高速HDI电路板的设计挑战

liang878238

产品对于体积的要求越来越高，尤其是移动装置产品的尺寸朝持续微缩方向开发，如目前热门的Ultra Book产品，甚至是新颖的穿戴式智能装置，都必须运用HDI高密度互连技术制作的载板，将终端设计进一步压低产品尺寸。

HDI(High Density Interconnect)即为高密度互连技术，这是印刷电路板(Printed circuit board)所使用的技术的一。HDI主要是应用微盲埋孔的技术进行制作，特性是可让印刷电路板里的电子电路分布线路密度更高，而由于线路密度大增，也让HDI制成的印刷电路板无法使用一般钻孔方式成孔，HDI必须采用非机械的钻孔制程，非机械钻孔的方法相当多，其中「雷射成孔」为HDI高密度互连技术的搭配成孔方案为主。


HDI印刷电路板的应用领域相当宽广，举凡手机、超薄型笔记本电脑、平板电脑、数位相机、车用电子、数位摄影机...等电子产品，都已使用HDI技术来缩小主板设计，缩小后的效益相当大，不只终端产品设计可以把更多机构内空间留给电池、或更多附加功能零组件，产品的成本也可因为导入HDI而相对降低。

HDI早期用于中高价手机 现在几乎普及于各移动装置
早期使用HDI技术最多的产品，以功能性手机、智能型手机为主，此类产品占了HDI高密度电路板快一半以上用量，而Any-layer HDI(任意层高密度连接板)则为高阶HDI制作制程，与一般HDI电路板最大差别在于，多数HDI为由钻孔制程进行的机钻进行PCB贯穿处理，至于层与层的间的板材，Any-layer HDI运用「雷射」钻孔打通每一层的彼此连通设计。

例如，采用Any-layer HDI的制作方法，一般可以减省约四成的PCB体积，目前Any-layer HDI已被用于Apple iPhone 4、或较新颖的智能型手机，藉由更高密度整合主板降低产品设计厚度，使产品设计得以用更轻薄的设计型态问市。但Any-layer HDI为采用雷射盲孔制造，在线路加工制作难度相对较高、成本也较一般电路板为高，目前仅高单价的移动装置使用较多。

HDI印刷电路板为采用增层法(Build Up)进行制造，HDI的技术差距即在增层的数量，电路层数越多、技术难度越高！而一般用途的HDI板，基本上可使用一次增层，至于高阶用途的HDI板，则为分二次、或多次以上的Build Up增层技术制造，为避免机械穿孔造成HDI板高密度布线因钻孔不当受损，成孔制程可同时使用雷射穿孔、电镀填孔、迭孔等先进的印刷电路板制作技术。

HDI对于线路要求密度高 需使用雷射进行开孔
其实HDI高密度制法，并没有明确的定义，但一般对于HDI或非HDI差别其实相当大，首先，HDI制成的电路载板所使用的孔径需小于或等于6mil(1/1,000吋)，至于孔环的环径需要≦10mil，而线路接点的布设密度需在每平方英吋大于130点，信号线的线间距需3mil以下。

HDI印刷电路板的优点相当多，HDI由于线路高度集积化，因此使用板材面积可以大幅缩小，而层数越高、可缩小的板面也能对应增加，由于基材尺寸更小，HDI应用电路板面面积可以较非HDI电路板设计少2~3倍占位、却能维持相同复杂的线路，自然板材的材料重量可藉此缩减。至于针对射频、高频等特定区块电路设计，可善用多层结构，在主电路的上／下层电路设置大面积的金属接地层，将可能自PCB引发的高频线路EMI问题，限制在HDI的板材内部，避免影响外部其他电子设备运行。

而HDI板材重量更轻、线路密度更高，对机壳内的空间使用率相对较非HDI电路板设计更高，而原有高频运行的器件会因为采用HDI后，让讯号线的传输距离缩短，自然有利于新款SoC或高频运行器件的信号传输品质因电气特性较佳、进而获得传输效能改善，加上HDI若使用超过8层，基本上就可以获得较非HDI电路板更好的性价比，这对终端产品设计而言也可运用HDI主板设计方案，提升产品的产品性能与规格数据表现，让产品更具市场竞争力。

高引脚数的关键元件 需使用HDI进行产品设计
尤其是引脚数超多的FPGA元件，对于PCB布线来说是极大的困扰，又例如目前最常见的GPU元件，引脚数也是朝向越来越多发展，大多已经改用HDI印刷电路板来进行产品设计，HDI尤其适合需要高复杂连接的设计方案使用。

尤其针对新一代的SoC或整合晶片，其高度整合功能下导致IC引脚越来越多，这对于PCB设计连接线路的难度大幅提升，而HDI高密度电路板设计方案，可利用板材内部多层互连、整合的优势，将复杂的晶片引脚一一完成连接，而雷射盲孔制作可以在板材内制作微盲孔，可以是穿孔式、错置式、堆迭式，亦可在任意层进行互连，线路的布设弹性相对较传统PCB高更多，也为高引脚数的整合晶片应用方案提供更轻松的板材设计方案。

而HDI电路板设计也较以往PCB更为复杂，不只是线路变得更紧密，在使用不同层电路互连的设计复杂度也大幅提高，线路变得更细、更紧密的同时，也代表着线路的导体截面积变更小，这会导致传递信号完整性问题会更加凸显，对PCB设计工程师来说要花更多心思进行板材功能验证与查错。

尤其在面对高度复杂的设计案件，例如在开发过程中板材的电子电路遭遇设计变更的可能性相当高，而若主板的核心元件有FPGA或其他具大量引脚的元件，稍微有点设计变更就会造成设计改善时程的延宕，而如何在改变频繁的设计过程中，尽可能减少线路部署错误发生，必须搭配可支援HDI高复杂度线路设计的设计辅助工具，尤其是必须搭配可在FPGA逻辑设计、硬体设计、PCB逻辑与相关设计数据可彼此互通的设计架构下，让任何专案的设计规格变动，均可即时反应于开发系统，避免设计板材与目标晶片无法匹配的设计问题发生。

HDI电路板设计需更谨慎进行产品验证
也是因为HDI印刷电路板已将线路复杂度大幅提升，这对于原有的PCB布线设计工作将会带来更多的设计负荷，在实际的开发专案中，虽可利用辅助开发软件进行走线快速部署、摆位，但实际上仍须搭配开发者的设计经验，进行元件配置、线路布设的最佳化调校，搭配开发软件自动化将引脚与线路连接关系对应、相对位置自动更换线路引脚等自动化设计方案，来进一步简化HDI印刷电路板的设计程序、减少冗长的开发时程。

另HDI往往也会用于高速元件的设计应用方案中，尤其是现在3C或移动装置，动辄都具备GHz等级的运作时脉时，主机板线路的走向，也会影响设备在高频运行下的EMI/EMC问题影响。一般来说可先利用开发软件先进行时序规则、走线拓扑结构的设计参数设置，先提供给开发软件一个可参考的约束范围后，再利用开发软件自带的软件验证功能进行初步设计的本机验证，当然，开发软件的本机线路验证毕竟不是真实线路除错，顶多仅能作为开发参考，实际设计方案仍须先做过多次软件验证后再制作参考设计进行HDI板材功能验证。