PCB设计管理(lǐ)高密度通孔

2020-12-02

在PCB设计领域，我们没有(yǒu)太多(duō)需要跟踪的项目。但是，有(yǒu)很(hěn)多(duō)设计对象（例如通孔）确实需要管理(lǐ)，尤其是在高密度设计中。尽管较早的设计可(kě)能(néng)仅使用(yòng)了几个不同的通孔，但当今的高密度互连（HDI）设计需要许多(duō)不同的类型和尺寸。这些通孔中的每一个都需要进行管理(lǐ)[链接到管理(lǐ)约束条件]，以便正确使用(yòng)它以确保最佳的電(diàn)路板性能(néng)和无错误的可(kě)制造性。让我们仔细研究一下PCB设计中管理(lǐ)高密度通孔的需求以及如何做到这一点。

驱动高密度印刷電(diàn)路板设计的注意事项

随着对小(xiǎo)型電(diàn)子设备的需求的增加，驱动它们的印刷電(diàn)路板必须与它们一起缩小(xiǎo)以便装入盒子中。同时，電(diàn)子产品必须通过向板上添加更多(duō)组件和電(diàn)路来响应对增强功能(néng)的要求。使问题进一步复杂化的是，PCB组件的尺寸不断减小(xiǎo)，而引脚数量却不断增加，这迫使使用(yòng)间距更窄的较小(xiǎo)引脚。对于PCB设计人员来说，袋子变得越来越小(xiǎo)，而装入袋子中的所有(yǒu)东西都变得越来越大，很(hěn)快传统的電(diàn)路板设计方法就达到了极限。

為(wèi)了适应在较小(xiǎo)的板尺寸上增加電(diàn)路的需求，引入了一种新(xīn)的PCB设计方法，即高密度互连或HDI。这些设计利用(yòng)更新(xīn)的制造技术来构建具有(yǒu)较小(xiǎo)線(xiàn)宽和更薄材料以及盲孔和埋孔或激光钻孔微孔的電(diàn)路板。这些高密度特性共同使能(néng)在電(diàn)路板的较小(xiǎo)面积上制造更多(duō)的電(diàn)路，并為(wèi)大引脚数IC提供了可(kě)行的连接解决方案。 

这些高密度通孔的使用(yòng)还带来了其他(tā)一些好处：

布線(xiàn)通道：由于盲孔和掩埋通孔以及微孔不会一直贯穿板层堆叠，因此在设计中打开了其他(tā)布線(xiàn)通道。通过策略性地放置这些不同的通孔，设计人员现在可(kě)以将其上具有(yǒu)数百个引脚的零件布線(xiàn)。如果仅使用(yòng)标准的通孔，则具有(yǒu)这么多(duō)引脚的组件通常会阻塞所有(yǒu)内层布線(xiàn)通道。

信号完整性：这些设备上的许多(duō)信号也具有(yǒu)特定的信号完整性要求，这些要求可(kě)能(néng)会受到通孔通孔筒全長(cháng)的影响。这些过孔可(kě)以充当辐射EMI的天線(xiàn)，或影响关键网络的信号返回路径。但是，使用(yòng)盲孔和埋孔或微孔可(kě)以消除通孔过長(cháng)导致的信号完整性问题。

為(wèi)了更好地了解正在讨论的通孔，我们接下来将研究可(kě)用(yòng)于高密度设计的通孔的不同类型和应用(yòng)。

 

PCB设计工具中的过孔列表显示了不同过孔的类型和配置

通过类型和结构进行高密度互连

通孔是電(diàn)路板上的孔，用(yòng)于连接堆叠中的两层或更多(duō)层。通常，通孔会传导一条信号，该信号在走線(xiàn)上从板的一层传播到另一层上的相应走線(xiàn)。為(wèi)了在走線(xiàn)层之间传导信号，在制造过程中对通孔镀上金属。根据用(yòng)途，过孔会带有(yǒu)不同大小(xiǎo)的孔和金属焊盘。较小(xiǎo)的过孔用(yòng)于信号布線(xiàn)，而较大的过孔用(yòng)于電(diàn)源和接地布線(xiàn)，或有(yǒu)助于缓解发热的组件。

