日志
HDI技术在手持式产品中的设计应用
|
[摘要] HDI PCB技术相对于以前传统的PCB技术而言有很多的不同, 包括前期设计, PCB制造工艺, 制造完成后的测试方法, 等等. 本文只从前期设计的角度谈一些我个人的感受[摘要] HDI PCB技术相对于以前传统的PCB技术而言有很多的不同, 包括前期设计, PCB制造工艺, 制造完成后的测试方法, 等等. 本文只从前期设计的角度谈一些我个人的感受[摘要] HDI PCB技术相对于以前传统的PCB技术而言有很多的不同, 包括前期设计, PCB制造工艺, 制造完成后的测试方法, 等等. 本文只从前期设计的角度谈一些我个人的感受.
一、 HDI的定义
我是一名PCB Layout工程师, 每次发图时, 公司的业务总会问我:”你这次的PCB是HDI板吗?” 我也总是一次又一次的回答”是”或者”不是”。
到底什么是HDI板呢?
HDI是高密度连接板(High Density Interconnection)的简称. 定义为导体层厚<=1mil、绝缘层<3mil、线宽/线距<=4mil/4mil, 孔径<=6mil, I/O数>300的电路板, 具有体积小、速度快、频率高的优势。HDI是个人计算机、便携式计算机、 手机和个人数字助理的主要零组件。 雷射钻孔机为HDI高级工艺所必需的设备。
和HDI技术与制造有关的标准包括有IPC2315(HDI及微通孔设计指南), IPC4105(HDI及微通孔规范), IPC6016(HDI和多层板质量和性能规格)和IPC6801(表面积层工艺与HDI PCB的术语, 测试方法和设计样本)等等。
结合上述定义和我的经验体会, 我个人觉得, 判断一块PCB是否是HDI板主要看钻孔, 如果线路板上有雷射钻孔, 那它就一定是HDI板, 如果没有雷射钻孔就要具体分析, 看其它条件是否符合了。 二、 HDI的优势
我们先来了解一下雷射钻孔.
所谓雷射钻孔, 是相对于传统的‘机械钻孔’发展起来的‘非机械钻孔’中的一种成孔方式, 特点主要有二:
极大的缩小了钻孔在PCB上占用的表面积, 就我所知, 目前机械钻孔的最小normal尺寸为20mil/10mil(钻孔Pad直径/钻孔孔径), 而雷射钻孔目前的最小normal尺寸为10mil/4mil；
因为工艺的原因, 雷射钻孔只能做到相邻两层间的导通.
承接我的“如果线路板上有雷射钻孔, 那它就是HDI PCB”的个人观点, 当我们了解了雷射钻孔特点的同时, 也就了解了HDI技术的特点, 进而也知道了HDI技术的优势所在。
首先, 基本上所有的Layout工程师都知道, HDI技术可以使PCB的面积变得更小. 因为钻孔Pad直径的缩小, 钻孔所占面积只相当于原来的四分之一, 节约了大量表面空间用于布局布线；
其次, HDI技术可以使PCB变得更薄. 因为雷射钻孔只在相邻层间做互联, 不妨碍内在讯号层的布线, 节约了内在讯号层的空间, 从而大大提高了内在讯号层的布线密度, 台湾工研院的统计数据是利用率提高了30%. 这使得减少多层板的层数成为一种可能, PCB板也可以做得更薄；
第三, 因为HDI技术中的雷射钻孔只是导通相邻的两层, 所以这些钻孔不会破坏多层板内在电源层的完整性, 也不会破坏内在地层的完整性. 再配合HDI介质层薄的特点, 在高速信号处理越来越普遍的今天, 对PI(电源完整性)和SI(信号完整性)都有很大的帮助。 三、 HDI的适用范围
我所在的公司是专门从事手持式(也称‘掌上型’)消费类电子产品的开发和制造的, 而手持式电子产品的最大特点就是“整体要求轻、薄、短、小”, 所以当中的线路板的要求也是厚度越来越薄, 面积越来越小。同时, 为了提升产品的附加价值和性价比, 提高顾客的认同度, 产品的功能也越来越强大, 因此, PCB上的元器件越来越多, 集成度也越来越高, 布线密度也跟着’水涨船高’, 公司目前产品中80%以上的PCB的设计规格都达到了最小线宽/最小线距<=4mil/4mil + 钻
孔Pad直径/钻孔孔径=10mil/4mil.
