PCB设计：任意层过孔技术特点及设计挑战

    近些年来，为了满足一些高端消费类电子产品小型化的需要，芯片的集成度越来越高，BGA管脚间距越来越近（小于等于0.4pitch），PCB的布局也越来紧凑，走线密度也越来越大，为了提高设计的布通率且不影响信号完整性等性能，ANYLAYER（任意阶）技术应用而生，这个就是任意过孔技术(ALIVH-Any Layer IVH Structure Multilayer Printed Wiring Board)。

    任意层过孔技术特点

    任意层过孔技术与HDI技术的特征比较，ALIVH的  优势就是设计自由度大大增加，可以在层间随意打孔，而ＨＤＩ工艺不能做到这点。一般国内厂商做到  复杂的结构也就是HDI的设计极限为三阶ＨＤＩ板，由于HDI不是完全采用激光钻孔，在内层的埋孔采用的是机械孔，所以孔盘的要求比激光孔大很多，而机械孔要占用所经过的层面上空间。所以一般来说HDI这种结构比起ALIVH技术的任意打孔，内层核板的孔径也可用0.2mm的微孔还是有很大差距的。所以ALIVH板的走线空间比HDI大概有很大的提高。同时，ALIVH的成本和加工难度也比HDI工艺要高。如图三所示，是一个ALIVH的示意图。

    图三 ALIVH的示意图

    任意层过孔的设计挑战

    任意层过孔技术完全颠覆了传统过孔设计方法。如果还是需要设置不同层的过孔，会增加管理难度。需要设计工具具备智能化打孔的能力，同时能随意的进行组合和拆分。

    Cadence在传统的基于换线层的布线方式上，增加了基于Working Layer的换线方式，如图四所示：可以在Working Layer面板中勾选可以进行环线的层，然后在双击打孔的时候，就可以选择任意层之间进行换线。

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    图四 基于Working Layer的布线方式

    ALIVH设计制板实例：

    10层ELIC设计

    OMAP4 Platform

    埋阻、埋容和埋入式元器件

    对高速访问互联网和社交网络要求手持设备高集成和小型化。目前靠  的4-N-4的HDI技术。但为了下一代新技术,实现更高的互连密度，在这个领域，埋入无源甚至于有源的零件进入PCB和基板中可满足以上要求。当你设计手机，数码相机等消费类电子产品，考虑如何将无源和有源的零件埋入PCB和基板是当前设计的  选择。这种方法可能因为你采用不同的供应商略有不同。埋入零件的另外一个好处，该技术提供对知识产权保护,防止所谓的逆向设计。Allegro PCB Editor可以提供  的工业级解决方案。Allegro PCB Editor还可以同HDI板，柔板和埋入式零件更加紧密的合作。你可以得到正确的参数和约束对完成埋入式零件的设计。埋入器件的设计不仅可以简化后面SMT的工艺，同时对产品表明的整洁度都有很大的提高。

    埋阻、埋容设计

    埋阻又称埋电阻或者薄膜电阻，是将特殊的电阻材料压合在绝缘基材上，然后通过印刷，蚀刻等工艺，得到所需电阻值，然后与其他PCB板层一起压合，形成平面电阻层。常见的有PTFE埋电阻多层印制板制造技术，可以达到所需的电阻  。

    埋电容则是利用具有较高电容密度的材料，同时减少层间的距离，来形成一个足够大的平板间电容，来起到电源供电系统的去耦和滤波作用，从而减少板子上所需的分立电容，并且能达到更好的高频滤波特性。埋容由于其寄生电感非常小，其谐振频率点会比普通电容或者低ESL电容效果都好。

    由于工艺和技术的成熟，以及高速设计对于电源供电系统的需要，埋容的技术应用越来越多，使用埋容技术，我们首先得计算平板电容的大小 图六 平板电容计算公式

    其中：

    C是埋容（平板电容）的电容量

    A是平板的面积，大部分设计在结构确定的情况下，平板间面积很难增大

    D_k是平板间介质的介电常数，平板间电容量和介电常数成正比

    K是真空介电常数（Vacuum permittivity），又称真空电容率，是一个物理常数，值为8.854 187 818× 10-12法拉/米(F/m)；

    H是平面之间的厚度，平板间电容量和厚度成反比，所以我们想要得到较大的电容量，需要减小层间厚度，3M的C-ply埋容材料可以做到0.56mil的层间介质厚度，加上16的介电常数，大大增加了平板间电容量。

    经过计算，3M的C-ply埋容材料，在每平方英寸的面积上，能实现6.42nF的平板间电容量。

    同时，还需要使用PI仿真工具进行PDN目标阻抗的仿真，从而确定单板的电容设计方案，避免埋容和分立电容的冗余设计。图七是一个埋容设计的PI仿真结果，只考虑板间电容的效果，没有加入分立电容的效应。能看到只是增加埋容，整个电源阻抗曲线性能得到很大提升，尤其是500MHZ以上，是板级分立滤波电容很难起作用的频段，平板电容能有效降低电源阻抗。