智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層設(shè)計(jì)的一些思考

郭達(dá)文 李冬艷 孫 劼

（江西紅板科技股份有限公司，江西 吉安 343100）

0 前言

隨著5G技術(shù)及產(chǎn)品的出現(xiàn)，智能移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)對(duì)印制電路板（PCB）的要求也在不斷提升，PCB行業(yè)的發(fā)展也面臨新的挑戰(zhàn)，SAP（半加成法）、mSAP（改進(jìn)半加成法）技術(shù)相應(yīng)產(chǎn)生。隨著PCB設(shè)計(jì)的高密度化逐漸向高階HDI（高密度互連）和任意互連HDI板方向發(fā)展，使得線密集化和微孔化已逼近設(shè)計(jì)“極限化”[1]。PCB設(shè)計(jì)是以電路原理圖為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)者所需要的功能。PCB的設(shè)計(jì)主要是指電路圖設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)得考慮電子元器件的布局和走線、通孔的布局、外部連接的布局、電磁保護(hù)等因素[2]。PCB是由許多“層”組成，疊層是PCB設(shè)計(jì)的重要輸出。PCB制造工廠的工程師，我們不是PCB的真正設(shè)計(jì)者，但我們也不能僅僅只是根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的疊層信息，設(shè)計(jì)出制造流程，實(shí)現(xiàn)客戶需求，還更應(yīng)該根據(jù)PCB行業(yè)特征及制造能力去間接參與設(shè)計(jì)，從客戶研發(fā)端開始，設(shè)計(jì)出更加合理的疊層，從而實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的生產(chǎn)設(shè)計(jì)，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈健康發(fā)展。

智能移動(dòng)通信終端用PCB主要是HDI板，以下對(duì)這類HDI板為例的疊層設(shè)計(jì)談一些看法。

1 智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層的主要特點(diǎn)

1.1 完整的PCB疊層

疊層是PCB設(shè)計(jì)和制作的核心，疊層中含有PCB制作過程中所需要主要的信息，PCB的制作工藝流程都是圍繞疊層來進(jìn)行的。一個(gè)完整的智能移動(dòng)通信用PCB疊層主要包含以下信息：

1.1.1 層別信息

疊層中包括PCB的層數(shù)、每層的銅厚、層與層之間絕緣層的厚度、阻焊層的厚度，完成板的厚度要求等層別信息。

1.1.2 孔位置信息

埋孔、通孔、盲孔的位置，根據(jù)盲孔的位置可以判斷板的階數(shù)，也可以根據(jù)埋孔、通孔、盲孔在層間連通的位置來設(shè)計(jì)制造工藝流程。

1.1.3 阻抗相關(guān)信息

疊層中有對(duì)應(yīng)層的阻抗值要求、阻抗線寬線距設(shè)計(jì)理論值等信息。

1.1.4 材料信息

疊層中的PP規(guī)格、厚度、阻抗值可以推算出材料的Er（介電常數(shù)）值，這是我們選擇材料的基本依據(jù)。

疊層中包含層別信息、孔位置分布、阻抗相關(guān)影響以及材料信息，PCB工程師根據(jù)這些信息來進(jìn)行材料選擇、工藝流程設(shè)計(jì)。如圖1所示為一個(gè)十層二階HDI疊層結(jié)構(gòu)。

圖1 HDI板疊層結(jié)構(gòu)例圖

1.2 智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層

5G時(shí)代移動(dòng)通信終端用PCB的主要特點(diǎn)是高密度、高頻高速、高發(fā)熱，這對(duì)電路板材料的選擇、電路板的設(shè)計(jì)和制造工藝提出了挑戰(zhàn)[3]。隨著電子產(chǎn)品不斷地向小型化和多功能化方向發(fā)展，智能移動(dòng)通信用PCB都是二階以上HDI板，任意層互連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也逐漸成為智能手機(jī)、平板電腦等智能移動(dòng)互聯(lián)終端產(chǎn)品的主流設(shè)計(jì)。其疊層設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.2.1 薄

首先根據(jù)疊層設(shè)計(jì)，內(nèi)層芯板比較薄，大多需要使用包銅厚度0.05 mm及以下基板；另外疊層設(shè)計(jì)中所用的PP厚度比較薄，需要使用106#及更薄規(guī)格的PP。HDI板大多為8～14層板，完成PCB的厚度通常也只有0.6～0.8 mm，甚至更薄。

1.2.2 高

智能移動(dòng)通信用PCB通常為高階的HDI板，有任意層互連設(shè)計(jì)，其對(duì)工藝生產(chǎn)能力要求較高。作為通信用PCB，對(duì)信號(hào)傳輸要求較高，故對(duì)阻抗的一致性要求也更高。

