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高密度PCB板(PCB high density board)

2020-05-22 10:06:03 點(diǎn)擊量: 2951

1  高密度PCB板發(fā)展過(guò)程
由于印刷電路板并非一般終端產(chǎn)品,因此在名稱(chēng)的定義上略為混亂,例如:個(gè)人電腦用的母板,稱(chēng)為主機板而不能直接稱(chēng)為電路板,雖然主機板中有電路板的存在但是并不相同,因此評估產(chǎn)業(yè)時(shí)兩者有關(guān)卻不能說(shuō)相同。再譬如:因為有集成電路零件裝載在電路板上,因而新聞媒體稱(chēng)他為IC板,但實(shí)質(zhì)上他也不等同于印刷電路板。

在電子產(chǎn)品趨于多功能復雜化的前題下,集成電路元件的接點(diǎn)距離隨之縮小,信號傳送的速度則相對提高,隨之而來(lái)的是接線(xiàn)數量的提高、點(diǎn)間配線(xiàn)的長(cháng)度局部性縮短,這些就需要應用高密度線(xiàn)路配置及微孔技術(shù)來(lái)達成目標。配線(xiàn)與跨接基本上對單雙面板而言有其達成的困難,因而電路板會(huì )走向多層化,又由于訊號線(xiàn)不斷的增加,更多的電源層與接地層就為設計的必須手段,這些都促使從層印刷電路板(Multilayer Printed Circuit Board)更加普遍。


2  高密度PCB板優(yōu)勢
對于高速化訊號的電性要求,電路板必須提供具有交流電特性的阻抗控制、高頻傳輸能力、降低不必要的輻射(EMI)等。采用Stripline、Microstrip的結構,多層化就成為必要的設計。為減低訊號傳送的品質(zhì)問(wèn)題,會(huì )采用低介電質(zhì)系數、低衰減率的絕緣材料,為配合電子元件構裝的小型化及陣列化,電路板也不斷的提高密度以因應需求。BGA (Ball Grid Array)、CSP (Chip Scale Package)、DCA (Direct Chip Attachment)等組零件組裝方式的出現,更促印刷電路板推向前所未有的高密度境界。

凡直徑小于150um以下的孔在業(yè)界被稱(chēng)為微孔(Microvia),利用這種微孔的幾何結構技術(shù)所作出的電路可以提高組裝、空間利用等等的效益,同時(shí)對于電子產(chǎn)品的小型化也有其必要性。

對于這類(lèi)結構的電路板產(chǎn)品,業(yè)界曾經(jīng)有過(guò)多個(gè)不同的名稱(chēng)來(lái)稱(chēng)呼這樣的電路板。例如:歐美業(yè)者曾經(jīng)因為制作的程序是采用序列式的建構方式,因此將這類(lèi)的產(chǎn)品稱(chēng)為SBU (Sequence Build Up Process),一般翻譯為“序列式增層法”。至于日本業(yè)者,則因為這類(lèi)的產(chǎn)品所制作出來(lái)的孔結構比以往的孔都要小很多,因此稱(chēng)這類(lèi)產(chǎn)品的制作技術(shù)為MVP (Micro Via Process),一般翻譯為“微孔制程”。也有人因為傳統的多層板被稱(chēng)為MLB (Multilayer Board),因此稱(chēng)呼這類(lèi)的電路板為BUM (Build Up Multilayer Board),一般翻譯為“增層式多層板”。


3  高密度PCB板名稱(chēng)由來(lái)
美國的IPC電路板協(xié)會(huì )其于避免混淆的考慮,而提出將這類(lèi)的產(chǎn)品稱(chēng)為HDI (High Density Intrerconnection Technology)的通用名稱(chēng),如果直接翻譯就變成了高密度連結技術(shù)。但是這又無(wú)法反應出電路板特征,因此多數的電路板業(yè)者就將這類(lèi)的產(chǎn)品稱(chēng)為HDI板或是全中文名稱(chēng)“高密度互連技術(shù)”。但是因為口語(yǔ)順暢性的問(wèn)題,也有人直接稱(chēng)這類(lèi)的產(chǎn)品為“高密度電路板”或是HDI板。


4  高密度PCB板的設計挑戰
隨著(zhù)信息產(chǎn)品對于體積的要求越來(lái)越高,尤其是行動(dòng)裝置產(chǎn)品的尺寸朝持續微縮方向開(kāi)發(fā),如目前熱門(mén)的Ultra Book產(chǎn)品,甚至是新穎的穿戴式智能裝置,都必須運用HDI高密度互連技術(shù)制作之載板,將終端設計進(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)之一。HDI主要是應用微盲埋孔的技術(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(xiàn)路密度更高,而由于線(xiàn)路密度大增,也讓HDI制成之印刷電路板無(wú)法使用一般鉆孔方式成孔,HDI必須采行非機械的鉆孔制程,非機械鉆孔的方法相當多,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。

