陳麗飛

（廣州興森快捷電路科技有限公司 廣東 廣州 510663）

HDI線路板設(shè)計的注意事項

陳麗飛

（廣州興森快捷電路科技有限公司 廣東 廣州 510663）

基于國內(nèi)HDI線路板設(shè)計還不是非常普及，為給更多初接觸HDI線路板設(shè)計者提供切實有用的參考和借鑒，本文從可制造性的角度出發(fā)，采用歸類舉例的方法，深入淺出的解釋了HDI加工制造中復(fù)雜的難以理解的加工工序，并闡敘了加工工序?qū)DI線路板設(shè)計的影響，提醒初學(xué)者在HDI設(shè)計中應(yīng)該注意到的有關(guān)加工制造的事項，切實提高設(shè)計的HDI板的可制造性。本文中關(guān)HDI制造工藝的參數(shù)、布局布線的經(jīng)驗均來自PCB生產(chǎn)廠家和一線PCB設(shè)計師，有極高的普及性和通用性。

HDI；生產(chǎn)工藝；可制造性；疊層；布局；布線

HDI板，是英文High Density Interconnection的縮寫，是指高密度互連板(盲埋孔板），是PCB行業(yè)在20世紀(jì)末發(fā)展起來的一門較新的技術(shù)。傳統(tǒng)的PCB板的鉆孔由于受到鉆刀影響，當(dāng)鉆孔孔徑達(dá)到0.15 mm時，成本已經(jīng)非常高，且很難再次改進(jìn)[1]，于是不再依賴于傳統(tǒng)的機械鉆孔，利用激光鉆孔技術(shù)的HDI板的鉆孔技術(shù)一出現(xiàn)就得到了極大的推廣。HDI板也被稱為鐳射板，其鉆孔孔徑一般為3～6 mil(0.076～0.152 mm)， 線 路 寬 度 一 般 為 3～4 mil(0.076～0.10 mm)，焊盤的尺寸可以大幅度的減小，所以單位面積內(nèi)可以得到更多的線路分布，高密度互連由此而來。HDI技術(shù)的出現(xiàn)，適應(yīng)并推進(jìn)了PCB行業(yè)的發(fā)展，目前HDI板已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

HDI板較常規(guī)的PCB板設(shè)計而言，最大的不同就是通過埋孔和盲孔代替部分通孔的互聯(lián)，同時采用更細(xì)的線寬和更小的間距，使PCB的布局和布線空間利用得更加充分，對于很多從事常規(guī)板設(shè)計（這里指使用通孔）的人員，初次轉(zhuǎn)到HDI板的設(shè)計，須更加合理的規(guī)劃器件空間布局，更加游刃有余的切換盲孔、埋孔、通孔的應(yīng)用，更加精細(xì)分配信號線的空間分布，最關(guān)鍵和基礎(chǔ)的是要了解HDI線路板實際生產(chǎn)制造過程中的相關(guān)工藝參數(shù)。

1 制造工藝

1.1 孔 徑

無論是通孔和埋盲孔的設(shè)計都必須考慮到孔徑比。傳統(tǒng)的PCB板孔徑的加工，一般機械鉆孔，通孔孔徑大于0.15 mm，保證板厚孔徑比大于8:1（特殊情況可以做到12:1甚至更大，但是為了保證良好的PCB成品率，一般采用8:1）。而激光鉆孔由于能量與效率的限制，鐳射孔的孔徑大小不能太大，孔徑一般是3～6 mil，推薦使用4 mil，電鍍填孔的孔深孔徑比最大1:1。

這是因為板子越厚，而孔徑越小，電鍍時候化學(xué)藥水就越難進(jìn)入鉆孔的深處，雖然電路電鍍設(shè)備利用振動、加壓等方法使藥水得以進(jìn)入鉆孔中心，可是濃度差也會造成中心鍍層偏薄，這時候會出現(xiàn)鉆孔層微開路的現(xiàn)象，當(dāng)電壓加大或者板子在各種惡劣情況下受到?jīng)_擊時，缺陷就更加明顯了，造成板子線路斷路，無法正常工作。這也是PCB設(shè)計人員在設(shè)計時要充分了解到PCB生產(chǎn)廠家的工藝能力，否則設(shè)會增加PCB生產(chǎn)的困難，加大報廢率，甚至無法生產(chǎn)。

1.2 層 疊

HDI板疊層的分類一般按階數(shù)來分，而階數(shù)是以盲孔的層數(shù)來確定的。如1-2為一階，1-2、2-3為二階；1-2 、2-3 、3-4為三階，以此類推，典型的層疊分以下幾種：