我已在多个项目的PCB设计中采用了HDI设计, 产品包括了手机、数码相机、 个人数字助理、卫星定位仪、科学绘图仪等等。使用后的体会是：上节提到的三个优势都表现的非常明显.
以手机为例.
亚洲人喜欢折迭式手机, 这是地球人都知道的秘密, 亚洲市场上折迭式手机的销量是直板手机的几十倍.
几年前, 当我第一次接折迭式手机项目的主板设计任务时, 立即感觉到相当困难. 手机的体积缩小了许多, 加上耳机, 天线, 红外, 电池包等等机构配件, 留给电子利用的空间实在是有限, 所以PCB的面积也一减再减.
当我做完器件布局后, 看着计算机中的设计文件, 我自己都在怀疑是否能成功布线, 因为除去Shield Case附近, 其它所有的地方基本上都是一个挨着一个的元器件, 看上去连打孔的空间都没有. 几个设计人员讨论后, 决定采用HDI技术进行布线. 因为HDI技术所采用的雷射钻孔在制作时有塞孔的工艺, 不会在后期的SMT过程中发生漏锡等现象, 因此, 这些雷射钻孔可以直接打在器件的Pad上, 节省了空间.
结果, PCB板做得很成功.
事后, 我们有做过统计, 仅以这块手机主板而言, 板子上一共打了577个钻孔Pad直径/钻孔孔径=10mil/4mil规格的雷射钻孔, 以替代了516个20mil/10mil的传统机械钻孔(为保证电源线路上的电流值, 两种孔径的差异造成了钻孔数目上71个的差值), 其中, 直接打在Pad 上的雷射钻孔有489个.
计算一下, 雷射钻孔所占PCB表面积为:
π×( 10÷2 ) 2 ×( 577－89 )＝6908(mil2)＝4.5 (mm2)
传统机械钻孔所占PCB表面积为:
π×( 20÷2 ) 2 ×516＝162024(mil2) ＝104.5 (mm2)
两者差值为:
162024 － 6908 ＝ 155116 (mil2) ＝ 100 (mm2)
整块手机主板去掉机构的倒角和凹槽后, 近似一个74mm×40mm的长方形, 采用HDI雷射钻孔所节约的表面积占整个表面积的比例是:
100 ÷ ( 74 × 40 ) ＝ 3.4%
考虑到板子上还有一些固定位置的机构件和Shield Case, 如果再去掉这些面积, 那么节约的比例将达到5%左右，这对于一位Layout工程师来说, 实在是一个让人惊喜的数字。
不知道别的Layout工程师有没有这样的经历, 一块相同的板子在半个月内手工布了两次. 第一次采用传统的布线规则, 第二次则采用HDI技术.
做过手机的Layout工程师都知道, 手机布线最麻烦就是RF和天线部份, 走线的长度, 角度, 相邻层的布线状况都很有讲究, 如果碰上一个performance 不是很好的RF方案, 周围几毫米之内连个钻孔都不能有, 那真是“走投无路”啊。
很不幸, 我这次碰上的就是一个要求很严格的RF方案. PCB的布局如
下图(图1).
( 图1 )
第一次布这块板时, 出于成本考虑, 采用了传统布线规则的方案. 注意到方案的严格要求, 在布线时我尽量将Base Band信号换层的钻孔打在RF的Shield Case以外, 结果是: 1.因为钻孔位置的限制, 走线不够顺畅; 2.局部没有足够空间, 还是有4,5个钻孔打在了Shield Case内; 3.RF下面几层的空间不能充分利用, 而别的地方的空间又不够用, 最后只能做成了一块10层板.