HDI印刷電路板的應用領(lǐng)域相當寬廣,舉凡手機、超薄型筆記本電腦、平板計算機、數碼相機、車(chē)用電子、數碼攝影機...等電子產(chǎn)品,都已使用HDI技術(shù)來(lái)縮小主板設計,縮小后的效益相當大,不只終端產(chǎn)品設計可以把更多機構內空間留給電池、或更多附加功能零組件,產(chǎn)品的成本也可因為導入HDI而相對降低。

HDI早期用于中高價(jià)手機 現在幾乎普及于各行動(dòng)裝置

早期使用HDI技術(shù)最多的產(chǎn)品,以功能性手機、智能型手機為主,此類(lèi)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HDI為由鉆孔制程進(jìn)行的機鉆進(jìn)行PCB貫穿處理,至于層與層之間的板材,Any-layer HDI運用「雷射」鉆孔打通每一層的彼此連通設計。

例如,采行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A(yíng)pple iPhone 4、或較新穎的智能型手機,藉由更高密度集成主板降低產(chǎn)品設計厚度,使產(chǎn)品設計得以用更輕薄的設計型態(tài)問(wèn)市。但Any-layer HDI為采用雷射盲孔制造,在線(xiàn)路加工制作難度相對較高、成本也較一般電路板為高,目前僅高單價(jià)的行動(dòng)裝置使用較多。

HDI印刷電路板為采行增層法(Build Up)進(jìn)行制造,HDI的技術(shù)差距即在增層的數量,電路層數越多、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,為避免機械穿孔造成HDI板高密度布線(xiàn)因鉆孔不當受損,成孔制程可同時(shí)使用雷射穿孔、電鍍填孔、疊孔等先進(jìn)的印刷電路板制作技術(shù)。

HDI對于線(xiàn)路要求密度高 需使用雷射進(jìn)行開(kāi)孔

其實(shí)HDI高密度制法,并沒(méi)有明確的定義,但一般對于HDI或非HDI差別其實(shí)相當大,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寸),至于孔環(huán)的環(huán)徑需要≦10mil,而線(xiàn)路接點(diǎn)的布設密度需在每平方英寸大于130點(diǎn),信號線(xiàn)的線(xiàn)間距需3mil以下。

HDI印刷電路板的優(yōu)點(diǎn)相當多,HDI由于線(xiàn)路高度集積化,因此使用板材面積可以大幅縮小,而層數越高、可縮小的板面也能對應增加,由于基材尺寸更小,HDI應用電路板面面積可以較非HDI設計少2~3倍占位、卻能維持相同復雜的線(xiàn)路,自然板材的材料重量可藉此縮減。至于針對射頻、高頻等特定區塊電路設計,可善用多層結構,在主電路的上/下層電路設置大面積的金屬接地層,將可能自PCB引發(fā)的高頻線(xiàn)路EMI問(wèn)題,限制在HDI的板材內部,避免影響外部其它電子設備運行。

而HDI板材重量更輕、線(xiàn)路密度更高,對機箱內的空間使用率相對較非HDI設計更高,而原有高頻運行的器件會(huì )因為采行HDI后,讓訊號線(xiàn)的傳輸距離縮短,自然有利于新款SoC或高頻運行器件的信號傳輸質(zhì)量因電氣特性較佳、進(jìn)而獲得傳輸效能改善,加上HDI若使用超過(guò)8層,基本上就可以獲得較非HDI電路板更好的性?xún)r(jià)比,這對終端產(chǎn)品設計而言也可運用HDI主板設計方案,提升產(chǎn)品的產(chǎn)品性能與規格數據表現,讓產(chǎn)品更具市場(chǎng)競爭力。

高引腳數的關(guān)鍵元件 需使用HDI進(jìn)行產(chǎn)品設計

尤其是引腳數超多的FPGA元件,對于PCB布線(xiàn)來(lái)說(shuō)是極大的困擾,又例如目前最常見(jiàn)的GPU元件,引腳數也是朝向越來(lái)越多發(fā)展,大多已經(jīng)改用HDI印刷電路板來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品設計,HDI尤其適合需要高復雜連接的設計方案使用。

