高密度PCB板(PCB high density board)

高密度PCB板 图


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高密度PCB板是以绝缘材料辅以导体配线所形成的结构性元件。在制成最终产品时,其上会安装集成电路、电晶体、二极管、被动元件(如:电阻、电容、连接器等)及其他各种各样的电子零件。藉著导线连通,可以形成电子讯号连结及应有机能。因此,高密度PCB板是一种提供元件连结的平台,用以承接联系零件的基础。


 目录 

  1. 高密度PCB板发展过程

  2. 高密度PCB板优势

  3. 高密度PCB板名称由来

  4. 高密度PCB板的设计挑战



 1  高密度PCB板发展过程


由于印刷电路板并非一般终端产品,因此在名称的定义上略为混乱,例如:个人电脑用的母板,称为主机板而不能直接称为电路板,虽然主机板中有电路板的存在但是并不相同,因此评估产业时两者有关却不能说相同。再譬如:因为有集成电路零件装载在电路板上,因而新闻媒体称他为IC板,但实质上他也不等同于印刷电路板。


在电子产品趋于多功能复杂化的前题下,集成电路元件的接点距离随之缩小,信号传送的速度则相对提高,随之而来的是接线数量的提高、点间配线的长度局部性缩短,这些就需要应用高密度线路配置及微孔技术来达成目标。配线与跨接基本上对单双面板而言有其达成的困难,因而电路板会走向多层化,又由于讯号线不断的增加,更多的电源层与接地层就为设计的必须手段,这些都促使从层印刷电路板(Multilayer Printed Circuit Board)更加普遍。



 2  高密度PCB板优势


对于高速化讯号的电性要求,电路板必须提供具有交流电特性的阻抗控制、高频传输能力、降低不必要的辐射(EMI)等。采用Stripline、Microstrip的结构,多层化就成为必要的设计。为减低讯号传送的品质问题,会采用低介电质系数、低衰减率的绝缘材料,为配合电子元件构装的小型化及阵列化,电路板也不断的提高密度以因应需求。BGA (Ball Grid Array)、CSP (Chip Scale Package)、DCA (Direct Chip Attachment)等组零件组装方式的出现,更促印刷电路板推向前所未有的高密度境界。


凡直径小于150um以下的孔在业界被称为微孔(Microvia),利用这种微孔的几何结构技术所作出的电路可以提高组装、空间利用等等的效益,同时对于电子产品的小型化也有其必要性。


对于这类结构的电路板产品,业界曾经有过多个不同的名称来称呼这样的电路板。例如:欧美业者曾经因为制作的程序是采用序列式的建构方式,因此将这类的产品称为SBU (Sequence Build Up Process),一般翻译为“序列式增层法”。至于日本业者,则因为这类的产品所制作出来的孔结构比以往的孔都要小很多,因此称这类产品的制作技术为MVP (Micro Via Process),一般翻译为“微孔制程”。也有人因为传统的多层板被称为MLB (Multilayer Board),因此称呼这类的电路板为BUM (Build Up Multilayer Board),一般翻译为“增层式多层板”。



 3  高密度PCB板名称由来


美国的IPC电路板协会其于避免混淆的考虑,而提出将这类的产品称为HDI (High Density Intrerconnection Technology)的通用名称,如果直接翻译就变成了高密度连结技术。但是这又无法反应出电路板特征,因此多数的电路板业者就将这类的产品称为HDI板或是全中文名称“高密度互连技术”。但是因为口语顺畅性的问题,也有人直接称这类的产品为“高密度电路板”或是HDI板。



 4  高密度PCB板的设计挑战


随著信息产品对于体积的要求越来越高,尤其是行动装置产品的尺寸朝持续微缩方向开发,如目前热门的Ultra Book产品,甚至是新颖的穿戴式智能装置,都必须运用HDI高密度互连技术制作之载板,将终端设计进一步压低产品尺寸。


HDI(High Density Interconnect)即为高密度互连技术,这是印刷电路板(Printed circuit board)所使用的技术之一。HDI主要是应用微盲埋孔的技术进行制作,特性是可让印刷电路板里的电子电路分布线路密度更高,而由于线路密度大增,也让HDI制成之印刷电路板无法使用一般钻孔方式成孔,HDI必须采行非机械的钻孔制程,非机械钻孔的方法相当多,其中「雷射成孔」为HDI高密度互连技术的搭配成孔方案为主。


HDI印刷电路板的应用领域相当宽广,举凡手机、超薄型笔记本电脑、平板计算机、数码相机、车用电子、数码摄影机...等电子产品,都已使用HDI技术来缩小主板设计,缩小后的效益相当大,不只终端产品设计可以把更多机构内空间留给电池、或更多附加功能零组件,产品的成本也可因为导入HDI而相对降低。


HDI早期用于中高价手机 现在几乎普及于各行动装置


早期使用HDI技术最多的产品,以功能性手机、智能型手机为主,此类产品占了HDI高密度电路板快一半以上用量,而Any-layer HDI(任意层高密度连接板)则为高阶HDI制作制程,与一般HDI电路板最大差别在于,多数HDI为由钻孔制程进行的机钻进行PCB贯穿处理,至于层与层之间的板材,Any-layer HDI运用「雷射」钻孔打通每一层的彼此连通设计。


例如,采行Any-layer HDI的制作方法,一般可以减省约四成的PCB体积,目前Any-layer HDI已被用于Apple iPhone 4、或较新颖的智能型手机,藉由更高密度集成主板降低产品设计厚度,使产品设计得以用更轻薄的设计型态问市。但Any-layer HDI为采用雷射盲孔制造,在线路加工制作难度相对较高、成本也较一般电路板为高,目前仅高单价的行动装置使用较多。


