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      高密度PCB板(PCB high density board)

      2020-05-22 10:06:03 點擊量: 812

      1  高密度PCB板發展過程
      由于印刷電路板并非一般終端產品,因此在名稱的定義上略為混亂,例如:個人電腦用的母板,稱為主機板而不能直接稱為電路板,雖然主機板中有電路板的存在但是并不相同,因此評估產業時兩者有關卻不能說相同。再譬如:因為有集成電路零件裝載在電路板上,因而新聞媒體稱他為IC板,但實質上他也不等同于印刷電路板。

      在電子產品趨于多功能復雜化的前題下,集成電路元件的接點距離隨之縮小,信號傳送的速度則相對提高,隨之而來的是接線數量的提高、點間配線的長度局部性縮短,這些就需要應用高密度線路配置及微孔技術來達成目標。配線與跨接基本上對單雙面板而言有其達成的困難,因而電路板會走向多層化,又由于訊號線不斷的增加,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問題,會采用低介電質系數、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以下的孔在業界被稱為微孔(Microvia),利用這種微孔的幾何結構技術所作出的電路可以提高組裝、空間利用等等的效益,同時對于電子產品的小型化也有其必要性。

      對于這類結構的電路板產品,業界曾經有過多個不同的名稱來稱呼這樣的電路板。例如:歐美業者曾經因為制作的程序是采用序列式的建構方式,因此將這類的產品稱為SBU (Sequence Build Up Process),一般翻譯為“序列式增層法”。至于日本業者,則因為這類的產品所制作出來的孔結構比以往的孔都要小很多,因此稱這類產品的制作技術為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為MLB (Multilayer Board),因此稱呼這類的電路板為BUM (Build Up Multilayer Board),一般翻譯為“增層式多層板”。


      3  高密度PCB板名稱由來
      美國的IPC電路板協會其于避免混淆的考慮,而提出將這類的產品稱為HDI (High Density Intrerconnection Technology)的通用名稱,如果直接翻譯就變成了高密度連結技術。但是這又無法反應出電路板特征,因此多數的電路板業者就將這類的產品稱為HDI板或是全中文名稱“高密度互連技術”。但是因為口語順暢性的問題,也有人直接稱這類的產品為“高密度電路板”或是HDI板。


      4  高密度PCB板的設計挑戰
      隨著信息產品對于體積的要求越來越高,尤其是行動裝置產品的尺寸朝持續微縮方向開發,如目前熱門的Ultra Book產品,甚至是新穎的穿戴式智能裝置,都必須運用HDI高密度互連技術制作之載板,將終端設計進一步壓低產品尺寸。

      HDI(High Density Interconnect)即為高密度互連技術,這是印刷電路板(Printed circuit board)所使用的技術之一。HDI主要是應用微盲埋孔的技術進行制作,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制成之印刷電路板無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高密度互連技術的搭配成孔方案為主。

      HDI印刷電路板的應用領域相當寬廣,舉凡手機、超薄型筆記本電腦、平板計算機、數碼相機、車用電子、數碼攝影機...等電子產品,都已使用HDI技術來縮小主板設計,縮小后的效益相當大,不只終端產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,產品的成本也可因為導入HDI而相對降低。

      HDI早期用于中高價手機 現在幾乎普及于各行動裝置

      早期使用HDI技術最多的產品,以功能性手機、智能型手機為主,此類產品占了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為由鉆孔制程進行的機鉆進行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Apple 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品設計厚度,使產品設計得以用更輕薄的設計型態問市。但Any-layer HDI為采用雷射盲孔制造,在線路加工制作難度相對較高、成本也較一般電路板為高,目前僅高單價的行動裝置使用較多。

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

      HDI對于線路要求密度高 需使用雷射進行開孔

      其實HDI高密度制法,并沒有明確的定義,但一般對于HDI或非HDI差別其實相當大,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),至于孔環的環徑需要≦10mil,而線路接點的布設密度需在每平方英寸大于130點,信號線的線間距需3mil以下。

      HDI印刷電路板的優點相當多,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引發的高頻線路EMI問題,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因為采行HDI后,讓訊號線的傳輸距離縮短,自然有利于新款SoC或高頻運行器件的信號傳輸質量因電氣特性較佳、進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電路板更好的性價比,這對終端產品設計而言也可運用HDI主板設計方案,提升產品的產品性能與規格數據表現,讓產品更具市場競爭力。

      高引腳數的關鍵元件 需使用HDI進行產品設計

      尤其是引腳數超多的FPGA元件,對于PCB布線來說是極大的困擾,又例如目前最常見的GPU元件,引腳數也是朝向越來越多發展,大多已經改用HDI印刷電路板來進行產品設計,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引腳越來越多,這對于PCB設計連接線路的難度大幅提升,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,亦可在任意層進行互連,線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,線路變得更細、更緊密的同時,也代表著線路的導體截面積變更小,這會導致傳遞信號完整性問題會更加凸顯,對工程師來說要花更多心思進行板材功能驗證與查錯。

      尤其在面對高度復雜的設計案件,例如在開發過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,稍微有點設計變更就會造成設計改善時程的延宕,而如何在改變頻繁的設計過程中,盡可能減少線路部署錯誤發生,必須搭配可支持HDI高復雜度線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邏輯與相關設計數據可彼此互通的設計架構下,讓任何專案的設計規格變動,均可實時反應于開發系統,避免設計板材與目標芯片無法匹配的設計問題發生。

      HDI設計需更謹慎進行產品驗證

      也是因為HDI印刷電路板已將線路復雜度大幅提升,這對于原有的PCB布線設計工作將會帶來更多的設計負荷,在實際的開發專案中,雖可利用輔助開發軟件進行走線快速部署、擺位,但實際上仍須搭配開發者的設計經驗,進行元件配置、線路布設的最佳化調校,搭配開發軟件自動化將引腳與線路連接關系對應、相對位置自動更換線路引腳等自動化設計方案,來進一步簡化HDI印刷電路板的設計程序、減少冗長的開發時程。

      另HDI往往也會用于高速元件的設計應用方案中,尤其是現在3C或行動裝置,動輒都具備GHz等級的運行時脈時,主板線路的走向,也會影響設備在高頻運行下的EMI/EMC問題影響。一般來說可先利用開發軟件先進行時序規則、走線拓璞結構的設計參數設置,先提供給開發軟件一個可參考的約束范圍后,再利用開發軟件自帶的軟件驗證功能進行初步設計的本機驗證,當然,開發軟件的本機線路驗證畢竟不是真實線路除錯,頂多僅能作為開發參考,實際設計方案仍須先做過多次軟件驗證后再制作參考設計進行HDI板材功能驗證。

      使用軟件的模擬驗證有相當多好處,基本上可以透過軟件模擬驗證快速找出可能出錯的邏輯線路,透過設計軟件進行查點、查線,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境測試沒有出現問題,再進行試做品進行實體驗證,可大幅減省HDI開發成本。

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