高速HDI电路板设计过程的考虑

411543659

<>

<>

高速HDI电路板设计过程的考虑

发布:2006-11-14 11:00:51   　编辑: bruce

摘  要：高密度互连(HDI)印制电路板现今正逐步得到广泛应用。传统的HDI电路板应用于便携式产品和半导体封装两类产品中。该文将专注于HDI快速成长的第三类应用：高速工业系统应用，这类应用于电信、计算机系统的印制电路板不同于前述两类的地方在于：PCB板面尺寸大、关注重点是电气性能，而且导线的挑战在于非常复杂的PBGA和CCGA的封装。 　　对设计人员而言，首先要注意的是不顾设计最好的意图而设计高速系统，需要了解在系统中如何使用材料来满足物理器件的性能指标。PCB的材质选择、层叠结构和设计规则将影响电气性能（比如：特性阻抗、串扰和信号调节）。器件密度也将显示出PCB布线规则、设计规范、材质选用和微孔结构选择的功能。埋、盲孔对那些复杂的、多次积层的电路板而言是简单的结构。相比材质的稳定性、板面处理和设计规则而言，组装过程的问题会在电路测试中得到确认。 　　关键词：高密度互连 特性阻抗 串扰 设计规则 埋孔 盲孔  背胶铜箔 低压差分信号 突破模式 信号完整性 　　1 ．引言： HDI的三类典型应用平台 　　HDI产品的分类是由于近期HDI的发展及其产品的强劲需求而决定。移动通信公司以及他们的供应商在这个领域扮演了先锋作用并确定了许多标准。相应的，产品的需求也促使批量生产的技术局限发生改变，价格也变的更实惠。日本的消费类产业已经在HDI产品方面走在了前面。计算机与网络界还没有感受到HDI技术脚步走近的强大压力，但由于元件密度的增长，很快他们将面临这样的压力并启用HDI技术。鉴于不断缩小的间距和不断增长的I/O数，在倒装芯片封装上使用HDI基板的优点是非常明显的。 　　HDI技术可分为几种技术类型。HDI产品的主要驱动力是来自移动通信产品，高端的计算机产品和封装用基板。这几类产品在技术上的需求是完全不同的，因此HDI技术不是一种，而是有数种，具体分类如下： 　　小型化用HDI产品 　　高密度基板和细分功能用HDI产品 　　高层数HDI产品 　　1.1 小型化HDI产品 　　HDI产品小型化最初是指成品尺寸和重量的缩减，这是通过自身的布线密度设计以及使用新的诸如uBGAs这样的高密度器件来实现。在大多数情况下，即使产品价格保持稳定或下滑，其功能却不断增强。内部互连采用埋孔工艺结构的主要是6层或者8层板。产品其它特性则包括如下一些：采用10mil的焊盘，3-5mil的过孔，大部分采用4mil 的线宽/线距，板厚也控制在40mil以内，采用FR4或具有高的Tg.（160 ℃）的FR4 基材。图1-1描述HDI的基本结构和主要设计规则。 　　该技术是在HDI技术中处于领先地位。密度设计提供了较小尺寸和较高的密度，其中就包括了uBGA或倒装芯片的引脚。 Fig1-1 消费类产品的小型化

