HDI PCB 设计：综合指南、流程和注意事项

HDI PCB 设计：综合指南、流程和注意事项

在电子产品日益复杂化的今天，HDI（高密度互连）PCB设计已成为实现高性能电路板的关键技术。本文将为您详细介绍HDI PCB设计的各个方面，包括设计层堆叠、VIA技术实现、布线指南、元件放置、信号完整性、热管理和制造设计等，帮助您掌握这一重要技术的核心要点。

什么是 HDI PCB 设计？

HDI PCB 设计，即高密度互连 PCB 设计，是一种印刷电路板 (PCB) 设计，其重点是最大限度地提高小面积内电子元件和电路互连的密度。为了容纳更多元件并增加电路板的布线密度，HDI PCB 设计使用了更复杂的功能，例如微孔、盲孔和埋孔，从而可以设计紧凑的电路板。

HDI PCB 的制造始于 1980 世纪 1984 年代末。随着 PCB 的陆续生产，第一批 HDI 生产于 2315 年开始。从那时起，设计师和制造商一直在寻找在更小的面积内封装更多元件的方法。HDI 板的设计和制造符合 IPC-2226 和 IPC-XNUMX 标准。

HDI PCB设计过程中需要遵循的注意事项和指南

在 HDI PCB 设计中设计层堆叠

HDI PCB 设计（高密度 PCB 设计）对信号完整性的要求更为严格，设计具有适当堆叠的电路板对于确保 HDI 电路板的信号完整性至关重要。选择正确的材料不仅对信号完整性问题很重要，而且对阻抗和散热特性也很重要。此外，层数和按顺序构建的层顺序在 HDI PCB 设计中起着至关重要的作用。

通常，HDI 叠层按顺序制作，结构对称。它由预浸料、芯板和铜箔组成。叠层的设计取决于 HDI PCB 设计中使用的组件、阻抗要求和信号完整性要求。对于 HDI 板，微孔、盲孔并使用埋孔来减小电路板的厚度并容纳更多的板层布线密度。

堆叠结构不当会导致性能不佳，从而引起 EMI 问题、串扰以及更容易受到周围噪声的影响。为了克服这些问题，必须以这样的方式构建堆叠，即所有高速信号都必须在上方或下方提供接地平面，以方便信号返回路径。

设计 HDI 板堆叠时需要考虑以下几点：

• HDI PCB设计中的纵横比：保持通孔钻（1:10）和 HDI 钻（1:0.75）的纵横比
• HDI PCB设计中的层压周期：将层压循环限制在 3 个循环以内。
• HDI PCB设计中的板厚：使用微孔、盲孔和埋孔来减少电路板厚度。
• 信号返回路径：放置接地或电源平面层来提供信号的返回路径。
• 最小电感路径：信号的返回路径应按电感最小的路径返回进行确定。

通过考虑上述所有因素，采用适当的信号和电源接地层构建的平衡堆叠将最大限度地减少电路板中的串扰和 EMI 效应。

在 HDI PCB 设计中实现不同类型的 VIA 技术

任何导体都是HDI板被视为电路的一部分。过孔的尺寸和深度以及走线的长度，所有这些因素都是在 HDI PCB 设计中考虑的。过孔尺寸是高密度 PCB 布局过程之前需要考虑的主要因素。过孔越小，高速信号的性能越好。

对于高速设计，走线长度应该更短，并且为实现这一点，过孔应靠近焊盘，或部分落在焊盘上，甚至落在 SMD 焊盘内。

现在，让我们根据功能探讨 HDI PCB 设计中使用的不同类型的通孔技术

盲孔

将外部层连接到一个或多个内部层的通孔称为盲孔。这种连接可能来自 HDI PCB 设计的顶部或底部，但无论哪种情况，在层压完成后，从电路板的另一端都看不到这些钻孔。盲孔的 IPC 标准为 6 mil 及以下。

