Craig Armenti

西门子Mentor事业部电路板系统部门的PCB市场工程师

Armenti拥有超过25年的EDA行业经验。他曾在几个大型通讯和软件公司担任过市场和应用工程师。

高密度互连（HDI）技术常常用于满足当今复杂设计的需求。越来越小的元器件间距、越来越大的含较多I/O数的ASIC（专用集成电路）和FPGA（可编程现场门阵列）、具备较短上升时间的高频应用，都要求PCB的尺寸越来越小，同时也推动了对高密度互连的需求。应用于HDI设计中的微通孔，除了具备一些较为明显的电气效应外，还存在对PCB电源完整性的影响。这包括去耦电容的安装电感的不同效应，由于芯片引脚穿孔的减少而带来的电路板平面性能的变化，以及由使用不同厚度的介质层所引入的层间固有电容的变化。

电源完整性（PI）简介

PCB电源分配网络（PDN）的设计目标非常简单：针对产品的频率范围，尽量降低电源和接地之间的阻抗。然而要成功实现这一目标并不容易。除了不断缩小为电容预留的空间外，由于存在多个可用于输电的电压轨和有限数量的层，这项任务会变得相当复杂。

PDN由直流-直流（DC-DC）变换器或提供电压轨的稳压器模块（VRM）、连接在电源和接地之间的去耦电容、传输电源的层和/或布线、片上去耦电容和将所有这些要素连接起来的引脚和通孔组成。

稳压器模块能够在电源和接地之间为1 MHz的频率提供一条非常有效的低阻抗路径。对于剩下的频率，电源和接地之间的低阻抗必须由电路板和片式电容来提供。电路板和片式电容并联在一起，但它们的有效性受其寄生电感和电阻的制约。

若不考虑寄生现象，所有的电容都会结合成一个较大的电容，这等同于阻抗将随着频率的增大而降低。但是，每个电容仅在一个给定的频率范围内（取决于其寄生电感）有效。例如，与比较小的表面贴装电容相比，容量很大的电解电容器会在较低的频率下达到低阻抗，但由于它们的寄生电感也较大，因而它们的阻抗在较低的频率下也将开始上升。

另一个例子是电路板层间的固有电容。由于电路板层中的寄生电感极小，这使得层间的电容即使在较高的频率下也是有效的。由于电路板层间的电容量通常受到电路板面积和间距的限制，只有在频率较高时，层间电容才等同为低阻抗。因此，每个电路板上的电容仅在一定的频率范围内有效，并且必须共同工作，以在整个频率范围内在电源和接地之间提供低阻抗通路。

芯片封装电感是制约电路板电容有效性的一个因素。这种附加电感增大了电路板电容的寄生效应，并使得电容在大约1　GHz以上的频率下是无效的。在1　GHz以上，片上电容（不受封装电感的制约）将提供电源和地之间的低阻抗通路。因此，通常在大约1　MHz~1 GHz之间的频率范围内来分析电路板去耦过程，并且电路板PDN设计的重点是最大限度地减少这些频率范围内的阻抗。

为使电容器在最大可能的频率范围内有效，对于给定的寄生电感，实现可能达到的最大电容值成为了终极目标。去耦电容的寄生效应由固有寄生效应和安装寄生效应组成。固有寄生效应、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL），是电容器自身的属性。电容器的安装可以显著增大电感和电阻，而尽量减小这些安装寄生效应能够实现电容器有效频率范围的最大化。控制安装寄生效应的最有效方法是通过尽量减小在电源和地之间电容连接的回路面积来实现。这意味着需要尽可能紧密地放置安装通孔，并尽可能地将电容器放置在紧靠电源层和接地层的位置上。HDI如何可以帮助实现这一目标是十分清楚的；通过在电容器焊盘中放置连接孔，可以使通孔尽可能近地放在一起。

电源完整性和HDI

所有HDI方法的共同特点为：穿过电路板内部层的通孔数量显著减少。我们所期望的主要附带结果为电路板上可布线区域的增加。同样显著的是，由于芯片引脚中通常含有大量的反焊盘而导致了电源层中孔数量的减少。这就产生了一块更大面积的铜，用于将交流和直流电流供应到芯片的电源引脚上。通常，无论对于芯片还是整个电路层，电流通路上会存在更小的电阻，从而导致电路板上高电流密度的区域减小。此外还使得连接到芯片引脚上的寄生电感更低，可让适当的开关电流达到电源引脚，同时也提高了IC周围去耦电容的有效性。

去耦电容器的有效性也会受到电路板叠层内电源层和接地层位置的影响。电源层和接地层位置是由所采用的HDI类型决定的。在所有情况下，这些层的位置会更靠近电路板的外层，但由于安装去耦电容时引入的安装电感将根据这些层是否相邻以及它们在电路板叠层中的位置而发生变化。这种效应即使在单个去耦电容上也非常明显，从整个电源分配系统来看，这种效果会进一步扩大。

电源和接地层布局所带来的另一个显著影响是电路层中的电容分布对整个电源分配网络阻抗的改变。HDI技术的固有特征是采用了较薄的介质材料，这会增加嵌入到电源-接地层平面对中的电容。特别薄的高介电常数材料可用于这种嵌入式电容的产生，而且即使是通常用于微通孔的介质也会表现出相似的特征。

