PCB設計管理高密度通孔

2020-12-02

在PCB設計領(lǐng)域，我們沒(méi)有太多需要跟蹤的項目。但是，有很多設計對象（例如通孔）確實(shí)需要管理，尤其是在高密度設計中。盡管較早的設計可能僅使用了幾個(gè)不同的通孔，但當今的高密度互連（HDI）設計需要許多不同的類(lèi)型和尺寸。這些通孔中的每一個(gè)都需要進(jìn)行管理[鏈接到管理約束條件]，以便正確使用它以確保最佳的電路板性能和無(wú)錯誤的可制造性。讓我們仔細研究一下PCB設計中管理高密度通孔的需求以及如何做到這一點(diǎn)。

驅動(dòng)高密度印刷電路板設計的注意事項

隨著(zhù)對小型電子設備的需求的增加，驅動(dòng)它們的印刷電路板必須與它們一起縮小以便裝入盒子中。同時(shí)，電子產(chǎn)品必須通過(guò)向板上添加更多組件和電路來(lái)響應對增強功能的要求。使問(wèn)題進(jìn)一步復雜化的是，PCB組件的尺寸不斷減小，而引腳數量卻不斷增加，這迫使使用間距更窄的較小引腳。對于PCB設計人員來(lái)說(shuō)，袋子變得越來(lái)越小，而裝入袋子中的所有東西都變得越來(lái)越大，很快傳統的電路板設計方法就達到了極限。

為了適應在較小的板尺寸上增加電路的需求，引入了一種新的PCB設計方法，即高密度互連或HDI。這些設計利用更新的制造技術(shù)來(lái)構建具有較小線(xiàn)寬和更薄材料以及盲孔和埋孔或激光鉆孔微孔的電路板。這些高密度特性共同使能在電路板的較小面積上制造更多的電路，并為大引腳數IC提供了可行的連接解決方案。 

這些高密度通孔的使用還帶來(lái)了其他一些好處：

布線(xiàn)通道：由于盲孔和掩埋通孔以及微孔不會(huì )一直貫穿板層堆疊，因此在設計中打開(kāi)了其他布線(xiàn)通道。通過(guò)策略性地放置這些不同的通孔，設計人員現在可以將其上具有數百個(gè)引腳的零件布線(xiàn)。如果僅使用標準的通孔，則具有這么多引腳的組件通常會(huì )阻塞所有內層布線(xiàn)通道。

信號完整性：這些設備上的許多信號也具有特定的信號完整性要求，這些要求可能會(huì )受到通孔通孔筒全長(cháng)的影響。這些過(guò)孔可以充當輻射EMI的天線(xiàn)，或影響關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )的信號返回路徑。但是，使用盲孔和埋孔或微孔可以消除通孔過(guò)長(cháng)導致的信號完整性問(wèn)題。

為了更好地了解正在討論的通孔，我們接下來(lái)將研究可用于高密度設計的通孔的不同類(lèi)型和應用。

 

PCB設計工具中的過(guò)孔列表顯示了不同過(guò)孔的類(lèi)型和配置

通過(guò)類(lèi)型和結構進(jìn)行高密度互連

通孔是電路板上的孔，用于連接堆疊中的兩層或更多層。通常，通孔會(huì )傳導一條信號，該信號在走線(xiàn)上從板的一層傳播到另一層上的相應走線(xiàn)。為了在走線(xiàn)層之間傳導信號，在制造過(guò)程中對通孔鍍上金屬。根據用途，過(guò)孔會(huì )帶有不同大小的孔和金屬焊盤(pán)。較小的過(guò)孔用于信號布線(xiàn)，而較大的過(guò)孔用于電源和接地布線(xiàn)，或有助于緩解發(fā)熱的組件。

這是您將在電路板上使用的不同類(lèi)型的過(guò)孔：

通孔：通孔是自首次引入雙面印刷電路板以來(lái)一直使用的標準通孔。在整個(gè)板上機械鉆孔并電鍍。但是，機械鉆頭的鉆孔能力確實(shí)受到限制，這取決于鉆頭直徑與板厚相比的長(cháng)寬比。通常，無(wú)法可靠地對任何小于0.15毫米或0.006英寸的通孔進(jìn)行鉆孔或電鍍。 