1.2.1 1階（有埋孔）

如圖1所示：1+4+1（1階 有埋孔），共有1-2盲孔、6-5盲孔、2-5 埋孔、1-8通孔；

1.2.2 2階交錯盲孔（也稱非階梯盲孔）（有埋孔）

如圖2所示：2+4+2（2階交錯盲孔，含埋孔芯板），共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔錯位；8-7和7-6盲孔錯位；

圖2 2階交錯盲孔Fig.2 Non stacked 2-HDI

1.2.3 2階 階梯盲孔，無樹脂填充

如圖3所示：2+4+2（2階 階梯盲孔，無樹脂填充），共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔位置重疊；8-7和7-6位置重疊；

圖3 2階 階梯盲孔，無樹脂填充Fig.3 Stacked but non copper filled 2-HDI

1.2.4 2階 階梯盲孔（也叫堆疊盲孔），樹脂填充

圖4 2階階梯盲孔，樹脂填充Fig.4 Stacked & copper filled 2-HDI

如圖4所示：2+4+2（2階階梯盲孔，樹脂填充），共有1-2盲孔、2-3盲孔、8-7盲孔、7-6盲孔、3-6 埋孔、1-8通孔。其中1-2和2-3盲孔位置重疊，8-7和7-6盲孔位置重疊，而且2-3、7-6盲孔樹脂塞孔；

因為板子層壓過程中會受到壓力和溫度的影響，在層壓完成后板子內(nèi)還會有應(yīng)力存在，如果層壓的板子不對稱，即板兩面的應(yīng)力分布不均勻，造成板子向一面撬曲，極大的減少了板子的成品率。因此設(shè)計者必須要選擇對稱層疊設(shè)計，并要考慮到埋盲孔位置的分布性。

1.3 工藝流程

以下分別以1 次壓合的4層HDI板和2次壓合的6層HDI板為利進(jìn)行說明。

1.3.1 1 次壓合的4層HDI板

1 次壓合的4層HDI板的加工流程為：L2-3層開料——烘板——機械鉆埋孔——沉銅——電鍍——內(nèi)層圖形——內(nèi)層蝕刻——內(nèi)層AOI——棕化——層壓——鉆孔——激光鉆孔——正常流程

圖5 一次壓合4層HDIFig.5 1 pressing of 4 layer HDI

其他工藝與傳統(tǒng)的PCB加工流程類似，不同之處是鉆孔的時候首先2-3層機械鉆埋孔，接下來層銅、電鍍、內(nèi)層圖形等流程后再是鉆1-4的機械通孔；然后1-2和4-3的盲孔；

同理類似，如果是1次壓合的6層板，就是先首先2-5層機械鉆埋孔，接下來層銅、電鍍、內(nèi)層圖形等流程后再是鉆1-6的機械通孔；然后1-2和6-5的盲孔；正是由于機械鉆孔只能形成上下貫通的穿孔形式，決定了埋盲孔的非交叉性。

如果設(shè)計人員根據(jù)PCB設(shè)計的需要或性能考慮，L1到L3或L4到L2的孔不經(jīng)過2-3的轉(zhuǎn)換，直接打1-3孔或4-2孔，這樣的設(shè)計將給生產(chǎn)帶來極大的困難，其生產(chǎn)成本和報廢率將大幅度的提高，因此在選擇過孔方式時，必須考慮現(xiàn)有加工工藝和生產(chǎn)技術(shù)的要求。

1.3.2 2次壓合的6層HDI板

2 次壓合的6層HDI板的加工流程為：L3-4開料——烘板——機械鉆埋孔——沉銅——電鍍——內(nèi)層圖形——內(nèi)層蝕刻——內(nèi)層AOI——棕化——L2-5壓合——棕化——鉆孔——激光鉆孔——沉銅——電鍍——內(nèi)層圖形——內(nèi)層蝕刻——棕化——層壓——棕化——鉆孔——激光鉆孔——正常流程。

圖6 2次壓合6層HDIFig.6 2 pressing of 6 layer HDI

其他工藝與傳統(tǒng)的PCB加工流程類似，不同之處是鉆孔的時候首先3-4層機械鉆埋孔，接下來層銅、電鍍、內(nèi)層圖形……一次壓合等流程后再是鉆2-5的埋孔；然后2-3和5-4的盲孔；再次沉銅、電鍍、內(nèi)層圖形……二次壓合等流程后，再鉆1-6的通孔，然后是1-2，6-5的盲孔。