1.2.3 密

高密度是HDI板的一個(gè)顯著特征，高密度設(shè)計(jì)不僅可以縮短信號(hào)的傳輸距離，降低電容和電感產(chǎn)生的損耗；還可以節(jié)約電能消耗，提升設(shè)備續(xù)航能力。智能移動(dòng)通信用PCB線路設(shè)計(jì)越細(xì)越密，相應(yīng)器件的焊盤和間距也越來越小，PCB制造的難度也隨之增加，SAP、mSAP等技術(shù)正因此而衍生發(fā)展。

2 智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層的幾點(diǎn)思考

2.1 材料的選擇

材料的選擇是PCB工程師技術(shù)水平的體現(xiàn)之一，選擇好材料不僅降低生產(chǎn)成本，更能提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率。智能移動(dòng)通信產(chǎn)品（如手機(jī)）更新?lián)Q代比較快，周期相對(duì)較短，對(duì)PCB的交期時(shí)間要更短。故在選擇材料時(shí)候既要考慮滿足客戶的性能要求，還要考慮材料采購、倉儲(chǔ)等因素。在滿足客戶要求的前提下，盡量選擇常用規(guī)格的覆銅板和PP；特別是PP的選擇，應(yīng)該盡量保證選擇多樣性的前提下，減少PP的種類，利于材料的通用性和一致性。

首先要結(jié)合PCB的交期短、持續(xù)批量較小等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適合本廠標(biāo)準(zhǔn)的常用疊層（如10層0.6 mm、12層0.8 mm等），在滿足客戶需求的前提下，確定幾種規(guī)格的覆銅板和PP作為常備物料。然后與客戶協(xié)商（特別是長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作客戶），在電路原理圖設(shè)計(jì)時(shí)直接參考使用標(biāo)準(zhǔn)常用疊層，減少備料時(shí)間，縮短交貨時(shí)間。

制定標(biāo)準(zhǔn)常用疊層，選定常用物料，對(duì)工廠物料管控以及倉儲(chǔ)等成本有著非常重要的作用，在一定程度也可以減少物料用錯(cuò)。以十層二階HDI疊層結(jié)構(gòu)為例（圖1），所有絕緣層均選用106#RC75%的PP，倉儲(chǔ)物料種類少，易于管控。若一個(gè)疊層中使用多種PP（106#RC75%、1080#RC65%、2116#RC51%），不僅倉儲(chǔ)物料種類的管控成本增加，還造成產(chǎn)線PP種類多，增加PP放錯(cuò)位置等錯(cuò)誤出現(xiàn)的概率。

2.2 工藝匹配性

設(shè)計(jì)好的疊層，必須和PCB制造的工藝流程相匹配才是好的疊層，這也是我們?cè)O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)常用疊層的另一目的。

疊層結(jié)構(gòu)中“縱橫交錯(cuò)”，縱向（Z軸）通過不同的孔進(jìn)行導(dǎo)通，要根據(jù)埋孔所在層別確定芯板層、第一次壓合層別，再根據(jù)盲孔所在層別確定后續(xù)層別的壓合；同時(shí)還要根據(jù)電鍍銅工藝的縱橫比（孔銅和面銅的比值）來計(jì)算每層能夠做到的銅厚，從而確定壓合時(shí)需要用到的銅箔厚度。橫向（X、Y軸）是每層完成的銅厚（基銅+電鍍銅）與線寬線距的匹配關(guān)系，完成銅厚直接決定線寬線距的制作能力及需要采用的工藝流程。只有與工藝相匹配的疊層，才能有更好的PCB制造過程，才有更高的制造良率。

2.3 阻抗

智能移動(dòng)通信用PCB 對(duì)信號(hào)傳輸要求較高，對(duì)阻抗的一致性要求也更高，特別是一些信號(hào)管控較高的阻抗，如50Ω的特性阻抗，阻抗公差要求已經(jīng)由正常的±10%加嚴(yán)到±6%，即（50±3）Ω。

阻抗的主要影響因素是絕緣介質(zhì)層厚度、銅厚、線寬線距。故疊層設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)材料電氣特性，以及每層圖形完成的銅厚、絕緣層厚度等參數(shù)，計(jì)算阻抗值。通過調(diào)整對(duì)應(yīng)線寬線距將理論的阻抗值設(shè)計(jì)到客戶要求的中值。

3 總結(jié)

隨著科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，現(xiàn)在不但物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和理念體現(xiàn)在終端的發(fā)展上，用戶對(duì)新應(yīng)用、新體驗(yàn)的需求也集中體現(xiàn)在智能終端機(jī)上，終端發(fā)展前景越來越明朗[4]。疊層設(shè)計(jì)是PCB制造設(shè)計(jì)的起始步驟，做好智能移動(dòng)通信終端用PCB疊層設(shè)計(jì)，起著開好頭的重要作用。本文針對(duì)智能移動(dòng)通信用PCB特點(diǎn)，從疊層設(shè)計(jì)、選材、工藝匹配等做了初步思考闡釋。