HDI板规范与设计参考资料

  1 简述

  当开始设计HDI设计，应该会先参考一些既有可用规范参考资料，而IPC相关资料与规范是读者可以作为领域入门资料之一。IPC有四分与HDI设计相关性高的规范：

  1）IPC/JPCA-2315-高密度互连结构与微孔设计指南

  2）IPC-2226-高密度互连（HDI）印刷电路板设计准则之部

  3）IPC/JPCA-4104-高密度互连（HDI）结构之介电质材料验证与性能表现规范

  4）IPC-6016，高密度互连（HDI）结构的验证与性能表现规范

  使用HDI技术的读者，可以参考这些规范进行技术规划，并作为HDI设计方法的重要参考。IPC-2226是一份教育业者如何选用成孔技术、线路密度、设计准则、互连结构、材料特性的规范，它尝试提供电路板设计使用微孔结束的一些标准。

  2 设计先进的HDI板

  IPC-4104是一份尝试定义高密度互连结构使用材料的规范，这份规范内容包含用在HDI制作的薄膜材料特性，这是高性能电路板首先需要注意的材料特征。在HDI设计过程中，最重要的步骤就是选用材料，它决定了产品性能表现与制造技术选择。当进行HDI设计时，有大量可用材料被列入，且这些材料不同于传统多层板材料。其中片状材料特性被区分为三种主要类型：介电质絶縁材、导体与导体加絶縁材。

  这些绝缘材料可归类为四大类：

  1）树脂涂装铜皮（RCC、PI基材等）

  2）基材（强化的环氧树脂、Cyanate Ester等）

  3）液态材料（环氧树脂、感光材料、BCB等等）

  4）薄膜（未强化环氧树脂、液晶材料高分子等）

  从机械特性看，材料可以概分为强化、无强化基材及胶片。强化材料一般尺寸安定性比较好，同时膨胀系数（CTE）也比较低，对于热断裂1问题比较不敏感。不过无强化材料常具有较低的介电质常数（Dk），也比较薄且可能具有感光性。

  一些不同的强化与无强化材料，可以支援高信赖度产品市场高尺寸稳定度需求，当然对消费性电子产品也可用。玻璃纤维强化的基材与树脂涂装铜皮（RCC），是最普遍被提高的HDI增层材料。不过因为价格与强度特性等因素，当雷射加工技术改善时，业者选用的搭配性材料仍然以有纤维强化材料为大宗。

  这些材料的可接受度，依据需求定位为：目视特性、尺寸需求、机械需求、化学特性需求、电气特性需求、环境需求等。一系列规格，都是针对特性材料所规范，每种材料提出的工程与性能数据，都是搭配制作高密度互连结构而设，这些材料包括介电质、导体与介电质/导体混合体等。单张材料会搭配字母与号码来定义其目的，要开始安排制程，读者可以参考IPC-4104文件并搭配个别材料数据资料来规划。

  IPC-6016主要内容，是针对一些还没有被其它IPC规范律定的高密度载板进行规范。类似于IPC-6011，包含一般性电路板认证及性能表现规格。这些HDI的允收特性，分别被归入不同产品类型：

  1）晶片载体

  2）手持装置

  3）高性能产品

  4）严苛环境产品

  5）可携式产品

  其它允收需求则另外归入个别规范。

  3 HDI板基本结构与设计规范

  为了有效连结高引脚阵列构装，需要发展出一些新方法。尽管一些名词如：序列式多层板、加成多层板（BUM）等在过去曾被用来描述这类技术，不过HDI的好处还是源自于非常小的孔设计，业者将这种孔称为微孔（Micro Via）。

  而IPC技术委员会对于HDI板设计，定义任何孔如果设计成小于等于150μm，就被认定为微孔，这大约相当于千分之六英寸（6 mil）。为了与半导体业者结合，目前HDI技术已经比较少使用英制单位描述技术或产品。电路板概略区分有两种基本HDI板结构，它们依据增层（buildup）的方法区分，各是“序列式增层（Sequence buildup）”结构与所谓的“随机层间连结（Any-layer）”结构，其断面可以参考图1。