第一页 >1 >2 >3 >4 最后一页

发布:2006-11-14 11:00:51 编辑:bruce 作者: 来源:PCBCITY 阅读: 共187次

411543659

<>

1.2 高密度基板HDI产品 　　高密度基板的HDI板主要集中在4层或6层板，层间以埋孔实现互连，其中至少两层有微孔。其目的是满足倒装芯片高密度I/O数增加的需求。该技术很快将会与HDI融合从而实现产品小型化。图1-2描述了典型的基板结构。 　　该技术适用于倒装芯片或者邦定用基板，微孔工艺为高密度倒装芯片提供了足够的间距，即使2+2结构的HDI 产品也需要用到该技术。 Fig 1-2 封装用的高密度IC基板 1.3 高层数HDI产品 　　高层数HDI板通常是第1层到第2层或第1层到第3层有激光钻孔的传统多层板。采用必须的顺序叠层工艺，在玻璃增强材料上进行微孔加工是另一特点。该技术的目的是预留足够的元件空间以确保要求的阻抗水平。图1-3描述了该类典型的多层板结构。 　　该技术适用于拥有高I/O数或细间距元件的高层数HDI板，埋孔工艺在该类产品中并非是必要工艺，微孔工艺的目的仅仅在于形成高密度器件（如高I/O元件、uBGA）间的间距，HDI产品的介电材料可以是背胶铜箔（RCF）或者半固化片（prepreg）。 Fig 1-3 高性能产品的高层数板 2. 高性能产品平台 　　高性能HDI产品的发展有5个主要驱动因素必须予以考虑，这几个因素相互交替作用。这些因素分别是： 　　电路（信号完整性） 　　元件 　　基材 　　叠层与设计规则 　　组装过程的考虑 　　设计这种带微孔的印制电路板是非常复杂的任务，虽然电路由于考虑了信号完整性显得极为重要的，但是成本的因素也不容忽视。基于此，实际操作中必须考虑折中的方案。 2.1 电路（信号完整性）考虑 　　实际电路的性能因信号上升时间的不同而有所差别，由于这些面积较大、性能要求较高的HDI板处理的是高速的计算机总线或电信信号，它们对于噪声和信号反射非常敏感。以下5个最本质的特性可描述出信号的敏感度： 　　特性阻抗 　　低压差分信号（LVDS） 　　信号衰减 　　噪音敏感度 　　串音干扰 　　信号完整性因素 　　单端的微带线、带状线、共面和差分信号的特性阻抗是由基材的介电常数、板厚、层叠结构、设计规则共同决定的。信号的衰减是材料的介电损耗、设计规则和线路长度共同作用的结果。包括串扰在内的各种噪音如： 地平面反弹噪声（ground bounce） ，开关噪声（switching noise），电源峰值噪声（Power supply spikes）等，则是由板的叠层结构确定的电源耦合、地层、设计规则和原材料特性共同作用的结果。 　　改善高速信号板的信号完整性的一个主要目标就是降低电感。低电感值的SMT 焊盘通常是那些没有走线或采用 VIP （Via-in-pad）工艺的焊盘。图2-1说明一个微孔的电感和电容值仅是一个标准通孔的十分之一左右。 Fig2-1 通孔与微孔的电气性能比较

411543659

<>

2.2 元件的考虑 　　高I/O数、细间距的BGA和uBGA技术日新月异，这些技术的普遍使用正是微孔工艺在这些面积较大的多层板中得到广泛采用的重要原因。即使器件采用更精细的1.0或0.8mm的间距，由于I/O数量的不断增加，元件依然很大，这就增加信号线布线的难度。一些大而复杂的BGA就通过采用共熔（co-fired）陶瓷基板来解决这些问题，如果一边的陶瓷快接近32-34mm的时候，焊料柱将替代焊料球。如下因素将影响设计： 　　SMT间距 　　 I/O数 　　元件尺寸 　　焊料球/焊料柱 　　图2-2描述了一些新的面积阵列元件，这些元件要求采用微孔工艺实现信号的有效传输。左侧是384个引脚焊料球、0.8mm间距的uBGA器件，右侧是1247个引脚焊料柱、1.0mm间距的CCGA（Ceramic Column Grid Array）器件。 Fig2-2 具有更高I/O数和更精细间距的新型BGA 2.3 基材的考虑 　　高性能多层板的基材特性是首要考虑的因素。下述黑体部分的5个基材特性与其它设计因素相互影响。 　　板厚 　　介电常数（Dk） 　　耗散因素（Dj）/介质损耗角 　　线性热膨胀系数(CTE) 　　玻璃转变温度（Tg） 　　介电常数（Dk）和耗散因素是影响电气性能最主要的两个特性。从图2-3可知，许多不含环氧材料的树脂可被采用，也可使用多种类型的增强纤维材料（包括不含增强材料的背胶铜箔（RCF—Resin Coated Foil））。前述的两个因素的结合决定了基材的介电性能，树脂也有典型的玻璃转变温度——Tg值。图2-4列举了一些典型的高性能材料。 Fig2-3 不同类别的新型介电质与高性能树脂和增强材料比较 Fig2-4 应用于有机基板的不同类型的树脂纤维电气性能一览表

