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HDI线路板设计的注意事项
2020-08-14
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摘要:基于国内HDI线路板设计还不是非常普及,为给更多初接触HDI线路板设计者提供切实有用的参考和借鉴,本文从可制造性的角度出发,采用归类举例的方法,深入浅出的解释了HDI加工制造中复杂的难以理解的加工工序,并阐叙了加工工序对HDI线路板设计的影响,提醒初学者在HDI设计中应该注意到的有关加工制造的事项,切实提高设计的HDI板的可制造性。本文中关HDI制造工艺的参数、布局布线的经验均来自PCB生产厂家和一线PCB设计师,有极高的普及性和通用性。


HDI板,是英文High Density Interconnection的缩写,是指高密度互连板(盲埋孔板),是PCB行业在20世纪末发展起来的一门较新的技术。传统的PCB板的钻孔由于受到钻刀影响,当钻孔孔径达到0.15 mm时,成本已经非常高,且很难再次改进[1],于是不再依赖于传统的机械钻孔,利用激光钻孔技术的HDI板的钻孔技术一出现就得到了极大的推广。HDI板也被称为镭射板,其钻孔孔径一般为3~6 mil(0.076~0.152 mm), 线 路 宽 度 一 般 为 3~4 mil(0.076~0.10 mm),焊盘的尺寸可以大幅度的减小,所以单位面积内可以得到更多的线路分布,高密度互连由此而来。HDI技术的出现,适应并推进了PCB行业的发展,目前HDI板已经得到广泛的应用。

HDI板较常规的PCB板设计而言,最大的不同就是通过埋孔和盲孔代替部分通孔的互联,同时采用更细的线宽和更小的间距,使PCB的布局和布线空间利用得更加充分,对于很多从事常规板设计(这里指使用通孔)的人员,初次转到HDI板的设计,须更加合理的规划器件空间布局,更加游刃有余的切换盲孔、埋孔、通孔的应用,更加精细分配信号线的空间分布,最关键和基础的是要了解HDI线路板实际生产制造过程中的相关工艺参数。

1 制造工艺

1.1 孔 径

无论是通孔和埋盲孔的设计都必须考虑到孔径比。传统的PCB板孔径的加工,一般机械钻孔,通孔孔径大于0.15 mm,保证板厚孔径比大于8:1(特殊情况可以做到12:1甚至更大,但是为了保证良好的PCB成品率,一般采用8:1)。而激光钻孔由于能量与效率的限制,镭射孔的孔径大小不能太大,孔径一般是3~6 mil,推荐使用4 mil,电镀填孔的孔深孔径比最大1:1。

这是因为板子越厚,而孔径越小,电镀时候化学药水就越难进入钻孔的深处,虽然电路电镀设备利用振动、加压等方法使药水得以进入钻孔中心,可是浓度差也会造成中心镀层偏薄,这时候会出现钻孔层微开路的现象,当电压加大或者板子在各种恶劣情况下受到冲击时,缺陷就更加明显了,造成板子线路断路,无法正常工作。这也是PCB设计人员在设计时要充分了解到PCB生产厂家的工艺能力,否则设会增加PCB生产的困难,加大报废率,甚至无法生产。

1.2 层 叠

HDI板叠层的分类一般按阶数来分,而阶数是以盲孔的层数来确定的。如1-2为一阶,1-2、2-3为二阶;1-2 、2-3 、3-4为三阶,以此类推,典型的层叠分以下几种:

1.2.1 1阶(有埋孔)

如图1所示:1+4+1(1阶 有埋孔),共有1-2盲孔、6-5盲孔、2-5 埋孔、1-8通孔;

图1 1阶
Fig.1 1-HDI

2)同一个模块尽可能在同一面布局,尽量减少打孔换层的区域。所以在布局的时候要仔细分析,那些电路是关键电路(如重要信号、时钟信号、微弱信号、干扰大的信号、低压电源),根据信号的重要性分类,由主及次,逐级排列在核心器件周围;

由图1可知θ=π+φ,故在系统平衡点附近有以下关系存在:sinφ=-sinθ,cosφ=-cosθ,sinφ≈φ,ml2,则式(1)可化为

如图2所示:2+4+2(2阶交错盲孔,含埋孔芯板),共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔错位;8-7和7-6盲孔错位;

1.探索实施领导干部业绩成果公示制度。工作业绩能很好地反映出领导干部的工作能力强弱、执政水平高低,通过对各级领导干部工作业绩的公示,与相同、相近岗位工作业绩的比较,给领导干部增加竞争压力,促进领导干部不断加强自身建设,提高领导水平和执政能力。