  3.1 IPC/JPCA-2315 HDI设计指南

  如前所述IPC-2315包含一些不错的HDI板设计指引，经过简略HDI结构与微孔研究，巨观的设计文件被整理出来提供给比较不熟悉HDI设计的业者参考。第一个关键的文件是2315刘程度，可参考图2所提供的梗概，作为后续作业指引。

  3.2 HDI布线需求与准则

  电路板设计与布局是一个需要高度纪律与严谨程序的工作，当然这也有利于产出与创意的管控。IPC的规范提供部分需要遵守的规则资讯，不过都仅止于基本原则性建议。这些是到目前为止比较具体可以遵循的方式，而且应该会持续进行修正。

  IPC-2226 HDI设计规范

  主要是进行高密度互连结构分类，依据典型堆叠模式IPC将这类电路板大分为六种结构。不过当导入不同材料时，应该还会出现一些结构变化。图3所示，为几种代表性结构堆叠断面。

  这些资料是IPC当初为了方便了解进行的分类，实务上因为材料、设备、应用等变化，会有更复杂的堆叠结构出现。如：目前智慧型手机用板，都用全堆叠结构发展，断面有点类似类型VI，但多数厂商采用填孔电镀制作。因此从实用角度看，笔直并不重视这些分类细节，仅建议读者把它们当做入门参考就可以了。

  设计准则的规划

  设计者应该要了解，并非所有制造商都具有相同制程能力，在小间隔（Fine Pitch）影像转移、蚀刻、层间对位、成孔、电镀各方面都会有能力差异。基于这个理由，针对HDI设计标准，IPC将其归类为A、B、C三类，A类被认定为是比较容易生产的等级，而C类则是最困难的类型。这种分类原则，与全球各大电路板协会制定技术地图分类原则相同。

  选用特殊设计准则，会限制可用厂商范围，也会影响生产良率好坏。以A类设计准则生产线路，生产比较容易且有高良率，可以用较低成本制作。因为允许公差比较宽，厂商有机会沿用多数既有设备生产，且可有比较好的良率，因此较容易找到恰当厂商。B类设计准则则是传统HDI板制程，一般状况有60%以上供应商可以符合这种设计需求。C类准则需要较小板面积与略高制作技术才能生产，这种等级一般都只有电子构装、晶片载板（COB）或SiP应用需求。这类产品目前良率相对较低且单价高，推估少于一成制造商可达到这种水准，因此产能相对比较有限。

  典型HDI设计准则，可以参考IPC-2226的HDI与微孔设计规范、I-VI典型HDI结构、建议设计准则、应对A、B、C三个等级资料。IPC-2226还包含更复杂的HDI结构，因为只是一般性建议，使用时还要搭配厂商技术能力调整，且技术变动时常是规范无法跟上的，笔者建议还是直接找厂讨论比纯参考文件实际。

  电气特性

  IPC-2226的Section 6讨论有关电气特性，涉及特性阻抗、单端点的微带线（microstrips）阻抗、带线（strip-lines）、共平面（coplanar）、微分讯号（differential signals）等，这些特性都受使用材料的介电质常数、厚度、堆叠与设计准则影响。讯号衰减是介电质损失系数、设计准则、线路长度的函数。各种类型杂讯（接地反弹、切换杂讯、电源供应突波等）和交谈式杂讯，都是电源供应搭配整片电路板堆叠、接地层、设计准则、材料特性等结构的函数。

  热管理

  PC-2226的Section 7涵盖一些有关热的议题，比较薄的介电质搭配微孔有利于散热。新式干膜与液态介电质也提供比较好的热特性，比起传统基材要好得多。

  零件与组装问题

  Section 8讨论有关零件组装问题，这方面遵循IPC-2221的一般性规范。覆晶衬垫、单位面积的接点容量、凸块选择等都纳入讨论。各种其它构装衬垫选择，如：衬垫形状设计与大小等都有个别讨论。

  孔与互连

  Section 9的内容定义了一些有关最小孔径、孔圈、衬垫的规则，讨论中搭配各种微孔形成技术应用及可能产生的断面状态。这个部分涵盖阶梯、堆叠微孔，同时也包含微孔深度变化。Section 10再度讨论有关绕线的因素，但避开计算的部分。