第二次, 我采用了HDI技术的布线方案. RF Shield Case反面的Base Band信
号换层都采用雷射钻孔, 这样绝不影响到正面RF部分的线路, 而且成功的把板层数目从10层降到了8层.
当我把两个方案一起提供给客户, 对方仔细看后, 对第二个方案翘起了大拇指.
我们再来看看HDI技术在个人数字助理产品上的应用. 个人数字助理(Personal Digital Assistant), 简称PDA。
业外大部分人都认为, 设计PDA比手机要简单。的确, PDA最初的功能很简单, 只是一个“通讯簿+记事本+名片夹”而已. 但随着技术水平的提高和消费者对电子产品功能要求的提高, 现在的PDA已成为一个功能强大的多媒体电子产品, 略过“通讯簿+记事本+名片夹”不谈, USB接口+游戏+电子书都已是基本功能. 为了吸引客户, 各家厂商都整合了许多别的功能, 有的增加电子辞典, 有的增加拍照功能, 有的增加音频视频播放器, 有的增加蓝牙短距离传输功能, 还有的增加GPS卫星定位功能, 等等. 归结到底, 所有的功能都会增加CPU的负担, 对CPU的处理速度要求越来越高. 据我所知, 现在许多中高端的PDA所采用的CPU主频都已远比市面上大部分手机的CPU主频为高.
这就带来了一个现在十分热门的话题, 在掌上型电子产品狭小的空间内, 如何有效解决高速信号引起的信号完整性(SI)问题.
我曾先后参加过十几个PDA产品的设计开发, 基本分为三个规格阶段, 从‘4层板+传统规格技术’, 到‘6层板+传统规格技术’，再到目前的‘6层板+HDI技术’。我的体会是, HDI技术与传统技术相比较,
1.
因HDI技术采用的雷射钻孔所占面积较小, 甚至可直接打在Pad上, 所以元器件摆放得可更加靠近, 相连的传输线变短, 改善了传输线太长时造成的信号能量损失(Loss)和衰减(Attenuation)问题;
2. 传输线变短, 可以减少反射效应;
3.
当一组传输线平行时, 传输线变短减少了串扰(Crosstalk)现象的
一、 HDI的定义
我是一名PCB Layout工程师, 每次发图时, 公司的业务总会问我:”你这次的PCB是HDI板吗?” 我也总是一次又一次的回答”是”或者”不是”。
到底什么是HDI板呢?
HDI是高密度连接板(High Density Interconnection)的简称. 定义为导体层厚<=1mil、绝缘层<3mil、线宽/线距<=4mil/4mil, 孔径<=6mil, I/O数>300的电路板, 具有体积小、速度快、频率高的优势。HDI是个人计算机、便携式计算机、 手机和个人数字助理的主要零组件。 雷射钻孔机为HDI高级工艺所必需的设备。
和HDI技术与制造有关的标准包括有IPC2315(HDI及微通孔设计指南), IPC4105(HDI及微通孔规范), IPC6016(HDI和多层板质量和性能规格)和IPC6801(表面积层工艺与HDI PCB的术语, 测试方法和设计样本)等等。
结合上述定义和我的经验体会, 我个人觉得, 判断一块PCB是否是HDI板主要看钻孔, 如果线路板上有雷射钻孔, 那它就一定是HDI板, 如果没有雷射钻孔就要具体分析, 看其它条件是否符合了。 二、 HDI的优势
我们先来了解一下雷射钻孔.
所谓雷射钻孔, 是相对于传统的‘机械钻孔’发展起来的‘非机械钻孔’中的一种成孔方式, 特点主要有二:
极大的缩小了钻孔在PCB上占用的表面积, 就我所知, 目前机械钻孔的最小normal尺寸为20mil/10mil(钻孔Pad直径/钻孔孔径), 而雷射钻孔目前的最小normal尺寸为10mil/4mil；
因为工艺的原因, 雷射钻孔只能做到相邻两层间的导通.
