HDI PCB設計中的阻抗匹配

2021-08-31

HDI PCB設計中的阻抗匹配

阻抗匹配是配置負載輸入阻抗或其信號源輸出阻抗的方式。執行它以實(shí)現最大功率傳輸并減少來(lái)自負載的信號反射。換句話(huà)說(shuō)，為了適當的阻抗控制，負載阻抗必須等于傳輸線(xiàn)的特征阻抗。當傳輸的信號沒(méi)有反射時(shí)，表明負載已經(jīng)吸收了所有的信號。HDI 中的阻抗匹配完全是為了避免傳輸故障，尤其是由于電阻和 PCB電介質(zhì)造成的損耗。

微孔可用于為阻抗匹配系統創(chuàng )建便于生產(chǎn)的 PCB走線(xiàn)。BGA逃逸布線(xiàn)技術(shù)和狗骨扇出結構可用于在 HDI 中實(shí)現阻抗匹配。

PCB走線(xiàn)何時(shí)需要阻抗匹配？

阻抗匹配由信號的陡度和上升/下降時(shí)間決定，而不是由頻率決定。如果信號的上升/下降時(shí)間（以 10% 至 90% 為基準）短于跡線(xiàn)延遲的6 倍，則稱(chēng)為高速信號。在這里，應該進(jìn)行精確的阻抗匹配。

HDI阻抗匹配的挑戰

在 HDI 中實(shí)現阻抗匹配時(shí)，設計人員會(huì )遇到以下挑戰：

在高密度互連設計中，組件具有較小的焊盤(pán)到焊盤(pán)間距，例如 BGA。間距小于或等于 0.65 毫米的 BGA 使布線(xiàn)和控制其寬度具有挑戰性。在這種情況下，可以使用焊盤(pán)內過(guò)孔和 BGA 逃逸布線(xiàn)技術(shù)。

帶有盲孔的焊盤(pán)中的過(guò)孔是一個(gè)優(yōu)勢，因為它們避免了過(guò)孔殘端，從而提高了信號完整性。 

在需要阻抗控制布線(xiàn)的 HDI 板中，精心設計的走線(xiàn)和堆疊對于確保阻抗與信號標準一致至關(guān)重要。

為 HDI 阻抗調整設計走線(xiàn)寬度

走線(xiàn)的阻抗由其距參考平面的寬度和高度決定。在使用細間距 BGA 的 HDI 板中，仔細選擇走線(xiàn)寬度和高度以避開(kāi)焊盤(pán)和焊盤(pán)中通孔之間的走線(xiàn)。

使用 HDI PCB中的 BGA 逃逸布線(xiàn)進(jìn)行阻抗控制

在處理高密度互連時(shí)使用了幾個(gè) BGA 組件。為了使走線(xiàn)進(jìn)出高引腳數球柵陣列的底部，需要一種逃逸布線(xiàn)方案。在某些情況下，需要受控阻抗（例如 FPGA 和其他高速組件），BGA 逃逸布線(xiàn)可能具有挑戰性。

設計電路板時(shí)要使用的逃逸布線(xiàn)策略很大程度上取決于 BGA 間距，它定義了允許放置在焊球之間的走線(xiàn)寬度。走線(xiàn)的細度還取決于制造商的限制、層堆疊和必要的阻抗。選擇逃逸路由方案時(shí)，請記住以下準則。

用于中等層數的細間距 BGA 的逃逸布線(xiàn)技術(shù)從頸縮方法開(kāi)始，因為跡線(xiàn)被布線(xiàn)進(jìn)出 BGA。

外部走線(xiàn)可以直接布線(xiàn)到電路板上的第一排焊盤(pán)上。

球柵陣列上第二行焊盤(pán)的跡線(xiàn)寬度顯著(zhù)減小，以便它可以安裝在第一行焊盤(pán)之間。

要到達其余行的內墊，請穿過(guò)內層。通常，每個(gè)信號層路由到兩行，同時(shí)限制阻抗和HDI 串擾。

Dogbone fanout 是最流行的 BGA 逃逸布線(xiàn)和扇出方法（如下圖所示）。這種扇出技術(shù)有助于在更靠近焊盤(pán)的焊盤(pán)中放置通孔。由于元件不是通過(guò)通孔直接焊接到焊盤(pán)上，因此不需要進(jìn)行填充鍍覆。1 mm BGA 和 0.8 mm BGA 可能適用于狗骨扇出。

當 BGA 間距小于 0.5 mm 時(shí)，最好采用 microvia-in-pad 逃逸布線(xiàn)技術(shù)。微通孔直接放置在焊盤(pán)中，而不是將小跡線(xiàn)布線(xiàn)到焊盤(pán)的側面。為了防止焊料芯吸到電路板的背面，微孔填充有導電環(huán)氧樹(shù)脂并鍍有銅。