图2 2阶交错盲孔
Fig.2 Non stacked 2-HDI

1.2.3 2阶 阶梯盲孔,无树脂填充

加强工程质量监督人员专业技能及职业素养的培养工作。首先,完善人员业务及交款知识体系,提升其思想政治水平;其次,结合工程实际需求制定出科学且系统的职能分工方案,制定并完善施工审核流程;此后,要求工程质量监督人员做好施工纪律的管理及施工材料的收集工作;最后,针对工程质量监督专业知识及技能在人员群体中做好教育培训工作,采用业绩考核及奖惩机制相结合的手段,力争营造出积极严谨的监理工作氛围。

如图3所示:2+4+2(2阶 阶梯盲孔,无树脂填充),共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔位置重叠;8-7和7-6位置重叠;

图3 2阶 阶梯盲孔,无树脂填充
Fig.3 Stacked but non copper filled 2-HDI

1.2.4 2阶 阶梯盲孔(也叫堆叠盲孔),树脂填充

图4 2阶阶梯盲孔,树脂填充
Fig.4 Stacked & copper filled 2-HDI

此外,科学家还通过海拉细胞研究艾滋病、疱疹、寨卡、麻疹、腮腺炎等病毒,据医学及生物学数据库PubMed显示,截至2009年,与海拉细胞有关的论文数超过了60000份。如果没有海拉细胞,医学发展水平会因此迟缓不少。

因为板子层压过程中会受到压力和温度的影响,在层压完成后板子内还会有应力存在,如果层压的板子不对称,即板两面的应力分布不均匀,造成板子向一面撬曲,极大的减少了板子的成品率。因此设计者必须要选择对称层叠设计,并要考虑到埋盲孔位置的分布性。

如图4所示:2+4+2(2阶阶梯盲孔,树脂填充),共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔位置重叠,8-7和7-6盲孔位置重叠,而且2-3、7-6盲孔树脂塞孔;

1.3 工艺流程

以下分别以1 次压合的4层HDI板和2次压合的6层HDI板为利进行说明。

1.3.1 1 次压合的4层HDI板

1 次压合的4层HDI板的加工流程为:L2-3层开料——烘板——机械钻埋孔——沉铜——电镀——内层图形——内层蚀刻——内层AOI——棕化——层压——钻孔——激光钻孔——正常流程

图5 一次压合4层HDI
Fig.5 1 pressing of 4 layer HDI

4)由于板内布线空间有限,要优先保证重要信号和有阻抗要求的信号的的配线空间;其他信号线宽、线间距可根据实际空间适当调小;

同理类似,如果是1次压合的6层板,就是先首先2-5层机械钻埋孔,接下来层铜、电镀、内层图形等流程后再是钻1-6的机械通孔;然后1-2和6-5的盲孔;正是由于机械钻孔只能形成上下贯通的穿孔形式,决定了埋盲孔的非交叉性。

如果设计人员根据PCB设计的需要或性能考虑,L1到L3或L4到L2的孔不经过2-3的转换,直接打1-3孔或4-2孔,这样的设计将给生产带来极大的困难,其生产成本和报废率将大幅度的提高,因此在选择过孔方式时,必须考虑现有加工工艺和生产技术的要求。

1.3.2 2次压合的6层HDI板

对政府预算进行审查和监督是宪法和法律赋予人大及其常委会的一项重要职权。近年来,东营市人大常委会深入贯彻落实党中央关于加强人大预决算审查监督的决策部署和省人大常委会的工作要求,以部门预算审查监督为突破口,积极探索实践,在推动规范财政管理、提高资金使用效益方面取得了积极成效。

图6 2次压合6层HDI
Fig.6 2 pressing of 6 layer HDI

其他工艺与传统的PCB加工流程类似,不同之处是钻孔的时候首先3-4层机械钻埋孔,接下来层铜、电镀、内层图形……一次压合等流程后再是钻2-5的埋孔;然后2-3和5-4的盲孔;再次沉铜、电镀、内层图形……二次压合等流程后,再钻1-6的通孔,然后是1-2,6-5的盲孔。

由于HDI板的盲孔是激光钻孔[2] ,激光钻孔时的高温将孔壁灼烧,产生的焦渣附在孔壁上,同时由于激光的高温灼烧,将导致第2层铜被氧化,所以在激光钻孔完毕后,需要在电镀前进行前处理,由于盲孔的孔径比较小,又不是通孔,所以孔内的焦渣很难清除,对于2阶的HDI,还需要专门的盲孔电镀和填充,因此成本会大大提高。