HDI印刷电路板为采行增层法(Build Up)进行制造,HDI的技术差距即在增层的数量,电路层数越多、技术难度越高!而一般用途的HDI板,基本上可使用一次增层,至于高阶用途的HDI板,则为分二次、或多次以上的Build Up增层技术制造,为避免机械穿孔造成HDI板高密度布线因钻孔不当受损,成孔制程可同时使用雷射穿孔、电镀填孔、叠孔等先进的印刷电路板制作技术。


HDI对于线路要求密度高 需使用雷射进行开孔


其实HDI高密度制法,并没有明确的定义,但一般对于HDI或非HDI差别其实相当大,首先,HDI制成的电路载板所使用的孔径需小于或等于6mil(1/1,000寸),至于孔环的环径需要≦10mil,而线路接点的布设密度需在每平方英寸大于130点,信号线的线间距需3mil以下。


HDI印刷电路板的优点相当多,HDI由于线路高度集积化,因此使用板材面积可以大幅缩小,而层数越高、可缩小的板面也能对应增加,由于基材尺寸更小,HDI应用电路板面面积可以较非HDI设计少2~3倍占位、却能维持相同复杂的线路,自然板材的材料重量可藉此缩减。至于针对射频、高频等特定区块电路设计,可善用多层结构,在主电路的上/下层电路设置大面积的金属接地层,将可能自PCB引发的高频线路EMI问题,限制在HDI的板材内部,避免影响外部其它电子设备运行。


而HDI板材重量更轻、线路密度更高,对机箱内的空间使用率相对较非HDI设计更高,而原有高频运行的器件会因为采行HDI后,让讯号线的传输距离缩短,自然有利于新款SoC或高频运行器件的信号传输质量因电气特性较佳、进而获得传输效能改善,加上HDI若使用超过8层,基本上就可以获得较非HDI电路板更好的性价比,这对终端产品设计而言也可运用HDI主板设计方案,提升产品的产品性能与规格数据表现,让产品更具市场竞争力。


高引脚数的关键元件 需使用HDI进行产品设计


尤其是引脚数超多的FPGA元件,对于PCB布线来说是极大的困扰,又例如目前最常见的GPU元件,引脚数也是朝向越来越多发展,大多已经改用HDI印刷电路板来进行产品设计,HDI尤其适合需要高复杂连接的设计方案使用。


尤其针对新一代的SoC或集成芯片,其高度集成功能下导致IC引脚越来越多,这对于PCB设计连接线路的难度大幅提升,而HDI高密度电路板设计方案,可利用板材内部多层互连、集成的优势,将复杂的芯片引脚一一完成连接,而雷射盲孔制作可以在板材内制作微盲孔,可以是穿孔式、错置式、堆叠式,亦可在任意层进行互连,线路的布设弹性相对较传统PCB高更多,也为高引脚数的集成芯片应用方案提供更轻松的板材设计方案。


而HDI电路板设计也较以往PCB更为复杂,不只是线路变得更紧密,在使用不同层电路互连的设计复杂度也大幅提高,线路变得更细、更紧密的同时,也代表著线路的导体截面积变更小,这会导致传递信号完整性问题会更加凸显,对工程师来说要花更多心思进行板材功能验证与查错。


尤其在面对高度复杂的设计案件,例如在开发过程中板材的电子电路遭遇设计变更的可能性相当高,而若主板的核心元件有FPGA或其它具大量引脚的元件,稍微有点设计变更就会造成设计改善时程的延宕,而如何在改变频繁的设计过程中,尽可能减少线路部署错误发生,必须搭配可支持HDI高复杂度线路设计的设计辅助工具,尤其是必须搭配可在FPGA逻辑设计、硬件设计、PCB逻辑与相关设计数据可彼此互通的设计架构下,让任何专案的设计规格变动,均可实时反应于开发系统,避免设计板材与目标芯片无法匹配的设计问题发生。


HDI设计需更谨慎进行产品验证


也是因为HDI印刷电路板已将线路复杂度大幅提升,这对于原有的PCB布线设计工作将会带来更多的设计负荷,在实际的开发专案中,虽可利用辅助开发软件进行走线快速部署、摆位,但实际上仍须搭配开发者的设计经验,进行元件配置、线路布设的最佳化调校,搭配开发软件自动化将引脚与线路连接关系对应、相对位置自动更换线路引脚等自动化设计方案,来进一步简化HDI印刷电路板的设计程序、减少冗长的开发时程。


另HDI往往也会用于高速元件的设计应用方案中,尤其是现在3C或行动装置,动辄都具备GHz等级的运行时脉时,主板线路的走向,也会影响设备在高频运行下的EMI/EMC问题影响。一般来说可先利用开发软件先进行时序规则、走线拓璞结构的设计参数设置,先提供给开发软件一个可参考的约束范围后,再利用开发软件自带的软件验证功能进行初步设计的本机验证,当然,开发软件的本机线路验证毕竟不是真实线路除错,顶多仅能作为开发参考,实际设计方案仍须先做过多次软件验证后再制作参考设计进行HDI板材功能验证。


使用软件的模拟验证有相当多好处,基本上可以透过软件模拟验证快速找出可能出错的逻辑线路,透过设计软件进行查点、查线,检查可能出现错误设计的区块,而软件模拟的速度相当快,可在还未投入进行板材小批量制作前的验证基础,等到软件验证搭配模拟环境测试没有出现问题,再进行试做品进行实体验证,可大幅减省HDI开发成本。


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