尤其針對新一代的SoC或集成芯片,其高度集成功能下導致IC引腳越來(lái)越多,這對于PCB設計連接線(xiàn)路的難度大幅提升,而HDI高密度電路板設計方案,可利用板材內部多層互連、集成的優(yōu)勢,將復雜的芯片引腳一一完成連接,而雷射盲孔制作可以在板材內制作微盲孔,可以是穿孔式、錯置式、堆疊式,亦可在任意層進(jìn)行互連,線(xiàn)路的布設彈性相對較傳統PCB高更多,也為高引腳數的集成芯片應用方案提供更輕松的板材設計方案。

而HDI電路板設計也較以往PCB更為復雜,不只是線(xiàn)路變得更緊密,在使用不同層電路互連的設計復雜度也大幅提高,線(xiàn)路變得更細、更緊密的同時(shí),也代表著(zhù)線(xiàn)路的導體截面積變更小,這會(huì )導致傳遞信號完整性問(wèn)題會(huì )更加凸顯,對工程師來(lái)說(shuō)要花更多心思進(jìn)行板材功能驗證與查錯。

尤其在面對高度復雜的設計案件,例如在開(kāi)發(fā)過(guò)程中板材的電子電路遭遇設計變更的可能性相當高,而若主板的核心元件有FPGA或其它具大量引腳的元件,稍微有點(diǎn)設計變更就會(huì )造成設計改善時(shí)程的延宕,而如何在改變頻繁的設計過(guò)程中,盡可能減少線(xiàn)路部署錯誤發(fā)生,必須搭配可支持HDI高復雜度線(xiàn)路設計的設計輔助工具,尤其是必須搭配可在FPGA邏輯設計、硬件設計、PCB邏輯與相關(guān)設計數據可彼此互通的設計架構下,讓任何專(zhuān)案的設計規格變動(dòng),均可實(shí)時(shí)反應于開(kāi)發(fā)系統,避免設計板材與目標芯片無(wú)法匹配的設計問(wèn)題發(fā)生。

HDI設計需更謹慎進(jìn)行產(chǎn)品驗證

也是因為HDI印刷電路板已將線(xiàn)路復雜度大幅提升,這對于原有的PCB布線(xiàn)設計工作將會(huì )帶來(lái)更多的設計負荷,在實(shí)際的開(kāi)發(fā)專(zhuān)案中,雖可利用輔助開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行走線(xiàn)快速部署、擺位,但實(shí)際上仍須搭配開(kāi)發(fā)者的設計經(jīng)驗,進(jìn)行元件配置、線(xiàn)路布設的最佳化調校,搭配開(kāi)發(fā)軟件自動(dòng)化將引腳與線(xiàn)路連接關(guān)系對應、相對位置自動(dòng)更換線(xiàn)路引腳等自動(dòng)化設計方案,來(lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化HDI印刷電路板的設計程序、減少冗長(cháng)的開(kāi)發(fā)時(shí)程。

另HDI往往也會(huì )用于高速元件的設計應用方案中,尤其是現在3C或行動(dòng)裝置,動(dòng)輒都具備GHz等級的運行時(shí)脈時(shí),主板線(xiàn)路的走向,也會(huì )影響設備在高頻運行下的EMI/EMC問(wèn)題影響。一般來(lái)說(shuō)可先利用開(kāi)發(fā)軟件先進(jìn)行時(shí)序規則、走線(xiàn)拓璞結構的設計參數設置,先提供給開(kāi)發(fā)軟件一個(gè)可參考的約束范圍后,再利用開(kāi)發(fā)軟件自帶的軟件驗證功能進(jìn)行初步設計的本機驗證,當然,開(kāi)發(fā)軟件的本機線(xiàn)路驗證畢竟不是真實(shí)線(xiàn)路除錯,頂多僅能作為開(kāi)發(fā)參考,實(shí)際設計方案仍須先做過(guò)多次軟件驗證后再制作參考設計進(jìn)行HDI板材功能驗證。

使用軟件的模擬驗證有相當多好處,基本上可以透過(guò)軟件模擬驗證快速找出可能出錯的邏輯線(xiàn)路,透過(guò)設計軟件進(jìn)行查點(diǎn)、查線(xiàn),檢查可能出現錯誤設計的區塊,而軟件模擬的速度相當快,可在還未投入進(jìn)行板材小批量制作前的驗證基礎,等到軟件驗證搭配模擬環(huán)境測試沒(méi)有出現問(wèn)題,再進(jìn)行試做品進(jìn)行實(shí)體驗證,可大幅減省HDI開(kāi)發(fā)成本。

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