另外1次压合钻2-5的埋孔,2-3和5-4的盲孔、沉铜、电镀后会二次成形、蚀刻等之后再L1-6二次压合,这过程工序要经过多次对位,因此对位误差也会累积增大[3],增加产品的报废率,因此如果不是非常高端的产品,建议不要采用2阶的 HDI。

2 布 局

3)重要的信号(如时钟/射频)的布线区域(最好保证线宽的3W区域)不添加没有物理连接冲突的盲孔,避免相互之间的干扰,但是地网络类的盲孔可以加。这是因为HDI的绝缘层厚度比较薄,所以压板较为困难。内层有埋盲孔的地方,线路更容易因凹陷而造成开路,所以设计的时候,线路要尽量避开埋盲孔的位置,至少不要从埋盲孔中间位置通过;实在避不开,关键信号和重要信号必须避开,如时钟信号、射频信号、高速信号,这不仅是为了保证良好的工艺能力,也是为了避免虽然没有物理相连的孔和线通过板材或其他介质之间形成的相互干扰;

定义1.3[33] 设f:H→(-∞,+∞]是正则的。若模Ø:R+→[0,+∞)是单调增加的,且仅仅在0点下降为0。当满足下列条件时:

以下是布局时要注意的其他相关事项:

1)射频/模拟/模数转换/数字部分布局的时候在空间上要严格分开,无论在同一面或不同面都尽量错开位置,拉开间距;

1.2.2 2阶交错盲孔(也称非阶梯盲孔)(有埋孔)

3)大功率信号远离其他信号。

3 布 线

布线必须要考虑到生产时的最小线宽、安全间距(包括线与线、线与焊盘、焊盘与焊盘、线与铜面等)的控制及布线的均匀性,因为间距过小,在内层干膜工艺(即将内层线路转移到PCB板的过程)时造成夹膜,而膜无法褪尽会造成线路短路。线宽太小,膜的附着力不足,造成线路开路。同一面的线路不均匀,即铜面分布不均匀,会造成不同点树脂流动速度不一致,最终的结果就是铜面少的地方,铜厚度会稍薄一点,铜面多的地方,铜厚度会稍厚一点,因此在设计的时候要注意布线和铺铜的均匀性。

融入语境设想,让学生有更多对话文本的机会。如在《天游峰的扫路人》教学中,针对天游峰的奇特景象,不妨建议学生思考:如果你在游览天游峰的时候,见到了这些扫路人,你想与他们畅谈什么呢?很显然,这样的开放性话题,让学生能够有更多自我对话文本的机会,能够让他们在主动融入文本中形成更多的深刻感知。很多同学在设想中认为,自己真想与扫路人一起扫路,体验其中的生活,感受他们的艰辛。有的同学说,扫路人每日登山不是为了赏风景,而是专门寻找败笔,我们游客应该换位思考,不能再随手乱丢垃圾。有的同学说,阅读了此文,让自己感受到劳动最伟大,只有尊重别人的劳动果实,才能收到别人的尊重,等等。

8月二铵市场收获关键词“稳健”。内销市场上,秋季市场销售流向已经基本确定,经销商催货回运为主。当前,企业9月份出口订单已经敲定,在出口和内销市场需求双向支撑下,二铵国内价格或有望在9月中旬前后调整,预计幅度50元/吨。

以下是布线时候要注意的其他相关事项:

2 次压合的6层HDI板的加工流程为:L3-4开料——烘板——机械钻埋孔——沉铜——电镀——内层图形——内层蚀刻——内层AOI——棕化——L2-5压合——棕化——钻孔——激光钻孔——沉铜——电镀——内层图形——内层蚀刻——棕化——层压——棕化——钻孔——激光钻孔——正常流程。

1)TOP层和BOT层布局的器件有比较好的隔离效果,因此尽量避免和减少其内层换层信号之间相互串扰;

2)对于射频和模拟区域等重要信号,保证每个信号周围有短的地通道的回流路径(上/下/左/右),并且此类信号周围多打地过孔,这样可以实现返回电流的最近跳转,以减少环路面积[4]

HDI板的器件布局一般密度较大,这里就要注意保证后期的安装性、可焊接性以及可维修性。推荐一般SOP类与其他器件的PIN间距大于40 mil,BGA与其他器件的PIN间距大于80 mil,普通器件如阻容内PIN间距大于20 mil,当然,这里给的满足焊接的常规的极限值,实际中还要考虑安装性和可维修性,因此在空间允许的情况下,尽可能拉大器件间距,有助于安装、返修拆卸及焊接。