埋地

仅连接电路板内层的通孔称为埋孔。它们在电路板的任何一侧都看不到，因为在层压完成后它们被完全覆盖。埋孔的 IPC 标准为 6 mil 及以下。

微孔

这些是非常小的通孔，通常称为激光通孔或激光烧蚀通孔或微通孔。理想微通孔的纵横比为0.75:1表面与目标焊盘之间的最大深度为 0.25 毫米。IPC 规定的标准钻孔尺寸为75-150微米，可以通过机械钻孔或使用激光技术进行钻孔。

通常，这些钻孔的深度不超过两层，因为在这些通孔壁内镀铜是一个繁琐的过程。

此外，这些微孔分为以下两种类型：

2. 交错通过：彼此偏移且具有单独轴的通孔。
3. 堆叠通孔：位于同一轴上的彼此叠合的过孔。

焊盘内通孔技术

当元件密度较高且 PCB 板尺寸有限时，可使用焊盘内通孔。与传统通孔不同，这些通孔位于 SMD 元件上，然后用铜填充并镀上，以避免组装过程中焊料流入通孔内。这种方法称为 VIPPO（焊盘内通孔镀上）。这种方法适用于细间距 BGA 元件。

HDI PCB 设计中的布线指南

HDI 板布线的常见布线指南

随着元件密度的增加，HDI 板的布线也将变得非常复杂。必须最小化走线宽度、过孔尺寸和间距，以适应 HDI PCB 设计中的高密度布线。首先布线所有关键信号元件、去耦电容器和 IC，然后必须在 HDI PCB 设计中完全布线其余元件。

最佳做法是创建多层板，并提供接地层和电源层作为内层，以最大限度地减少高速信号引起的噪声和串扰。这些接地层和电源层的放置方式是，接地层位于信号层的正下方，信号层充当顶层差分信号的返回路径和参考层。电源层位于接地层之后，以降低阻抗。

为了给每个信号提供单独的接地平面，必须按照分离平面概念来铺设铜。这将避免不同信号和组件产生的噪音，从而在 HDI PCB 设计中不受相邻信号干扰的情况下获得更好的性能。

布线 HDI 板的其他布线指南

此外，在布线差分对信号时，必须以指定的距离对称布线，以实现指定的阻抗。这些差分对的布线不当会导致接收器端的信号延迟。这些信号之间不应有任何组件或过孔。在这些信号之间放置组件或过孔会导致 EMI/EMC 问题和 HDI PCB 设计中的阻抗不匹配。

此外，差分对要求正信号和负信号之间有非常紧密的延迟。为了实现这些紧密的延迟，必须在 HDI PCB 设计中使用蛇形几何结构来匹配走线的长度。

HDI PCB 设计中的元件放置

元件的放置在 HDI PCB 设计（高密度 PCB 设计）中起着重要作用，因为它直接影响电路板的布线密度和信号完整性。规划元件的放置对于保持最短路径是必要的。始终根据原理图工作流程对元件进行分组，并分离敏感和关键的元件并相应地放置它们。

作为初始步骤，阅读原理图并根据以下因素将电路分成不同的部分：模拟、数字、高速信号、混合信号和高频、电源等……

将组件分组后，将微处理器或微控制器、以太网和存储设备等主要组件放置在电路板的中心，因为它们与电路中的大多数组件相连。接下来，将所有去耦电容器、晶体振荡器和电阻器尽可能靠近这些组件，以使它们之间的信号流平稳。

放置组件时需要遵循的一些主要注意事项如下：

• HDI PCB设计中元器件的方向：必须将组件放置在相同的方向，以便在 HDI PCB 设计过程中实现有效、无错误的布线，并在组装过程中提供无错误的焊接过程。
• 组件的布局表面：将所有 SMD 元件放在同一侧，顶部或底部均可。将所有通孔元件放在顶部，以简化组装过程。
• 分离电路模拟和数字电路部分：分离模拟和数字部分以避免它们产生的噪声干扰。
• 去耦和旁路电容器的放置：将所有去耦电容器和旁路电容器尽可能靠近相应的电路部分放置。
• 敏感元件的放置：将所有敏感元件远离电路板边缘，以减少外围设备辐射的 EMI 的影响。