411543659

<>

2.5 组装过程的考虑 　　设计中需要考虑的最后一个因素就是组装工艺，如下四个必要的设计特点需要考虑进去： 　　在线测试性 　　SMT组装间距 　　板面大小（关系到印刷焊料钢板大小） 　　返修 　　如果采用了VIP工艺，那么在线测试的可行性则成为最主要的挑战。这是因为对大的面积阵列元件，VIP技术无法使用突破模式，而是直接嵌入到板内，所以添加测试盘必须考虑到不能损害信号完整性，同时由于X-Y向的热膨胀系数的改变，所以也要注意组装后的板面尺寸变化。如果板面尺寸较大并且印刷焊料的钢板工作片的参考数据点是以一个拐角为基准的，那么在径向每一线性英寸的改变将会使板面尺寸与其它拐角产生0.4英寸的偏差；对一片12inch×16inch板而言，在它较远的拐角则可能产生高达5—7mil的偏差。如果采用了细间距的uBGA，这将是焊接不良的主要原因，对这类器件而言是无法返修的。 　　 要想返修比较可行，基材特性显得尤为重要，在拆卸元件、重焊焊盘以及重新安装新器件的时候，基材要能经受住集中的热冲击还不能导致剥离。 3. 结论 　　高性能HDI类产品是复杂元件的载体，这类产品具有如下特点：有高的I/O数、更精细的间距、电路的运行频率极高和信号上升时间很快。这样就对信号完整性要求非常严格，自然的也对基材要求严格，过孔结构、叠层方案、设计规则的选择更加复杂。 　　通过图3-1可以了解所有这些驱动力的优点，该图显示的是一个12层HDI的第一类多层板，该板中有四层具有埋孔，第一到第五层有盲孔。该板就用于连接六片有1247个I/O 陶瓷焊料柱的阵列器件（1.0mm 的间距），与该板具有等效功能的通孔多层板的层数则会高达24层，对连接系统而言，这样的厚度太厚，而且还将导致过多的噪声和信号损失等不良后果。 Fig3-1 12 层HDI高性能多层板图例

411543659

<>

2.4 叠层的考虑 　　板的叠层和设计规则的不确定性对印制电路板生产商有一定的影响，这就要求控制在生产商的生产能力范围内否则设计目标无法达到。如下因素至关重要： 　　板厚 　　VIP工艺 　　设计规则 　　过孔结构 　　突破模式 　　采用微孔工艺的VIP技术很容易达到8mil（0.2mm）的焊盘，要比埋孔大一些。图2-5说明了该情况下的设计规则，即信号层和设计规则所确定的传输线路的容量要比元件和电路要求的传输线路的容量大。 Fig 2-5 线路容量图示 　　现实中有许多预测线路需求的模型，下面提供了八类常用的模型： 　　HP''s Design Dense Index 　　Toshiba Technology Map 　　Equivalent Ics Per Square Inch 　　 Coors,Anderson & Seward''s Statistical Wiring Length Technique 　　Rent''s Rule Techniques 　　Section Crossing Technique 　　Geometric Approach 　　Seraphim Wiring Factor 　　根据线路需求的评估，不同线路的容量是可以预测的，设计规则和叠层结构则决定了这个容量。下表为当前产业界的能力： 　　特点 　　　　　 传统PCB  传统HP-HDI  PBGA/MCML HDI  高I/O的倒装芯片   　　最小线宽（mil）  4  5  3  1.6   　　最小线距（mil）  4  5  3  2.0   　　最小焊盘间距（mil）  14  20  10  9.3   　　焊盘最小直径（mil）  20  12-14  12  4-5   　　过孔形成方法  机械钻孔  光致成孔/激光成孔  光致/激光/等离子成孔  多束激光成孔   　　最小过孔直径（mil）  10  4-6  3-7  2.5-3.5   　　焊盘表面处理  SOS Bumps  所有  Ni-Au  Microbumps   　　　　　　　　　　目前产业界生产能力比较   　　图 2-6 描述了最常见的HDI结构，这六种结构遵循了最新的IPC-2315规范，最前面的四类使用频率最高。 Fig2-6 高性能HDI多层板中最常见结构