其他工艺与传统的PCB加工流程类似,不同之处是钻孔的时候首先2-3层机械钻埋孔,接下来层铜、电镀、内层图形等流程后再是钻1-4的机械通孔;然后1-2和4-3的盲孔;

5)电源在满足电流能力的前提下,尽可能避免整块铺面,减少对其他信号的干扰;

强制对流换热系数hf和接收器附近风速有关。可以用ROBERT[6]实验数据拟合曲线得到强制对流换热系数与风速的关联式

以拼多多为典型的裂变式社交电商主要通过微信小程序获取客户。现在大部分移动网民手机里面不一定有淘宝、天猫、京东等传统电商的APP,但基本会有微信,而且容易受到朋友圈的影响。当拼多多通过微信实施拼团模式时,更是明显出现裂变效应。消费者如果想拿到低价甚至免费的商品,就必须要在朋友圈里发布商品分享信息,这种行为本身是在为商家作免费推广,同时又为自己获利。但如果经常在朋友圈发布商品信息,则容易引起朋友的反感。一开始朋友可能碍于情面会帮忙“砍一下价”,但长期如此则会令人心生厌烦,难以持续发展。这种以社交媒体与电子商务相结合,以信任为核心基础的交易方式,一旦滥用,便不可避免的造成人情的过度消耗。

6)如果优先考虑PCB生产成本,同网络盲孔的扇出要与焊盘间距保证3.5 mil 以上,极限是3 mil ;同网络埋孔和盲孔,盲孔和通孔,埋孔和通孔的间距大于3.5 mil以上,极限是3 mil,不同网络的孔和线的间距大于4 mil,极限是3 mil,但是孔与孔、孔与盘、孔与线之间不推荐同时做极限值;埋孔虽然和焊盘没有直接相连,也尽量避免打在焊盘下方,尽量打在空区域;线宽优先选取4 mil以上,线到孔,线到盘间距优先选取4 mil以上,极限均可选取3 mil,但是不能同时选同为3 mil。这里给的是常规推荐的极限值,特殊情况下可以做的更小[5],但是生产成本会增加很多。

微课教学的时间都设置得较短,多数在7、8分钟左右,微课和传统教学相比具有明显优势,微课教学的方法为教师和学生节省了大部分时间,学生有更多的时间进行自主学习,教师相应的也有更多时间辅导学生。微课的内容主要是对教师要讲解的内容进行归纳和总结,使知识看起来更加系统、详尽,学生在学习的过程中也更容易理解和接受。微课教学的方式使学生的学习不会受到时间和地点的限制,学生可以自主选择学习的时间、方式和内容,也可以针对自己不懂的问题,反复观看教学课程,培养了学生的自主学习能力和增强了学生的自我认知的能力。

7)如果优先考虑信号质量,盲孔可直接打焊盘上,BGA区域如果担心盲孔打在焊盘上影响BGA焊接,可考虑盲孔与焊盘相切扇出。

8)使用了埋盲孔,阻抗连续性较通孔差,因此对有阻抗要求的信号,尽量减短焊盘与盲孔,盲孔与埋孔之间的引线长度,并保证其信号上下平面尽可能完整,在换层之处适当增加地过孔,对阻抗的连续性是有帮助的,地孔采用相应的埋盲孔,避免通孔,主要是因为一个通孔会影响所有层的信号返回路径,而埋盲孔的一端是止于一个金属壁,而不是贯穿整个PCB[6]

9)对干扰比较大的信号,如晶体、晶振、VCO、射频电路可对其相邻地平面进行挖空处理,选择次邻层的地平面作参考平面。对于大功率的通道,可以选择挖空相邻多层地平面来减少该电路对整个电路系统的干扰;

10 )盲孔的切换层的配线尽可能短,与相邻层信号线不重叠,如果实在避不开,必须选择垂直相交。如果是重要信号线和有阻抗要求的线分配在相邻层且在避不开时,选择分配到其他与盲孔切换层不相邻的层,这里特别要注意是TOP/BOT层的重要信号线和有阻抗要求的信号线与盲孔层的避让,很容易被忽略。

11 )在保证性能的前提下,能用通孔的地方,建议不要使用埋孔和盲孔。因为在压板时的第2层到倒数第2层之间有太多埋孔的话,压板过程中将会由于产生了一个通道,而导致位于上面的介电层厚度薄于位于下面的介电层的厚度,因此PCB设计时要尽量减少这些类孔的数量。