用于 BGA 逃逸布線(xiàn)的微孔

如果焊盤(pán)尺寸（包括圓環(huán)）對于細間距 BGA 來(lái)說(shuō)足夠小，則使用微孔進(jìn)行內層 BGA 逃逸布線(xiàn)。以下特征將微孔與傳統孔區分開(kāi)來(lái)：

過(guò)孔長(cháng)度：過(guò)孔最多只能穿過(guò)一層或兩層。如果標準厚度 PCB具有非常高的層數，則通孔可以跨越更多層，但這需要額外的制造程序。盡可能使用跨越單層的堆疊盲孔和埋孔。

微孔縱橫比：微孔縱橫比（深度除以直徑）應為0.75:1。讓我們通過(guò)考慮 32 層厚板的示例來(lái)理解相同的內容。由于層厚（對于 2 層磁芯）為 2 密耳，因此直徑不應小于 2.7 密耳。

微通孔只能安全地機械鉆孔到 8 密耳，但是由于頻繁的鉆孔斷裂，8 密耳的機械 PCB鉆孔費用可以接近激光鉆孔的價(jià)格。機械通孔的吞吐量低于激光鉆孔的通孔，因為必須小心地進(jìn)行機械鉆孔以避免鉆頭斷裂。因此，一旦您開(kāi)始使用激光鉆孔，您就會(huì )看到每塊板的總成本下降。

要在 0.8 毫米間距 BGA 上使用狗骨扇出，走線(xiàn)寬度必須為 10 密耳或更小，微孔必須更?。s 6 密耳）。對于更細間距的球柵陣列（0.5 毫米），使用填充和電鍍的焊盤(pán)內微孔通過(guò) 7 mil 或 8 mil 走線(xiàn)布線(xiàn)到內層中。這將在相鄰焊盤(pán)之間提供足夠的間距。

無(wú)論設計風(fēng)格如何，微孔都可以堆疊或交錯排列，以達到所需的布線(xiàn)密度。通過(guò)IPC 6012要求，以確保微孔和周?chē)h(huán)形圈的尺寸具有最佳可靠性。焊盤(pán)內微孔在 BGA 逃逸布線(xiàn)中的相關(guān)性可以通過(guò)以下事實(shí)來(lái)理解：BGA 間距在某些情況下可以低至 0.3 毫米。

如何放置盲孔以進(jìn)行逃逸布線(xiàn)

內層布線(xiàn)空間的盲孔方法。

盲孔是一種寶貴的 HDI 設計方法，可以釋放額外的內層布線(xiàn)空間。當在通孔之間使用時(shí)，這些類(lèi)型的過(guò)孔使內層的布線(xiàn)空間加倍。它允許額外的走線(xiàn)連接內部 BGA 行上的引腳。見(jiàn)上圖；在這里，在這個(gè) 1.0 毫米 BGA 表面上的通孔之間只有兩條走線(xiàn)可以逃逸。但是，現在盲孔下方可以有 6 條走線(xiàn)，這將布線(xiàn)空間增加了 30%。

使用這種方法，需要四分之一的信號層來(lái)連接高 I/O BGA。盲孔以十字、L 形或對角線(xiàn)圖案放置，以形成林蔭大道。電源和接地引腳分配決定了使用哪種配置。

以交叉、L 形或對角線(xiàn)形狀放置盲孔會(huì )在內層上創(chuàng )建林蔭大道，以允許更高密度的布線(xiàn)和逃逸。

插圖顯示了放置盲孔以在 BGA 內創(chuàng )建林蔭大道以改善突破。左：BGA 的傳統 4 象限扇出；右圖：添加了十字形盲孔，允許在內層上創(chuàng )建的林蔭大道中增加 48 個(gè)逃逸通道，從而減少了突破器件所需的 4 個(gè)。

Happy Holden 解釋說(shuō)：“每層可以連接更多的走線(xiàn)，還可以通過(guò)使用林蔭大道創(chuàng )建額外的布線(xiàn)空間來(lái)減少信號層的總數。盲孔用于創(chuàng )建四個(gè)十字形林蔭大道（如圖所示）。新設計的林蔭大道每層提供 48 個(gè)更多的逃逸通道（8 x 6 走線(xiàn)），并提高了內部走線(xiàn)的信號完整性。它允許移除兩個(gè)布線(xiàn)層和兩個(gè)參考平面。”

此外，他說(shuō)：“在電路板的次級側，可以觀(guān)察到使用盲孔創(chuàng )建林蔭大道的另一個(gè)優(yōu)勢。通孔橫跨整個(gè)電路板，但林蔭大道現在在 BGA 內開(kāi)放（如圖所示）。左圖顯示了由 BGA 下的 104 個(gè)過(guò)孔連接的 58 個(gè)分立器件。在右側，林蔭大道可以通過(guò)共享 366 個(gè)過(guò)孔連接 183 個(gè)分立元件。”