由于HDI板的盲孔是激光鉆孔[2]，激光鉆孔時的高溫將孔壁灼燒，產(chǎn)生的焦渣附在孔壁上，同時由于激光的高溫灼燒，將導(dǎo)致第2層銅被氧化，所以在激光鉆孔完畢后，需要在電鍍前進(jìn)行前處理，由于盲孔的孔徑比較小，又不是通孔，所以孔內(nèi)的焦渣很難清除，對于2階的HDI，還需要專門的盲孔電鍍和填充，因此成本會大大提高。

另外1次壓合鉆2-5的埋孔，2-3和5-4的盲孔、沉銅、電鍍后會二次成形、蝕刻等之后再L1-6二次壓合，這過程工序要經(jīng)過多次對位，因此對位誤差也會累積增大[3]，增加產(chǎn)品的報廢率，因此如果不是非常高端的產(chǎn)品，建議不要采用2階的 HDI。

2 布 局

HDI板的器件布局一般密度較大，這里就要注意保證后期的安裝性、可焊接性以及可維修性。推薦一般SOP類與其他器件的PIN間距大于40 mil，BGA與其他器件的PIN間距大于80 mil，普通器件如阻容內(nèi)PIN間距大于20 mil，當(dāng)然，這里給的滿足焊接的常規(guī)的極限值，實際中還要考慮安裝性和可維修性，因此在空間允許的情況下，盡可能拉大器件間距，有助于安裝、返修拆卸及焊接。

以下是布局時要注意的其他相關(guān)事項：

1）射頻/模擬/模數(shù)轉(zhuǎn)換/數(shù)字部分布局的時候在空間上要嚴(yán)格分開，無論在同一面或不同面都盡量錯開位置，拉開間距；

2）同一個模塊盡可能在同一面布局，盡量減少打孔換層的區(qū)域。所以在布局的時候要仔細(xì)分析，那些電路是關(guān)鍵電路（如重要信號、時鐘信號、微弱信號、干擾大的信號、低壓電源），根據(jù)信號的重要性分類，由主及次，逐級排列在核心器件周圍；

3）大功率信號遠(yuǎn)離其他信號。

3 布 線

布線必須要考慮到生產(chǎn)時的最小線寬、安全間距（包括線與線、線與焊盤、焊盤與焊盤、線與銅面等）的控制及布線的均勻性，因為間距過小，在內(nèi)層干膜工藝（即將內(nèi)層線路轉(zhuǎn)移到PCB板的過程）時造成夾膜，而膜無法褪盡會造成線路短路。線寬太小，膜的附著力不足，造成線路開路。同一面的線路不均勻，即銅面分布不均勻，會造成不同點樹脂流動速度不一致，最終的結(jié)果就是銅面少的地方，銅厚度會稍薄一點，銅面多的地方，銅厚度會稍厚一點，因此在設(shè)計的時候要注意布線和鋪銅的均勻性。

以下是布線時候要注意的其他相關(guān)事項：

1）TOP層和BOT層布局的器件有比較好的隔離效果，因此盡量避免和減少其內(nèi)層換層信號之間相互串?dāng)_；

2）對于射頻和模擬區(qū)域等重要信號，保證每個信號周圍有短的地通道的回流路徑（上/下/左/右），并且此類信號周圍多打地過孔，這樣可以實現(xiàn)返回電流的最近跳轉(zhuǎn)，以減少環(huán)路面積[4]。

3）重要的信號（如時鐘/射頻）的布線區(qū)域（最好保證線寬的3W區(qū)域）不添加沒有物理連接沖突的盲孔，避免相互之間的干擾，但是地網(wǎng)絡(luò)類的盲孔可以加。這是因為HDI的絕緣層厚度比較薄，所以壓板較為困難。內(nèi)層有埋盲孔的地方，線路更容易因凹陷而造成開路，所以設(shè)計的時候，線路要盡量避開埋盲孔的位置，至少不要從埋盲孔中間位置通過；實在避不開，關(guān)鍵信號和重要信號必須避開，如時鐘信號、射頻信號、高速信號，這不僅是為了保證良好的工藝能力，也是為了避免雖然沒有物理相連的孔和線通過板材或其他介質(zhì)之間形成的相互干擾；

4）由于板內(nèi)布線空間有限，要優(yōu)先保證重要信號和有阻抗要求的信號的的配線空間；其他信號線寬、線間距可根據(jù)實際空間適當(dāng)調(diào)??；