电路板层中的孔

采用HDI技术的主要动力通常是由于在PCB板上采用了细间距BGA（球栅阵列）元件。当引脚间距接近0.65 mm和0.5 mm时，我们就无法通过传统的通孔技术将信号线从BGA上扇出。含通孔的焊盘很大，以至于会阻塞引脚间的任何布线空间，甚至会交叠在一起。此外，含通孔的反焊盘可能会发生重叠并消除PCB内任何接地和电源层的存在（造成孤岛死铜）。由间距极小的反焊盘构成的密集敷铜区（特别是在BGA的引脚区域内），将可能成为PCB配电网络（PDN）的主要薄弱环节，并可能导致直流侧的严重问题。HDI的优点之一是能够使用盲孔将IC引脚只连接到所需的层。这消除了电路层中多余的反焊盘并能够大大增加连接到IC供电引脚的铜面积。例如，将BGA的引脚区域内的所有接地通孔移除，可以大大提高直流电的输送能力。如果将接地引脚的反焊盘从电源层上移除，并保留用于供电的引脚，那么在引脚范围内的整个区域基本将用于电能输送。直流损耗几乎会全部被消除。

HDI的另一个优势是减小了通孔的反焊盘尺寸。微通孔具有比传统通孔要小得多的反焊盘。较小的反焊盘尺寸使得有更多的铜可用于电源传输。由于通孔数量减少，通过移除电路板层中的反焊盘，这种作用会进一步增强（虽然并不显著）。电路板层上孔减少的益处并不仅局限于直流电源传输，还会影响到PDN的交流阻抗。这包括去耦电容以及固有电路层寄生电容的有效性。由典型反焊盘创建的表面贴装元件焊盘颈缩部分电感较高，这限制了去耦电容的有效频率范围。通过移除电源和接地层上的孔可以大大改善电源分配能力（图3）。

图3：含微通孔（最小）、标准盲孔（中等）和不含HDI（最高）的PDN阻抗

电容器安装时引入的安装电感

电容器的安装无疑是决定其性能的最关键因素。电容器的电感主要取决于其安装。串联阻抗通常由其固有电阻或ESR（等效串联电阻）决定，但较差的安装结构可在同一级ESR上增大串联阻抗。事实上，电容器的安装不合理可能会令其去耦作用几乎完全失效。

电容器合理安装的关键在于减小连接电源和接地之间的电容器的回路面积。理想情况下，电容器将直接连接在电源和接地之间，但其会被放置在电路板的顶部（或底部），并由通孔连接到电源层。这些通孔的长度及其相互间的距离是决定电容器安装电感的最主要因素。因此，最好使接地层和电源层尽可能地靠近电路板表层。将电源和接地铺铜放置在电路板顶层也有利于减少如前一部分所述的电路板层的穿孔，同时可利用盲孔或微通孔连接电源层和接地层，还可大大减少IC引脚区域内的反焊盘数量。

除了通孔连接的长度外，电容器的两个安装孔之间的距离是决定电容器安装电感的另一个主要因素。两个安装孔距离应该尽可能近，以尽量减小电流回路面积。这就是HDI和焊盘内通孔技术在此变得十分具有优势的原因。由于将安装孔放置在每个电容器焊盘内，就可以使通孔尽可能地靠近。在图4的例子中，一个0402封装的0.01μF电容器分别以距其焊盘80 mils（1 mm）、40 mils（0.5 mm）贴装，最后是在其焊盘内进行贴装。采用焊盘内通孔贴装电容器，可以清楚地看出此时的安装电感量最小，这是由贴装方法导致的。

图4：通孔分别距焊盘1 mm、0.5 mm和0 mm贴装电容的阻抗值

还应当指出的是，在较高的频率下，阻抗低于目标值的单个电容器往往不足以提供完整的PCB电源分配网络。因此需要并联多个电容器。此外，由于层间具有极小的电感，我们需要借助于电源和接地层间的寄生电容来降低较高频率下的PDN阻抗。

电路层中的寄生电容

增加电路层中寄生电容可通过如下三种方式之一来实现：增大层的尺寸，增大层之间材料的介电常数，或减小层之间的间距。后两项是采用HDI技术的附带产物。由于电路板外层单独制造的，因此采用具备较高介电常数和比典型介质更薄的不同介质材料将同样具备成本效益。例如，当层之间的距离从5 mil减少到3 mil时，PDN阻抗会显著下降（图5）。

图5：层间距分别为5 mil（上图）和3 mil（下图）时的PDN阻抗

这个例子假定是FR4材料的尺寸和介电常数。通过使用专门的C-ply材料，可大大增加层中寄生电容，其厚度可以远小于1 mil而其介电常数可大于10。

结语

采用HDI技术具备包括可布线性和电气性能在内的若干优势。电源完整性作为电气性能的一个方面，会受到HDI技术的显著影响。相较于传统的电路板设计，HDI电路板无论是在减少电路层穿孔，或减少由电容安装时引入的寄生电感，还是在增大电路板上嵌入的寄生电容等方面，都具备更佳的电源完整性。