原创小型化设计的实现与应用（上篇）

 2012-11-28 18:32  3063 16 17 分类: 消费电子

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，小型化设计成为很多电子设计公司的研究课题。本文以小型化设计的方法、挑战和趋势为主线，结合Cadence SPB16.5在小型化设计方面的强大功能，全面剖析小型化设计的工程实现。主要包括以下内容：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。

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

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。
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
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小型化设计技术的工具。Cadence SPB16.5全面加强了对小型化设计的支持，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，如图一所示。

图一HDI的分类

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

一博科技采用Cadence强大的小型化设计工具，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。

图二是一个3阶HDI的案例，一博科技借助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。一博科技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。

通过via label来检查控制HDI打孔的结构

通过3D view来查看HDI过孔的结构

1.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。如图三所示，是一个ALIVH的示意图。