密度设计：薄PCB上的高密度互连

在快速发展的电子世界中，对更小、更轻、更强大的设备的需求持续增长。这就是薄 PCB 上的高密度互连 （HDI） 发挥作用的地方。如果您想知道如何设计 HDI 薄 PCB 以获得最佳性能，答案在于利用微孔、焊盘内过孔布局和仔细的信号完整性管理等先进技术。这些方法允许您将更多功能打包到更小的空间中，同时保持可靠性和性能。

什么是薄 PCB 上的高密度互连 （HDI）？

高密度互连 （HDI） 是指一种 PCB 设计方法，它使用更细的线条、更小的过孔和更密集的元件放置，在有限的空间内实现更高的功能。当应用于薄型 PCB（厚度通常低于 0.8 毫米的电路板）时，HDI 技术变得更加重要。这些薄板对于智能手机、可穿戴设备和医疗设备等紧凑型设备至关重要，在这些设备中，每一毫米都很重要。

HDI 薄 PCB 通常包含微孔（直径小于 0.15 mm 的过孔）、盲孔和埋孔以及焊盘内过孔等高级布局策略。这些元件减少了电路板的占地面积，同时保持甚至提高了电气性能。其结果是一块轻巧、紧凑的电路板，可以在不牺牲信号完整性的情况下处理复杂的电路。

为什么选择HDI进行薄PCB设计？

在薄 PCB 上使用 HDI 的好处很多，特别是对于突破小型化界限的行业而言。以下是这种方法改变游戏规则的一些关键原因：

• 空间效率：HDI 允许更紧密的元件放置，从而减小电路板的整体尺寸。这对于超紧凑设备中使用的薄 PCB 至关重要。

• 提高信号完整性：通过使用较短的信号路径和焊盘内过孔等技术，HDI 最大限度地减少了信号损失和干扰，即使在高频（例如高于 1 GHz）下也能确保可靠的性能。

• 减轻重量：具有 HDI 的薄型 PCB 重量更轻，使其成为便携式和可穿戴电子产品的理想选择。

• 增强的可靠性：HDI 设计中的微孔具有更小的纵横比（通常低于 1：1），与热应力下的传统通孔相比，这提高了耐用性。

凭借这些优势，HDI 薄 PCB 设计成为现代电子产品的首选就显而易见了。然而，实现这些好处需要仔细的规划和精确的执行。

HDI 薄 PCB 设计的关键技术

设计 HDI 薄 PCB 不仅仅是缩小组件或减少电路板厚度。它涉及掌握特定技术以确保功能和可靠性。让我们探讨这一过程的关键要素，重点关注微孔薄 PCB 结构、焊盘内通孔布局和高密度薄 PCB 布局策略。

1. 在薄 PCB 设计中利用微孔

微孔是微小的过孔，通常使用激光钻孔创建，直径通常为 0.05 毫米至 0.15 毫米。在微孔薄 PCB 中，这些小过孔连接相邻层而不会穿透整个电路板，从而节省空间并实现更密集的布线。

与传统的通孔过孔不同，微孔具有以下几个优点：

• 它们允许使用更细间距的组件，例如 0.4 mm 间距的球栅阵列 （BGA）。

• 它们减少了寄生电容和电感，提高了薄 PCB 上的信号完整性。

• 它们支持盲孔和埋孔配置，为额外的组件腾出外层空间。

然而，微孔也面临着挑战。它们的小尺寸使它们在组装过程中容易受到热应力，如果设计不当，可能会导致开裂。为了缓解这种情况，请确保纵横比（通过深度与直径）保持在 1：1 以下，并使用具有低热膨胀系数 （CTE） 的优质材料，例如聚酰亚胺基层压板。

2. 实现高密度布局的焊盘中的过孔

焊盘内过孔是一种将过孔直接放置在元件焊盘下方的技术，而不是将它们布线到电路板上的不同区域。这种方法在焊盘上过孔薄型 PCB 设计中特别有用，因为它可以最大限度地提高空间效率并支持高密度布局。

焊盘内通孔的主要优点是减少了信号路径长度。对于高速信号，更短的路径意味着更少的信号延迟和更好的性能。例如，在具有 5 GHz 信号的设计中，即使将走线长度减少 1 mm，也可以降低延迟并提高信号完整性。

