、埋容和埋入式元器件

    对高速访问互联网和社交网络要求手持设备高集成和小型化。目前靠最先进的4-N-4的HDI技术。但为了下一代新技术,实现更高的互连密度，在这个领域，埋入无源甚至于有源的零件进入PCB和基板中可满足以上要求。当你设计手机，数码相机等消费类电子产品，考虑如何将无源和有源的零件埋入PCB和基板是当前设计的最好选择。这种方法可能因为你采用不同的供应商略有不同。埋入零件的另外一个好处，该技术提供对知识产权保护,防止所谓的逆向设计。Allegro PCB Editor可以提供最好的工业级解决方案。Allegro PCB Editor还可以同HDI板，柔板和埋入式零件更加紧密的合作。你可以得到正确的参数和约束对完成埋入式零件的设计。埋入器件的设计不仅可以简化后面SMT的工艺，同时对产品表明的整洁度都有很大的提高。

    5.HDI设计在高速中的应用以及仿真方法

    高速串行总线技术的发展，信号传输速率继续提升，过孔寄生参数带来的影响也越来越被重视。高速仿真工程师关注过孔优化，通过各种手段来减小过孔寄生参数带来的影响。HDI由于采用盘中孔的设计要求，可以减少表层器件的寄生参数。同时，微孔的电感和电容大约只是一个标准过孔的十分之一左右。

    还是存在很多问题，寄生电容是对地的电容，机械孔不会6层都连接地平面，计算会远远比公式来得复杂；现在的过孔生产的时候，基本都采用无盘工艺，即去除非连接层的过孔焊盘，这可以有效减小过孔的寄生电容。这种情况下，只简单考虑过孔特征阻抗的影响是远远不够的。

    微孔的阻抗可以比较容易优化到差分线的100欧姆阻抗值，这样就减少了过孔引起的阻抗不连续带来的高速问题。

    从以上分析可以看出，微孔的高速性能远远优于普通机械孔，并且没有Stub的问题，机械孔就算是采用背钻工艺，也不可避免的要出现一定长度的Stub。而这个Stub，往往是影响高速电路性能的致命杀手。

    有如果关心微孔的过电流能力，需要的时候可采用微孔填铜来提高载流能力。

    6.结 论

    Cadence的SPB16.X平台提供了出色的电路板小型化设计能力，在HDI多阶过孔设计，任意阶过孔设计，埋入式器件设计以及基于PDN的埋容仿真分析等领域都提供了出色的支持。全面基于HDI进行优化更新的约束管理器，帮助工程师实现在电路板小型化设计领域的约束驱动布局布线，提升设计效率和保证设计成功率。

    基于Cadence强大的平台和自身HDI设计上丰富的经验，同时结合自有板厂以及合作伙伴在国内领先的HDI加工能力，宏力捷可以提供全方位的电路板小型化设计、仿真、生产、贴片、组装等一站式服务，全面实现客户在小型化领域的各类需求。