本文要點:

高密互連 PCB 設計案例

用于 HDI 設計的過孔

使用設計規則進行有效過孔管理

正如五金店里需要管理并陳列各種類型、公制、材質、長度、寬度和螺距等的釘子、螺絲類安裝件，PCB 設計領域中也需要管理過孔這樣的設計對象，尤其在高密設計中更是如此。傳統的PCB設計可能只使用幾種不同的過孔，但如今的高密互連 (HDI) 設計則需要許多不同類型和尺寸的過孔。而每一個過孔都需要被加以管理，從而被正確地使用，確保最大程度提高電路板性能和無誤差可制造性。本文將詳細闡述在 PCB 設計中管理高密過孔的需求，以及如何實現這一需求。

驅動高密PCB設計的因素

隨著市場對小型電子設備的需求不斷增長，驅動這些設備的印刷電路板也不得不隨之縮小，以便能安裝到設備中。與此同時，為了滿足性能提升要求，電子設備不得不在電路板上增加更多的器件和電路。PCB 器件的尺寸在不斷減小，而引腳數量卻在增加，因此不得不使用更小的引腳和更緊密的間距來進行設計，這一切讓問題更加復雜。對于 PCB 設計師來說，這相當于袋子越來越小，而里面裝的東西越來越多。傳統的電路板設計方法很快就達到了極限。

顯微鏡下的印刷電路板過孔

為了滿足在更小的電路板尺寸上增加更多電路的需求，一種新的 PCB 設計方法應運而生——高密互連，簡稱 HDI。HDI 設計采用了更先進的電路板制造技術，線寬更小，材料更薄，具備盲孔和埋孔或者用激光鉆出來的微孔。得益于這些高密特性，更小的電路板上可以布置更多的電路，并為多引腳集成電路提供了可行的連接解決方案。

使用這些高密過孔還帶來了其他幾個好處：

布線通道：由于盲孔和埋孔以及微孔不穿透板層堆疊，這在設計中創造了額外的布線通道。通過有策略地放置這些不同的過孔，設計師可以為擁有數百個引腳的器件布線。如果只使用標準的通孔，引腳如此之多的器件通常會阻塞所有的內層布線通道。

信號完整性：小型電子設備上的許多信號也有特定的信號完整性要求，而通孔不能滿足此類設計要求。這些過孔會形成天線，引入EMI問題，或者影響關鍵網絡的信號返回路徑。使用盲孔和埋孔或者微孔，則可以消除潛在的因為使用通孔而造成的信號完整性問題。

為了更好地理解上文所說的這些過孔，我們接下來看一下在高密設計中可以使用的不同類型的過孔及其應用。

PCB 設計工具中的過孔列表顯示了不同過孔的類型和配置

高密互連過孔的類型和結構

過孔是電路板上連通兩層或兩層以上堆疊的孔洞。通常來說，過孔將走線承載的信號從電路板的一層傳輸到另一層相應的走線上。為了在走線層之間傳導信號，過孔在制造過程中被鍍上金屬。根據具體用途，過孔的尺寸和焊盤各不相同。較小的過孔用于信號布線，而較大的過孔則用于電源和接地布線，或幫助過熱的器件散熱。

電路板上不同類型的過孔

通孔

通孔是雙面印刷電路板自首次問世以來一直在使用的標準過孔。孔洞是以機械方式鉆出，穿透整個電路板，并采用電鍍工藝。然而，機械鉆頭能鉆出的最小孔徑有一定局限性，取決于鉆徑與板厚的縱橫比。一般來說，通孔的孔徑不小于 0.15 毫米。

盲孔

這種過孔像通孔一樣，也是以機械方式鉆出，但采用了更多的制造步驟，只從表面鉆穿部分板層。盲孔也同樣面臨著鉆頭尺寸限制問題；但取決于位于電路板的哪一面，我們可以在盲孔的上方或下方進行布線。

埋孔

埋孔與盲孔一樣，也是以機械方式鉆出，但起止于電路板的內層而不是表層。由于需要埋入板層堆疊，這種過孔也需要額外的制造步驟。

微孔

這種過孔是用激光燒蝕，孔徑小于機械鉆頭的 0.15 毫米限制。由于微孔只跨越電路板的相鄰兩層，其縱橫比使可供電鍍的孔洞要小得多。微孔也可以放置在電路板的表層或內部。微孔通常是填充和電鍍的，基本上是隱藏式的，因此可以放置在球柵陣列 (BGA) 等元件的表面貼裝元件焊球中。由于孔徑小，微孔所需要的焊盤也比普通過孔小得多，大約為 0.300 毫米。

用于高密設計的典型微孔

根據設計需求，可以對以上不同類型的過孔進行配置，使它們配合工作。例如，微孔可以與其他微孔疊放在一起，也可以與埋孔疊放在一起。這些過孔也可以交錯排列。如前所述，微孔可以放置在表面貼裝元件引腳的焊盤內。由于沒有了從表面貼裝焊盤到扇出過孔的傳統走線，布線擁塞的問題得到進一步緩解。

以上不同類型的過孔可以用于 HDI 設計。接下來，我們看看 PCB 設計人員如何才能有效地管理過孔的使用。

PCB設計CAD工具中的高密過孔管理

雖然只有少數幾種類型的過孔可用于 PCB 設計，但有許多方法可以創造出不同的過孔大小和形狀。用于電源和接地連接的通孔，通常比用于常規布線的通孔更大，放置在擁有幾百個引腳的大型 BGA 元件底部的過孔除外。對于這些，除了BGA 焊盤以外，可能還需要表面貼裝焊盤中的微孔。雖然較大的元件將受益于微孔的使用，但微孔并不適合引腳較少的常規表面貼裝元件；對于這種布線則建議使用標準的通孔。這些通孔比電源和接地過孔更小，而用于散熱的通孔更大。此外，還可以使用各種不同尺寸的盲孔和埋孔。

顯然，在 HDI 設計中，由于需要許多不同的過孔來滿足所有的設計需求，因此容易使人不知所措。雖然設計師可以跟蹤其中的幾個過孔，但隨著過孔的尺寸規格越來越多，過孔變得越來越難以管理。不僅設計師必須管理所有這些過孔，而且根據電路板的區域，不同的過孔可以用于同一個網絡。例如，時鐘信號可以通過 SMT 焊盤中的微孔從 BGA 引腳走線出去，但隨后會在那條線路的下一段回到埋孔。但對于這個網絡，最好不要使用傳統式過孔，因為額外的筒狀孔壁可能會在線路上產生不必要的天線。

那么，如何更好地管理過孔呢？Cadence? Allegro? PCB Designer為設計師提供了有效的高密過孔管理功能。

利用 Allegro PCB Designer 的規則管理來系統地管理過孔間距

使用先進的規則管理系統

Cadence Allegro PCB Designer 的規則管理器可為每個網絡分配一個或多個過孔用于布線。這將減輕設計師在連接每個網絡時手動篩選所有可用過孔的壓力。也可以為網絡組設置網絡類，這些網絡類可以分配特定的過孔，大大簡化了手動管理。此外，可以為過孔或者電路板的特定層和區域全局分配間距等多個過孔約束；還可以為正在處理的不同過孔類型指定間距約束。

文章來源： Cadence楷登PCB及封裝資源中心

審核編輯 黃宇