要有效地实施焊盘内通孔，请考虑以下提示：

• 使用焊盘中过孔的微孔，以最小化焊盘尺寸并避免组装过程中焊料芯吸。

• 确保过孔填充并用导电材料盖住，以形成用于组件安装的平坦表面。

• 与您的制造合作伙伴合作，确认他们在焊盘内过孔工艺方面的能力，因为这项技术需要精确的制造。

虽然焊盘内过孔提高了密度，但由于涉及额外的步骤，它可能会增加制造成本。根据项目预算平衡收益，以确定此方法是否适合您的需求。

3. 优化高密度薄型PCB布局

高密度薄 PCB 布局需要仔细规划，以便在不影响性能的情况下将更多组件和走线安装到有限的区域中。以下是实现有效布局的一些策略：

• 细线宽和间距：使用小至 0.075 mm （3 mils） 的走线宽度和小至 0.075 mm 的间距来增加布线密度。这允许在元件引脚之间有更多的走线，特别是对于细间距器件。

• 叠层设计：选择在 HDI 薄 PCB 中具有 6 层或更多层的多层叠层。交替信号层和接地层以创建受控阻抗环境（例如，高速信号为 50 欧姆）。

• 元件放置：将相关元件紧密分组以最大限度地减少走线长度，并将高速元件放置在连接器附近以减少信号传播距离。

通过专注于这些布局技术，您可以实现紧凑而实用的设计，满足现代电子产品的需求。

确保薄型PCB设计中的信号完整性

信号完整性是任何 PCB 设计中的关键问题，但对于 HDI 薄型 PCB 来说，信号完整性变得更具挑战性。薄板的接地层和屏蔽空间有限，高密度布局增加了串扰和电磁干扰 （EMI） 的风险。以下是在薄 PCB 设计中保持信号完整性的方法：

1. 通过适当的分层最大限度地减少串扰

当相邻走线上的信号相互干扰时，就会发生串扰，从而降低性能。为防止这种情况，请在叠层中的信号层之间使用接地层。例如，6 层 HDI 薄型 PCB 可以遵循信号-接地-信号-电源-接地-信号配置来隔离高速走线。

2. 控制高速信号的阻抗

高速信号，例如以 2.5 Gbps 或更高的速度运行的信号，需要控制阻抗以防止反射。计算走线宽度和介电厚度以达到目标阻抗，单端信号通常为 50 欧姆，差分对通常为 100 欧姆。在制造前使用仿真工具验证阻抗。

3. 避免分割平面和长迹线

确保高速信号不会穿过接地层或电源层中的分体平面，因为这会中断返回路径并导致 EMI。保持走线长度较短以减少信号延迟——例如，3 GHz 时的 10 mm 走线会引入大约 50 ps 的延迟，这可能会影响关键设计中的时序。

通过在薄 PCB 设计中优先考虑信号完整性，即使在最苛刻的应用中，您也可以确保可靠运行。

HDI 薄 PCB 设计中的挑战和解决方案

虽然 HDI 薄 PCB 具有令人难以置信的优势，但它们也面临着独特的挑战。了解这些障碍以及如何克服它们是成功设计的关键。

• 热管理：薄 PCB 的散热材料较少，这可能导致高密度设计中的过热。使用热通孔和散热器来管理温度，并选择具有高导热性的材料。

• 制造复杂性：微孔和焊盘内过孔等技术需要先进的制造工艺，从而增加了成本。与专门从事 HDI 的可靠制造商合作，以确保质量。

• 设计复杂性：高密度布局更难布线和测试。使用具有HDI特定功能的设计软件来自动布线并验证信号完整性。

从长远来看，预先解决这些挑战将节省时间和资源，确保您的 HDI 薄型 PCB 按预期运行。

HDI 薄 PCB 制造的最佳实践

制造对于 HDI 薄 PCB 的成功起着至关重要的作用。以下是准备制造设计时应遵循的一些最佳实践：

• 遵守微孔纵横比（例如 0.8：1 或更低）的设计规则，以确保可靠性。

• 指定材料要求，例如高 Tg FR-4 或聚酰亚胺，以承受组装过程中的热应力。

• 包括有关焊盘内过孔设计的过孔填充和封盖的详细说明，以避免组装问题。

• 与您的制造团队密切合作，确认细线宽（例如，低于 0.1 毫米）和严格公差的能力。

通过使您的设计与制造能力保持一致，您可以避免代价高昂的修改和延误。

掌握HDI薄PCB设计

在薄 PCB 上使用高密度互连进行密度设计是满足现代电子产品的有效方法。通过利用微孔薄 PCB 结构、焊盘内过孔布局和优化的高密度薄 PCB 布局等技术，您可以创建紧凑、可靠且高性能的电路板。在薄 PCB 设计中优先考虑信号完整性可确保即使是最复杂的电路也能完美运行。