这是您将在電(diàn)路板上使用(yòng)的不同类型的过孔：

通孔：通孔是自首次引入双面印刷電(diàn)路板以来一直使用(yòng)的标准通孔。在整个板上机械钻孔并電(diàn)镀。但是，机械钻头的钻孔能(néng)力确实受到限制，这取决于钻头直径与板厚相比的長(cháng)宽比。通常，无法可(kě)靠地对任何小(xiǎo)于0.15毫米或0.006英寸的通孔进行钻孔或電(diàn)镀。 

盲孔：也像通孔一样，也对孔进行机械钻孔，但是使用(yòng)额外的制造步骤仅从表面钻出部分(fēn)板层。这些通孔也具有(yǒu)与通孔相同的钻孔尺寸限制，但是它们确实允许在其上方或下方的附加布線(xiàn)通道，具體(tǐ)取决于它们所在的板的侧面。

埋入式：就像盲孔一样，埋入式通孔是通过机械方式钻孔的，但是它在板的内层上开始和停止，而不是从表面层出来。由于该通孔被掩埋在板层堆叠中，因此还需要额外的制造步骤。

Microvia：用(yòng)激光打孔此过孔，以创建一个小(xiǎo)于机械钻头0.15毫米限制的孔。由于微孔将仅跨越板的两个相邻层，因此其長(cháng)宽比允许使用(yòng)较小(xiǎo)的電(diàn)镀孔。也可(kě)以将其放置在板表层或内部。通常会对微孔进行填充和電(diàn)镀，以便将其基本隐藏起来，从而可(kě)以将其放置在用(yòng)于球栅阵列（BGA）等零件的表面安装元件焊盘中。由于其通孔尺寸较小(xiǎo)，微通孔还需要比常规通孔小(xiǎo)得多(duō)的焊盘，尺寸约為(wèi)0.300毫米或0.012英寸。

 

高密度设计中使用(yòng)的典型微孔示意图

根据设计的需要，这些不同的通孔类型也可(kě)以配置為(wèi)以不同的模式一起工作。例如，微通孔可(kě)以与其他(tā)微通孔堆叠在一起，或者它们可(kě)以与掩埋通孔堆叠在一起。这些过孔也可(kě)以彼此交错排列。如前所述，微孔可(kě)用(yòng)于表面安装元件引脚的焊盘内。通过消除传统的从表面贴装技术（SMT）焊盘向外延伸到逃逸通孔的走線(xiàn)，这进一步缓解了走線(xiàn)布線(xiàn)的拥塞。

这些是可(kě)以在HDI设计中使用(yòng)的不同类型的通孔。接下来，我们将研究PCB设计人员如何最好地管理(lǐ)其使用(yòng)。

尽管在PCB设计中只能(néng)使用(yòng)几种类型的通孔，但是可(kě)以创建不同通孔尺寸和形状的方法没有(yǒu)尽头。電(diàn)源和接地连接通常会使用(yòng)比常规布線(xiàn)更大的通孔，但大型BGA部件的底侧有(yǒu)数百个引脚。对于那些，表面贴装垫中的微孔可(kě)能(néng)需要与其他(tā)BGA焊盘一起使用(yòng)。尽管其中一些较大的零件将受益于微通孔的使用(yòng)，但引脚较少的常规表面安装零件却不会，而标准的通孔可(kě)用(yòng)于其布線(xiàn)。这些通孔的通孔将小(xiǎo)于電(diàn)源和接地通孔，而用(yòng)于散热的通孔的通孔甚至更大。然后，可(kě)以使用(yòng)所有(yǒu)不同大小(xiǎo)的盲孔和埋孔。

毋庸置疑，在HDI设计上，可(kě)能(néng)需要数十个不同的过孔来满足所有(yǒu)设计要求，这可(kě)能(néng)会造成一些混乱。尽管设计师可(kě)能(néng)会跟踪其中的几种，但随着不同尺寸数量的增加，通孔变得越来越难以管理(lǐ)。设计人员不仅必须跟踪所有(yǒu)这些通孔，而且根据所用(yòng)電(diàn)路板的面积，可(kě)以在同一网上使用(yòng)不同的通孔。例如，时钟信号可(kě)能(néng)会使用(yòng)SMT焊盘中的微孔从BGA引脚引出，但随后会通过線(xiàn)路的下端返回到掩埋。但是您不希望為(wèi)此网络使用(yòng)通孔通孔，因為(wèi)通孔桶的额外長(cháng)度可(kě)能(néng)会在该線(xiàn)路上形成多(duō)余的天線(xiàn)。