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PCB设计:任意层过孔技术特点及设计挑战

PCB线路板打样 来源:一博科技 作者:一博科技 2021-04-20 11:31 次阅读

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)。

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。

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图三 ALIVH的示意图

任意层过孔的设计挑战

任意层过孔技术完全颠覆了传统过孔设计方法。如果还是需要设置不同层的过孔,会增加管理难度。需要设计工具具备智能化打孔的能力,同时能随意的进行组合和拆分。

Cadence在传统的基于换线层的布线方式上,增加了基于Working Layer的换线方式,如图四所示:可以在Working Layer面板中勾选可以进行环线的层,然后在双击打孔的时候,就可以选择任意层之间进行换线。

20121017091918261.jpg

图四 基于Working Layer的布线方式

ALIVH设计制板实例:
10层ELIC设计
OMAP™ 4 Platform

201210170921504895.jpg201210170922217404.jpg201210170922341340.jpg

图五 ALIVH设计制板案例

埋阻、埋容和埋入式元器件

对高速访问互联网和社交网络要求手持设备高集成和小型化。目前靠最先进的4-N-4的HDI技术。但为了下一代新技术,实现更高的互连密度,在这个领域,埋入无源甚至于有源的零件进入PCB和基板中可满足以上要求。当你设计手机数码相机等消费类电子产品,考虑如何将无源和有源的零件埋入PCB和基板是当前设计的最好选择。这种方法可能因为你采用不同的供应商略有不同。埋入零件的另外一个好处,该技术提供对知识产权保护,防止所谓的逆向设计。Allegro PCB Editor可以提供最好的工业级解决方案。Allegro PCB Editor还可以同HDI板,柔板和埋入式零件更加紧密的合作。你可以得到正确的参数和约束对完成埋入式零件的设计。埋入器件的设计不仅可以简化后面SMT的工艺,同时对产品表明的整洁度都有很大的提高。

埋阻、埋容设计

埋阻又称埋电阻或者薄膜电阻,是将特殊的电阻材料压合在绝缘基材上,然后通过印刷,蚀刻等工艺,得到所需电阻值,然后与其他PCB板层一起压合,形成平面电阻层。常见的有PTFE埋电阻多层印制板制造技术,可以达到所需的电阻精度。

电容则是利用具有较高电容密度的材料,同时减少层间的距离,来形成一个足够大的平板间电容,来起到电源供电系统的去耦和滤波作用,从而减少板子上所需的分立电容,并且能达到更好的高频滤波特性。埋容由于其寄生电感非常小,其谐振频率点会比普通电容或者低ESL电容效果都好。

由于工艺和技术的成熟,以及高速设计对于电源供电系统的需要,埋容的技术应用越来越多,使用埋容技术,我们首先得计算平板电容的大小,公式如下:

201210170923551689.jpg

C =201210170924187927.png

图六 平板电容计算公式

其中:
C是埋容(平板电容)的电容量
A是平板的面积,大部分设计在结构确定的情况下,平板间面积很难增大
D_k是平板间介质的介电常数,平板间电容量和介电常数成正比
K是真空介电常数(Vacuum permittivity),又称真空电容率,是一个物理常数,值为8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m);
H是平面之间的厚度,平板间电容量和厚度成反比,所以我们想要得到较大的电容量,需要减小层间厚度,3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的层间介质厚度,加上16的介电常数,大大增加了平板间电容量。

经过计算,3M的C-ply埋容材料,在每平方英寸的面积上,能实现6.42nF的平板间电容量。

同时,还需要使用PI仿真工具进行PDN目标阻抗的仿真,从而确定单板的电容设计方案,避免埋容和分立电容的冗余设计。图七是一个埋容设计的PI仿真结果,只考虑板间电容的效果,没有加入分立电容的效应。能看到只是增加埋容,整个电源阻抗曲线性能得到很大提升,尤其是500MHZ以上,是板级分立滤波电容很难起作用的频段,平板电容能有效降低电源阻抗。

201210170929582944.jpg

图七 埋容对于PI的效果

埋容设计案例:

28层板,4层埋容设计

201210170930576357.jpg

201210170931239389.jpg

201210170931375767.jpg

图八 埋容设计案例

编辑:hfy


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