承接我的“如果线路板上有雷射钻孔, 那它就是HDI PCB”的个人观点, 当我们了解了雷射钻孔特点的同时, 也就了解了HDI技术的特点, 进而也知道了HDI技术的优势所在。
首先, 基本上所有的Layout工程师都知道, HDI技术可以使PCB的面积变得更小. 因为钻孔Pad直径的缩小, 钻孔所占面积只相当于原来的四分之一, 节约了大量表面空间用于布局布线；
其次, HDI技术可以使PCB变得更薄. 因为雷射钻孔只在相邻层间做互联, 不妨碍内在讯号层的布线, 节约了内在讯号层的空间, 从而大大提高了内在讯号层的布线密度, 台湾工研院的统计数据是利用率提高了30%. 这使得减少多层板的层数成为一种可能, PCB板也可以做得更薄；
第三, 因为HDI技术中的雷射钻孔只是导通相邻的两层, 所以这些钻孔不会破坏多层板内在电源层的完整性, 也不会破坏内在地层的完整性. 再配合HDI介质层薄的特点, 在高速信号处理越来越普遍的今天, 对PI(电源完整性)和SI(信号完整性)都有很大的帮助。 三、 HDI的适用范围
我所在的公司是专门从事手持式(也称‘掌上型’)消费类电子产品的开发和制造的, 而手持式电子产品的最大特点就是“整体要求轻、薄、短、小”, 所以当中的线路板的要求也是厚度越来越薄, 面积越来越小。同时, 为了提升产品的附加价值和性价比, 提高顾客的认同度, 产品的功能也越来越强大, 因此, PCB上的元器件越来越多, 集成度也越来越高, 布线密度也跟着’水涨船高’, 公司目前产品中80%以上的PCB的设计规格都达到了最小线宽/最小线距<=4mil/4mil + 钻
孔Pad直径/钻孔孔径=10mil/4mil.
我已在多个项目的PCB设计中采用了HDI设计, 产品包括了手机、数码相机、 个人数字助理、卫星定位仪、科学绘图仪等等。使用后的体会是：上节提到的三个优势都表现的非常明显.
以手机为例.
亚洲人喜欢折迭式手机, 这是地球人都知道的秘密, 亚洲市场上折迭式手机的销量是直板手机的几十倍.
几年前, 当我第一次接折迭式手机项目的主板设计任务时, 立即感觉到相当困难. 手机的体积缩小了许多, 加上耳机, 天线, 红外, 电池包等等机构配件, 留给电子利用的空间实在是有限, 所以PCB的面积也一减再减.
当我做完器件布局后, 看着计算机中的设计文件, 我自己都在怀疑是否能成功布线, 因为除去Shield Case附近, 其它所有的地方基本上都是一个挨着一个的元器件, 看上去连打孔的空间都没有. 几个设计人员讨论后, 决定采用HDI技术进行布线. 因为HDI技术所采用的雷射钻孔在制作时有塞孔的工艺, 不会在后期的SMT过程中发生漏锡等现象, 因此, 这些雷射钻孔可以直接打在器件的Pad上, 节省了空间.
结果, PCB板做得很成功.
事后, 我们有做过统计, 仅以这块手机主板而言, 板子上一共打了577个钻孔Pad直径/钻孔孔径=10mil/4mil规格的雷射钻孔, 以替代了516个20mil/10mil的传统机械钻孔(为保证电源线路上的电流值, 两种孔径的差异造成了钻孔数目上71个的差值), 其中, 直接打在Pad 上的雷射钻孔有489个.