5）電源在滿足電流能力的前提下，盡可能避免整塊鋪面，減少對其他信號的干擾；

6）如果優(yōu)先考慮PCB生產(chǎn)成本，同網(wǎng)絡(luò)盲孔的扇出要與焊盤間距保證3.5 mil 以上，極限是3 mil ；同網(wǎng)絡(luò)埋孔和盲孔，盲孔和通孔，埋孔和通孔的間距大于3.5 mil以上，極限是3 mil，不同網(wǎng)絡(luò)的孔和線的間距大于4 mil，極限是3 mil，但是孔與孔、孔與盤、孔與線之間不推薦同時做極限值；埋孔雖然和焊盤沒有直接相連，也盡量避免打在焊盤下方，盡量打在空區(qū)域；線寬優(yōu)先選取4 mil以上，線到孔，線到盤間距優(yōu)先選取4 mil以上，極限均可選取3 mil，但是不能同時選同為3 mil。這里給的是常規(guī)推薦的極限值，特殊情況下可以做的更小[5]，但是生產(chǎn)成本會增加很多。

7）如果優(yōu)先考慮信號質(zhì)量，盲孔可直接打焊盤上，BGA區(qū)域如果擔(dān)心盲孔打在焊盤上影響B(tài)GA焊接，可考慮盲孔與焊盤相切扇出。

8）使用了埋盲孔，阻抗連續(xù)性較通孔差，因此對有阻抗要求的信號，盡量減短焊盤與盲孔，盲孔與埋孔之間的引線長度，并保證其信號上下平面盡可能完整，在換層之處適當(dāng)增加地過孔，對阻抗的連續(xù)性是有幫助的，地孔采用相應(yīng)的埋盲孔，避免通孔，主要是因為一個通孔會影響所有層的信號返回路徑，而埋盲孔的一端是止于一個金屬壁，而不是貫穿整個PCB[6]。

9）對干擾比較大的信號，如晶體、晶振、VCO、射頻電路可對其相鄰地平面進(jìn)行挖空處理，選擇次鄰層的地平面作參考平面。對于大功率的通道，可以選擇挖空相鄰多層地平面來減少該電路對整個電路系統(tǒng)的干擾；

10 )盲孔的切換層的配線盡可能短，與相鄰層信號線不重疊，如果實在避不開，必須選擇垂直相交。如果是重要信號線和有阻抗要求的線分配在相鄰層且在避不開時，選擇分配到其他與盲孔切換層不相鄰的層，這里特別要注意是TOP/BOT層的重要信號線和有阻抗要求的信號線與盲孔層的避讓，很容易被忽略。

11 )在保證性能的前提下，能用通孔的地方，建議不要使用埋孔和盲孔。因為在壓板時的第2層到倒數(shù)第2層之間有太多埋孔的話，壓板過程中將會由于產(chǎn)生了一個通道，而導(dǎo)致位于上面的介電層厚度薄于位于下面的介電層的厚度，因此PCB設(shè)計時要盡量減少這些類孔的數(shù)量。

4 結(jié) 論

綜上所述，HDI線路板的設(shè)計過程中，一定要綜合考慮可制造性，常規(guī)PCB的工藝常數(shù)可能已經(jīng)很普及了，對于大部分PCB設(shè)計者來可能都不陌生了，但是對于初次接觸HDI的設(shè)計者來說，要先向生產(chǎn)產(chǎn)家了解相關(guān)的工藝參數(shù)，否則就有可能設(shè)計出的PCB，后期無法生產(chǎn)。本文總結(jié)工作中的一些經(jīng)驗，供HDI電路板設(shè)計的初期接觸者借鑒。

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LIU De-lin, CHENG Li, HAN Qing-fu,et al. Advances of high density interconnect and its materials[J]. Semiconductor Technology,2007(8):645-649.

[3] 許路.HDI電路板新型制造技術(shù)發(fā)展動態(tài)[C]//四川省電子學(xué)會SMT專委會、廣東省電子學(xué)會SMT專委會，2007中國高端SMT學(xué)術(shù)會議論文集,2007(9):14-19.

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The notice of PCB design of HDI

CHEN Li-fei
（ Guangzhou Fastprint Circuit Tech Co.,Ltd ,Guangzhou 510663,China）

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TN02

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1674-6236(2014)14-0025-03

2013-09-24 稿件編號：201309184

陳麗飛（1980 —），女，湖南寧遠(yuǎn)人，碩士，中級工程師。研究方向：多層PCB的設(shè)計。