现在，将所有外围设备放置在电路板的边缘，用于与外部设备进行通信。

信号完整性

信号完整性是衡量信号在传输线上无失真传输的质量的标准。

工作在低频和中频的电路板很少受到信号完整性问题的影响，而在高速设计中，由于通常工作在高频范围，信号上升时间较短，信号完整性问题相对突出。信号完整性问题会导致PCB无法正常工作，并降低电路板的性能。

以下是在HDI板设计期间必须实施的一些设计考虑因素：

• SI 效果：HDI 信号需要控制阻抗布线以尽量减少 SI 效应。为此，必须保持走线宽度、间距和适当的电介质，以便在 HDI 板设计中获得所需的阻抗值。
• 信号反射和阻抗不匹配：减少通孔短截线长度，以避免 HDI PCB 设计中的信号反射和阻抗不匹配。使用盲孔和埋孔布线信号以直接连接内层。
• 信号串扰：使用接地屏蔽并在走线之间留出适当的间距，以避免由于相邻信号走线之间的耦合而发生信号串扰。
• 电源噪声：将去耦电容尽可能靠近 HDI 元件放置，以降低电源噪声。有效分离接地层和电源层，以便在整个电路板上平稳分配电源。
• 接收端信号损失：保持差分对信号之间适当的间距，并匹配走线的长度，以避免接收端的信号损失。
• EMI 和地弹效应：保持高速信号的正确返回路径，以减少 EMI 和接地反弹效应。在 HDI 板设计中，高速信号下方应使用实心接地，并保持低阻抗，以防止信号失真。
• 潜在问题：在HDI板设计中，使用仿真来识别设计层面的信号完整性问题，以避免潜在的问题并相应地修复它们。

热管理

在 HDI PCB 设计过程中，由于 HDI 板中元件密集排列，因此散发元件产生的热量非常具有挑战性。为了生产出可靠耐用的电路板，在 HDI PCB 设计阶段管理散热问题至关重要。

让我们探讨一下HDI板在热管理方面需要考虑的一些事项：

• 导热材料：在HDI板设计中，使用导热材料（如金属芯）或导热介电材料来散发PCB关键区域的热量。
• 热孔：实现热通孔，将高功率组件的热量散发到内层或外层。将这些通孔放置在靠近热源的位置，以将热量传递到电路板的另一侧。
• 发热元件的放置：在HDI板设计中，将所有发热元件放置在靠近电路板边缘的位置，以利散热并优化气流。
• 适用外壳：设计外壳以促进 PCB 的适当气流，特别是在发热组件周围。
• 优化布局和设计：在HDI板设计中，使用热分析仿真工具来识别整个电路板的温度分布，这将有助于优化元件放置、通孔放置和堆叠设计，以实现最大的热性能。

制造设计 (DFM)

为了确保HDI板的无错误生产，与印刷电路板制造商在发布 Gerber 文件之前，必须进行一些必要的准备工作，以避免在生产现场出现任何问题。设计 HDI 板时需要考虑的一些关键事项如下：

• 设计板前的沟通：在设计电路板之前，与 PCB 制造商沟通并熟悉制造指南。
• 与设计相关的问题：了解最小走线宽度、间距、环形环和通孔尺寸，以避免引起制造问题。
• 纵横比确保满足纵横比，因为它们是影响制造的关键因素。纵横比不当可能会导致制造过程中的电镀问题和钻孔问题。
• 材料选择：选择与高速信号兼容的材料。
• 过孔的选择：根据 HDI PCB 设计的复杂性，选择适当的通孔类型（盲孔、埋孔或微孔），并避免在细间距元件处放置更多通孔，以避免出现电镀问题。

总结

最后，将上述所有策略纳入到HDI板结果在可靠和高性能的 PCB 生产中。通过使用现代 HDI PCB 设计工具和制造兼容性，可以毫无问题地生产具有高元件密度和复杂设计的 PCB。与跨职能团队和制造商的合作对于成功的 HDI PCB 设计过程至关重要。更不用说在整个 HDI PCB 设计过程中，从 HDI PCB 设计阶段到制造电路板时，必须遵循所有行业标准和 IPC 规范。