计算一下, 雷射钻孔所占PCB表面积为:
π×( 10÷2 ) 2 ×( 577－89 )＝6908(mil2)＝4.5 (mm2)
传统机械钻孔所占PCB表面积为:
π×( 20÷2 ) 2 ×516＝162024(mil2) ＝104.5 (mm2)
两者差值为:
162024 － 6908 ＝ 155116 (mil2) ＝ 100 (mm2)
整块手机主板去掉机构的倒角和凹槽后, 近似一个74mm×40mm的长方形, 采用HDI雷射钻孔所节约的表面积占整个表面积的比例是:
100 ÷ ( 74 × 40 ) ＝ 3.4%
考虑到板子上还有一些固定位置的机构件和Shield Case, 如果再去掉这些面积, 那么节约的比例将达到5%左右，这对于一位Layout工程师来说, 实在是一个让人惊喜的数字。
不知道别的Layout工程师有没有这样的经历, 一块相同的板子在半个月内手工布了两次. 第一次采用传统的布线规则, 第二次则采用HDI技术.
做过手机的Layout工程师都知道, 手机布线最麻烦就是RF和天线部份, 走线的长度, 角度, 相邻层的布线状况都很有讲究, 如果碰上一个performance 不是很好的RF方案, 周围几毫米之内连个钻孔都不能有, 那真是“走投无路”啊。
很不幸, 我这次碰上的就是一个要求很严格的RF方案. PCB的布局如
下图(图1).
( 图1 )
第一次布这块板时, 出于成本考虑, 采用了传统布线规则的方案. 注意到方案的严格要求, 在布线时我尽量将Base Band信号换层的钻孔打在RF的Shield Case以外, 结果是: 1.因为钻孔位置的限制, 走线不够顺畅; 2.局部没有足够空间, 还是有4,5个钻孔打在了Shield Case内; 3.RF下面几层的空间不能充分利用, 而别的地方的空间又不够用, 最后只能做成了一块10层板.
第二次, 我采用了HDI技术的布线方案. RF Shield Case反面的Base Band信
号换层都采用雷射钻孔, 这样绝不影响到正面RF部分的线路, 而且成功的把板层数目从10层降到了8层.
当我把两个方案一起提供给客户, 对方仔细看后, 对第二个方案翘起了大拇指.
我们再来看看HDI技术在个人数字助理产品上的应用. 个人数字助理(Personal Digital Assistant), 简称PDA。
业外大部分人都认为, 设计PDA比手机要简单。的确, PDA最初的功能很简单, 只是一个“通讯簿+记事本+名片夹”而已. 但随着技术水平的提高和消费者对电子产品功能要求的提高, 现在的PDA已成为一个功能强大的多媒体电子产品, 略过“通讯簿+记事本+名片夹”不谈, USB接口+游戏+电子书都已是基本功能. 为了吸引客户, 各家厂商都整合了许多别的功能, 有的增加电子辞典, 有的增加拍照功能, 有的增加音频视频播放器, 有的增加蓝牙短距离传输功能, 还有的增加GPS卫星定位功能, 等等. 归结到底, 所有的功能都会增加CPU的负担, 对CPU的处理速度要求越来越高. 据我所知, 现在许多中高端的PDA所采用的CPU主频都已远比市面上大部分手机的CPU主频为高.
这就带来了一个现在十分热门的话题, 在掌上型电子产品狭小的空间内, 如何有效解决高速信号引起的信号完整性(SI)问题.
我曾先后参加过十几个PDA产品的设计开发, 基本分为三个规格阶段, 从‘4层板+传统规格技术’, 到‘6层板+传统规格技术’，再到目前的‘6层板+HDI技术’。我的体会是, HDI技术与传统技术相比较,
1.
因HDI技术采用的雷射钻孔所占面积较小, 甚至可直接打在Pad上, 所以元器件摆放得可更加靠近, 相连的传输线变短, 改善了传输线太长时造成的信号能量损失(Loss)和衰减(Attenuation)问题;
2. 传输线变短, 可以减少反射效应;
3.
当一组传输线平行时, 传输线变短减少了串扰(Crosstalk)现象的
/1 
