00037从HDI看SI短线、薄层、浅孔三强棒之能耐何在.doc
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1、从HDI看SI短线、薄层、浅孔三强棒之能耐何在白蓉生一. 题解1.1 高密度互连(High Density Interconnection; HDI)在完工之正统电路板外 ,继续以逐次(Sequential)额外增层的办法;制作出非机钻微盲孔(Microvia, 孔径6mil 以下)之层间互连,与细密布线(L/S 4mil 以下),以及近距设垫(球垫跨距30mil以下)之新式增层板者 (Sequantial Build up;SBU ) 称之为HDI板类。此领域自从1997年开发以来,目前已大量应用于IC之封装载板(Packaging Carrier/Board,俗称Substrates日本业
2、界称Module Boand)与行动电话手机板,或个人数字助理(PDA)等各种新式多层板产品中。1.2 HDI的故事1989年IBM公司在日本Yasu的实验工厂,首先推出在传统PCB的外层上 ,以感光成孔(Photovia)的增层(Build up)做法而推出增层板(BUM),得到更为轻薄短小与密集组装的“接续增层式”(SBU; 指超过一次以上的增层者)的板类。这种称为SLC(Surface Laminar Circuitry)的革命性商业制程,是有史以来第一次出现的BUM,也就是1997以后所另称的HDI。此种Photovia式的SLC,目前IBM仍使用于商标为Thinkpad的笔记型计算机
3、中,但成本与良率甚至可靠度,皆已逊于后起CO 2雷射成孔的HDI板类。图1. 此为具有微盲孔HDI板类之各种术语与代表性结构示意图。1994年美国PCB业界成立了一个合作性社团ITRI的组织,期欲共同努力推动与改善BUM制程,以期争取到更多的商机。同年9月在ITRI之下又组成了一个实务工作小组称为October Project,利用Motorola 的 MRTV2.2做为考试样板,共有18家相关业者利用Laservia, Photovia, Plasma-via与其它方法等进行微盲孔(Microvia)与细线路的制作。后于1997.7.15出版成果报告,而正式展开HDI的时代。目前所正式出版的
4、相关规范已有:(1).IPC-6016, HDI电路板类之完工允收用规范(1999.5)(2).IPC-4104, HDI基材板类之进料检验规范(1995.5)(3).IPC-2315, HDI板类设计规范(2000.6)图2. IPC-2315将HDI板类分为六种型别,此为其中两种表示法。注意右图中上面之二阶迭盲孔,原文中并未出现,系笔者所改画以符合量产之实情。1.3 讯号完整性(Signal Integrity; SI)板子中不管是跑的方波数字讯号(Digital Signal),或者是从板面飞上天空的弦波模拟讯号(Analog Signal), 当其等愈来愈快而进入前者的High Spe
5、ed 与后者的High Frequency(如RF或Microwave)境界时,其波动的振幅(Amplitude,即工作电压)必须一再的抑低(已从早年的12V,5V,不断下降到3.3V,2.9V,再到P- 的1.5V以下)。目的就是为了不断逼短讯号的 升起时间 (Rise Time,tr),与减少工作中的发热(500的P- 在1.6V时发热即已达16.8W)。不幸在讯号频率提高与传输速度加快下,负面效应的电磁干扰(EMI),射频干扰(RFI),与其它在各种噪声(Noise)也都相形应势而起日趋严重。图3.当方波数字讯号之工作电压愈来愈低时,其各种噪声(此图中为Switching Noise)可
6、容忍的限度也将愈来愈小。而且当讯号的振幅(Amplitude)变小后,线路中各种寄生(Parasitic)噪声可被忍耐的额度(Noise Budget)也必须要随之缩减,方不致造成误动作(Malfunction)或不能工作。然而一旦噪声限度(Noise Margain)逼小后,传统PTH的电路板将无法再承担良好的传输,即使勉强行之其所呈现的讯号质量(亦即讯号完整性),也必然因噪声太多而十分劣化不堪。1.4 讯号之正常传输 当导线中流通者是直流电流(D.C)时,其所遭遇的阻力称为电阻(Resistance),符号为R,其行为规范系遵守奥姆定律之R=V/I。 当导线中流通者是低频(60Hz或120