盲孔：也像通孔一樣，也對孔進(jìn)行機械鉆孔，但是使用額外的制造步驟僅從表面鉆出部分板層。這些通孔也具有與通孔相同的鉆孔尺寸限制，但是它們確實(shí)允許在其上方或下方的附加布線(xiàn)通道，具體取決于它們所在的板的側面。

埋入式：就像盲孔一樣，埋入式通孔是通過(guò)機械方式鉆孔的，但是它在板的內層上開(kāi)始和停止，而不是從表面層出來(lái)。由于該通孔被掩埋在板層堆疊中，因此還需要額外的制造步驟。

Microvia：用激光打孔此過(guò)孔，以創(chuàng )建一個(gè)小于機械鉆頭0.15毫米限制的孔。由于微孔將僅跨越板的兩個(gè)相鄰層，因此其長(cháng)寬比允許使用較小的電鍍孔。也可以將其放置在板表層或內部。通常會(huì )對微孔進(jìn)行填充和電鍍，以便將其基本隱藏起來(lái)，從而可以將其放置在用于球柵陣列（BGA）等零件的表面安裝元件焊盤(pán)中。由于其通孔尺寸較小，微通孔還需要比常規通孔小得多的焊盤(pán)，尺寸約為0.300毫米或0.012英寸。

 

高密度設計中使用的典型微孔示意圖

根據設計的需要，這些不同的通孔類(lèi)型也可以配置為以不同的模式一起工作。例如，微通孔可以與其他微通孔堆疊在一起，或者它們可以與掩埋通孔堆疊在一起。這些過(guò)孔也可以彼此交錯排列。如前所述，微孔可用于表面安裝元件引腳的焊盤(pán)內。通過(guò)消除傳統的從表面貼裝技術(shù)（SMT）焊盤(pán)向外延伸到逃逸通孔的走線(xiàn)，這進(jìn)一步緩解了走線(xiàn)布線(xiàn)的擁塞。

這些是可以在HDI設計中使用的不同類(lèi)型的通孔。接下來(lái)，我們將研究PCB設計人員如何最好地管理其使用。

盡管在PCB設計中只能使用幾種類(lèi)型的通孔，但是可以創(chuàng )建不同通孔尺寸和形狀的方法沒(méi)有盡頭。電源和接地連接通常會(huì )使用比常規布線(xiàn)更大的通孔，但大型BGA部件的底側有數百個(gè)引腳。對于那些，表面貼裝墊中的微孔可能需要與其他BGA焊盤(pán)一起使用。盡管其中一些較大的零件將受益于微通孔的使用，但引腳較少的常規表面安裝零件卻不會(huì )，而標準的通孔可用于其布線(xiàn)。這些通孔的通孔將小于電源和接地通孔，而用于散熱的通孔的通孔甚至更大。然后，可以使用所有不同大小的盲孔和埋孔。

毋庸置疑，在HDI設計上，可能需要數十個(gè)不同的過(guò)孔來(lái)滿(mǎn)足所有設計要求，這可能會(huì )造成一些混亂。盡管設計師可能會(huì )跟蹤其中的幾種，但隨著(zhù)不同尺寸數量的增加，通孔變得越來(lái)越難以管理。設計人員不僅必須跟蹤所有這些通孔，而且根據所用電路板的面積，可以在同一網(wǎng)上使用不同的通孔。例如，時(shí)鐘信號可能會(huì )使用SMT焊盤(pán)中的微孔從BGA引腳引出，但隨后會(huì )通過(guò)線(xiàn)路的下端返回到掩埋。但是您不希望為此網(wǎng)絡(luò )使用通孔通孔，因為通孔桶的額外長(cháng)度可能會(huì )在該線(xiàn)路上形成多余的天線(xiàn)。