PCB設(shè)計管理高密度通孔
在PCB設(shè)計領(lǐng)域，我們沒有太多需要跟蹤的項目。但是，有很多設(shè)計對象（例如通孔）確實需要管理，尤其是在高密度設(shè)計中。盡管較早的設(shè)計可能僅使用了幾個不同的通孔，但當(dāng)今的高密度互連（HDI）設(shè)計需要許多不同的類型和尺寸。這些通孔中的每一個都需要進行管理[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錯誤的可制造性。讓我們仔細研究一下PCB設(shè)計中管理高密度通孔的需求以及如何做到這一點。
驅(qū)動高密度印刷電路板設(shè)計的注意事項
隨著對小型電子設(shè)備的需求的增加，驅(qū)動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，電子產(chǎn)品必須通過向板上添加更多組件和電路來響應(yīng)對增強功能的要求。使問題進一步復(fù)雜化的是，PCB組件的尺寸不斷減小，而引腳數(shù)量卻不斷增加，這迫使使用間距更窄的較小引腳。對于PCB設(shè)計人員來說，袋子變得越來越小，而裝入袋子中的所有東西都變得越來越大，很快傳統(tǒng)的電路板設(shè)計方法就達到了極限。
為了適應(yīng)在較小的板尺寸上增加電路的需求，引入了一種新的PCB設(shè)計方法，即高密度互連或HDI。這些設(shè)計利用更新的制造技術(shù)來構(gòu)建具有較小線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(shù)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了其他一些好處：
布線通道：由于盲孔和掩埋通孔以及微孔不會一直貫穿板層堆疊，因此在設(shè)計中打開了其他布線通道。通過策略性地放置這些不同的通孔，設(shè)計人員現(xiàn)在可以將其上具有數(shù)百個引腳的零件布線。如果僅使用標(biāo)準(zhǔn)的通孔，則具有這么多引腳的組件通常會阻塞所有內(nèi)層布線通道。
信號完整性：這些設(shè)備上的許多信號也具有特定的信號完整性要求，這些要求可能會受到通孔通孔筒全長的影響。這些過孔可以充當(dāng)輻射EMI的天線，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長導(dǎo)致的信號完整性問題。
為了更好地了解正在討論的通孔，我們接下來將研究可用于高密度設(shè)計的通孔的不同類型和應(yīng)用。
PCB設(shè)計工具中的過孔列表顯示了不同過孔的類型和配置
通過類型和結(jié)構(gòu)進行高密度互連
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，通孔會傳導(dǎo)一條信號，該信號在走線上從板的一層傳播到另一層上的相應(yīng)走線。為了在走線層之間傳導(dǎo)信號，在制造過程中對通孔鍍上金屬。根據(jù)用途，過孔會帶有不同大小的孔和金屬焊盤。較小的過孔用于信號布線，而較大的過孔用于電源和接地布線，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型的過孔：
通孔：通孔是自首次引入雙面印刷電路板以來一直使用的標(biāo)準(zhǔn)通孔。在整個板上機械鉆孔并電鍍。但是，機械鉆頭的鉆孔能力確實受到限制，這取決于鉆頭直徑與板厚相比的長寬比。通常，無法可靠地對任何小于0.15毫米或0.006英寸的通孔進行鉆孔或電鍍。
盲孔：也像通孔一樣，也對孔進行機械鉆孔，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，但是它們確實允許在其上方或下方的附加布線通道，具體取決于它們所在的板的側(cè)面。
埋入式：就像盲孔一樣，埋入式通孔是通過機械方式鉆孔的，但是它在板的內(nèi)層上開始和停止，而不是從表面層出來。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：用激光打孔此過孔，以創(chuàng)建一個小于機械鉆頭0.15毫米限制的孔。由于微孔將僅跨越板的兩個相鄰層，因此其長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(nèi)部。通常會對微孔進行填充和電鍍，以便將其基本隱藏起來，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中。由于其通孔尺寸較小，微通孔還需要比常規(guī)通孔小得多的焊盤，尺寸約為0.300毫米或0.012英寸。
高密度設(shè)計中使用的典型微孔示意圖
根據(jù)設(shè)計的需要，這些不同的通孔類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內(nèi)。通過消除傳統(tǒng)的從表面貼裝技術(shù)（SMT）焊盤向外延伸到逃逸通孔的走線，這進一步緩解了走線布線的擁塞。
這些是可以在HDI設(shè)計中使用的不同類型的通孔。接下來，我們將研究PCB設(shè)計人員如何最好地管理其使用。
盡管在PCB設(shè)計中只能使用幾種類型的通孔，但是可以創(chuàng)建不同通孔尺寸和形狀的方法沒有盡頭。電源和接地連接通常會使用比常規(guī)布線更大的通孔，但大型BGA部件的底側(cè)有數(shù)百個引腳。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(guī)表面安裝零件卻不會，而標(biāo)準(zhǔn)的通孔可用于其布線。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(shè)計上，可能需要數(shù)十個不同的過孔來滿足所有設(shè)計要求，這可能會造成一些混亂。盡管設(shè)計師可能會跟蹤其中的幾種，但隨著不同尺寸數(shù)量的增加，通孔變得越來越難以管理。設(shè)計人員不僅必須跟蹤所有這些通孔，而且根據(jù)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，時鐘信號可能會使用SMT焊盤中的微孔從BGA引腳引出，但隨后會通過線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度可能會在該線路上形成多余的天線。