7、Hz)的交流电流时,其所遭遇的阻力称为阻抗(Impedance),符号为Z。其数值大小不但与导线本身的电阻(R) 有关,而且还另与回路的容抗与感抗有关,即: 当传输线中传送的是高频(20MHz以上)的波动讯号时,其所遭遇到的阻力另称为特性阻抗(Characteristic Impedance),符号为Z 0。其计算公式可简化为Z0 = 。此种高频传输线(指讯号线、介质层、与回归的参考层等三合一之整体说法)所遭遇的Z0, 己与导线本身的电阻无关,而只与其系统中之电感与电容有关。 图4 上图为完工组装板,其组件间讯号传送及回归的架构图。下为讯号传输中所遇到的阻力称为特性阻抗(Z0),与其组成内容之
8、示 高频讯号在电路板传输线中,其基本游戏规则是本身的Z0,必须要与“发出端”(Driver)组件的输出阻抗,以及接收端(Receiver)的输入阻抗,等三者相互匹配(指若干%),否则将出现Z0不匹配所带来讯号能量的反弹(射)与衰减等不良效应。且工作电压愈低与频率愈高时,或线路太长超过该逻辑之Critical Length成为Distributed系统者,各种反效果将愈容易出现,而所造成的多样噪声也将愈难处理。 1.5 三强棒的能耐新兴的HDI板类,挟其短线、薄层、与浅孔等三大强棒优势,而在高速高频的竞技场中大出风头。一般商贾说客业界学者,凡涉及HDI之优点者,几乎是人人都颇似内行,一律祭出轻薄
9、短小电性良好之口头禅。滔滔之余却鲜有从传输线原理,与讯号完整性而深入说明者。且各新兴事物与抽象观念对新手们的表达,图标方法不但比文字叙述容易了解,而印象与认知也将更为鲜活与深刻。下文中笔者即采用多种图表之快捷方式,直接深入说明HDI三支强棒之高招何在,又如何能对高速逻辑与高频模拟等讯号,在电性质量方面做出明显的贡献。 二 .布线愈短愈好 The shorter line the better当逻辑家族的工作电压不断降低,相形使得升起时间(Rise time tr )持续缩短,而成为高频高速讯号时,其芯片封装板类与组件组装板类,所能容忍的噪声额度当然也就随之被一再挤压,造成各种板类动辄得咎难以讨
10、好。必须在PCB传输线(含讯号线、介质层与参考层等三者)制作质量上加倍小心,避免高速讯号之质量由于硬件之不良而有所损伤。2.1 传输线太长时将造成讯号能量的损失(Loss)与衰减(Attenuation)传输中讯号能量的不当漏失损失,会出现三个方向,亦即在导体本身中发热,往介质材料中漏失,及朝空气中射出来。现说明如下: 1. 在导线中遭受电阻之发热而损失2. 朝向介质材料中的漏失,称为Dielectric loss亦称散失因素(D f)或损失正切。此项性质对数字讯号并不重要,但对高频模拟讯号则是十分关键。这种讯号能量往板材的损失,现用一种简单的实验而加以证明。可将无铜的FR-4板材与PTFE(
11、铁氟龙)板材,同时放入家用的微波炉中,经一段时间的 加热 处理取出后,将会感到FR-4板材要比PTFE板材更热一些。此即表示FR-4的D f要大于PTFE,因为只有被吸收的微波能量才会进行加热。换言之只有漏失到板材中的微波能量才会转变为热能。相反的涉及到Dk介质常数时,则对数字讯号的质量十分重要,对高频模拟讯号反倒无关痛痒 。D k的大小是指传输线中的讯号能量,被具有偶极矩(Dipole Moment)的极性材料所暂时吸附,并未转变成为热能而成为真正的损失。3. 高频讯号的能量也会往空气中损失,将成为EMI 与RFI式的噪声干扰,此与布线方式有关(如不可采用锐角转折,以减少致发生尖端放电等)
12、图5.传输线(含讯号线、介质层与参考层)太长时,将造成讯号能量的衰减,以至接收端所得到讯号不正确,无法达成任务。2.2 近距短线可减少反射效应传输线太长,阻抗匹配之难度加大,容易发生反射噪声,其原因来自:(1) 讯号线中的任何缺口、针孔、凹陷与凹点等异常。(2) 介质层厚度不均与Dk 不稳定(如玻纤与树脂的差异)。(3) 参考层铜面的缺口裂口等。图6.传输线太长特性阻抗控制不易,尤其讯号线有缺点时常造成反射之噪声与前传之误讯。2.3并行线变短可减少串讯当布线网络中之两并行线,其中之一具有讯号传输者称为主动线(Active line),无讯号但却遭主动线电磁干扰者称为被动线(Victim Lin
13、e),造成所谓的近端串讯(Crosstalk)或耦合(Coupling)现象。此种噪声的主要原因,是主动线之磁场对被动线所产生的电感,与主动线之电场对被动线所产生的电容两者所感染。避免或降低的方法有: 加装解耦合用的电容器(Decoupling capacitor)或拉宽其间距。但在密集布线下,只好减短其平行长度以降低磁场的互感与电场的互容,或逼薄其介质层而使其串讯能量进入大地而解决之。太密太长的并行线因磁场的互感(Mutual Inductance)与电场的互容(Mutual Capacitance)而造成串讯(Crosstalk)的噪声(Noise)图7 布线网络彼此平行愈长者,高频讯号之
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