這些圖顯示了兩個(gè) BGA 的背面。一種是帶有通孔的傳統象限扇出，允許 58 個(gè)分立器件。另一個(gè)利用林蔭大道的盲道，其中可以連接 183 個(gè)分立元件。

扇出部分長(cháng)度和走線(xiàn)寬度

在使用高速 IC 時(shí)，阻抗幾乎總是一個(gè)因素。在檢查扇出部分的長(cháng)度時(shí)，扇出布線(xiàn)和阻抗控制之間的關(guān)系開(kāi)始發(fā)揮作用。由于過(guò)孔的走線(xiàn)長(cháng)度（如果存在）和寄生電容/電感，BGA 扇出部分將具有其阻抗。

首先，檢查信號帶寬以確定信號是否會(huì )在走線(xiàn)阻抗上拾取。如果走線(xiàn)長(cháng)度明顯小于對應于帶寬高端的波長(cháng)，則可以忽略 BGA 扇出的走線(xiàn)部分。最好的方法是計算負載阻抗，它是扇出走線(xiàn)長(cháng)度的函數，以及由扇出走線(xiàn)創(chuàng )建的網(wǎng)絡(luò )輸入阻抗（頸縮后）。

對信號波長(cháng)所需的長(cháng)度使用 10% 的限制作為一個(gè)很好的近似值。對拐點(diǎn)頻率為 20GHz 的數字信號謹慎的 10% 限制將導致臨界長(cháng)度為 0.73mm（FR4 基板中的帶狀線(xiàn)）。這意味著(zhù)更大的 IC，比如 FPGA，需要為單端和差分對提供阻抗匹配的扇出。

過(guò)孔電感、電路板和焊盤(pán)之間的寄生電容以及 IC 中的引腳電感至關(guān)重要。低通T濾波器電路由這些部分組合而成。3dB 截止頻率只是可以從 LC 諧振電路評估的典型數字，前提是通孔電感設置為等于引腳電感。該 T 濾波器電路用作阻抗匹配電路，修改驅動(dòng)器 IC 的輸出阻抗。

以通孔電感、電路板與焊盤(pán)之間的寄生電容以及引腳電感為主要部件的低通T濾波器電路。

如果不確定將扇出跡線(xiàn)連接到內部跡線(xiàn)的過(guò)孔部分阻抗，則扇出部分的阻抗匹配是困難的。然而，只要過(guò)孔部分很短并且直接跨越幾層，這個(gè)事實(shí)就可以被忽略。包括通孔和內部走線(xiàn)在內的總輸入阻抗由跨越少量層的內部走線(xiàn)阻抗決定。這就是為什么通常不考慮通孔阻抗的原因。

主要缺點(diǎn)是高速 BGA 組件（例如 FPGA）可能需要回鉆以去除 BGA 扇出下方的殘留通孔存根。使用 HDI 時(shí)，使用直徑非常小的盲孔、埋孔和激光鉆孔微孔（根據 IPC 小于 6 密耳），這消除了背鉆孔并將通孔電感限制在跨越層的厚度。

由于層厚和到走線(xiàn)參考平面的距離會(huì )隨著(zhù)層數的增加而減少，因此必須減小走線(xiàn)寬度以補償并將阻抗保持在適當的值。如果您使用差分對，請考慮走線(xiàn)耦合。為了實(shí)現阻抗控制，帶有集成場(chǎng)解算器的PCB設計軟件可以幫助為 HDI 層堆疊設計正確的走線(xiàn)寬度。

為什么走線(xiàn)寬度不能大于焊盤(pán)尺寸？

走線(xiàn)的寬度與其阻抗成正比，并且在您進(jìn)入 HDI 狀態(tài)時(shí)起著(zhù)至關(guān)重要的作用。過(guò)孔將變得非常小，以至于一旦走線(xiàn)寬度足夠小，就必須將它們制造為微孔。

如果阻抗控制的走線(xiàn)寬度過(guò)寬，要么減小PCB層壓板的厚度以縮小它，要么增加焊盤(pán)尺寸。從可靠性的角度來(lái)看，只要焊盤(pán)尺寸超過(guò) IPC 標準中規定的數字就可以了。

為 PCB堆疊創(chuàng )建阻抗曲線(xiàn)，并將該寬度用作設計指南。在計算阻抗控制所需的寬度后，只需將此值指定為設計規則即可。最好針對建議的走線(xiàn)寬度執行串擾模擬，以查看是否會(huì )導致過(guò)度串擾。

HDI 中的阻抗匹配與保持信號質(zhì)量有關(guān)，因為組件和走線(xiàn)都間隔很近。因此，控制阻抗成為一項令人難以置信的任務(wù)。有效使用微孔是阻抗匹配 HDI 系統的關(guān)鍵。更細間距 BGA 的逃逸布線(xiàn)技術(shù)和狗骨扇出方法可用于實(shí)現 HDI 中的阻抗匹配。