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驅(qū)動高密度印刷電路板設(shè)計的注意事項
隨著對小型電子設(shè)備的需求的增加，驅(qū)動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，電子產(chǎn)品必須通過向板上添加更多組件和電路來響應(yīng)對增強功能的要求。使問題進一步復(fù)雜化的是，PCB組件的尺寸不斷減小，而引腳數(shù)量卻不斷增加，這迫使使用間距更窄的較小引腳。對于PCB設(shè)計人員來說，袋子變得越來越小，而裝入袋子中的所有東西都變得越來越大，很快傳統(tǒng)的電路板設(shè)計方法就達到了極限。
為了適應(yīng)在較小的板尺寸上增加電路的需求，引入了一種新的PCB設(shè)計方法，即高密度互連或HDI。這些設(shè)計利用更新的制造技術(shù)來構(gòu)建具有較小線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(shù)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了其他一些好處：
布線通道：由于盲孔和掩埋通孔以及微孔不會一直貫穿板層堆疊，因此在設(shè)計中打開了其他布線通道。通過策略性地放置這些不同的通孔，設(shè)計人員現(xiàn)在可以將其上具有數(shù)百個引腳的零件布線。如果僅使用標(biāo)準(zhǔn)的通孔，則具有這么多引腳的組件通常會阻塞所有內(nèi)層布線通道。
信號完整性：這些設(shè)備上的許多信號也具有特定的信號完整性要求，這些要求可能會受到通孔通孔筒全長的影響。這些過孔可以充當(dāng)輻射EMI的天線，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長導(dǎo)致的信號完整性問題。
為了更好地了解正在討論的通孔，我們接下來將研究可用于高密度設(shè)計的通孔的不同類型和應(yīng)用。
PCB設(shè)計工具中的過孔列表顯示了不同過孔的類型和配置
通過類型和結(jié)構(gòu)進行高密度互連
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，通孔會傳導(dǎo)一條信號，該信號在走線上從板的一層傳播到另一層上的相應(yīng)走線。為了在走線層之間傳導(dǎo)信號，在制造過程中對通孔鍍上金屬。根據(jù)用途，過孔會帶有不同大小的孔和金屬焊盤。較小的過孔用于信號布線，而較大的過孔用于電源和接地布線，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型的過孔：
通孔：通孔是自首次引入雙面印刷電路板以來一直使用的標(biāo)準(zhǔn)通孔。在整個板上機械鉆孔并電鍍。但是，機械鉆頭的鉆孔能力確實受到限制，這取決于鉆頭直徑與板厚相比的長寬比。通常，無法可靠地對任何小于0.15毫米或0.006英寸的通孔進行鉆孔或電鍍。
盲孔：也像通孔一樣，也對孔進行機械鉆孔，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，但是它們確實允許在其上方或下方的附加布線通道，具體取決于它們所在的板的側(cè)面。
埋入式：就像盲孔一樣，埋入式通孔是通過機械方式鉆孔的，但是它在板的內(nèi)層上開始和停止，而不是從表面層出來。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：用激光打孔此過孔，以創(chuàng)建一個小于機械鉆頭0.15毫米限制的孔。由于微孔將僅跨越板的兩個相鄰層，因此其長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(nèi)部。通常會對微孔進行填充和電鍍，以便將其基本隱藏起來，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中。由于其通孔尺寸較小，微通孔還需要比常規(guī)通孔小得多的焊盤，尺寸約為0.300毫米或0.012英寸。
高密度設(shè)計中使用的典型微孔示意圖
根據(jù)設(shè)計的需要，這些不同的通孔類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內(nèi)。通過消除傳統(tǒng)的從表面貼裝技術(shù)（SMT）焊盤向外延伸到逃逸通孔的走線，這進一步緩解了走線布線的擁塞。
這些是可以在HDI設(shè)計中使用的不同類型的通孔。接下來，我們將研究PCB設(shè)計人員如何最好地管理其使用。
盡管在PCB設(shè)計中只能使用幾種類型的通孔，但是可以創(chuàng)建不同通孔尺寸和形狀的方法沒有盡頭。電源和接地連接通常會使用比常規(guī)布線更大的通孔，但大型BGA部件的底側(cè)有數(shù)百個引腳。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(guī)表面安裝零件卻不會，而標(biāo)準(zhǔn)的通孔可用于其布線。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(shè)計上，可能需要數(shù)十個不同的過孔來滿足所有設(shè)計要求，這可能會造成一些混亂。盡管設(shè)計師可能會跟蹤其中的幾種，但隨著不同尺寸數(shù)量的增加，通孔變得越來越難以管理。設(shè)計人員不僅必須跟蹤所有這些通孔，而且根據(jù)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，時鐘信號可能會使用SMT焊盤中的微孔從BGA引腳引出，但隨后會通過線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度可能會在該線路上形成多余的天線。
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