专利名称：准无环过孔方法
技术领域：
本发明涉及印制板(PCB)和多芯片模块(MCM)的设计方法，尤其是具有高精度、窄间距(Pitch)芯片的高密度PCB和MCM的设计实现方法。
背景技术：
随着集成电路技术的不断发展，芯片体积越来越小，而芯片引脚却越来越多，芯片和封装的引脚间距(Pitch)越来越小，由此带来了高密度PCB和高密度MCM布线的难题。面对现代电子设计中经常遇到高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度布线问题，通常的解决方法是采用缩小线宽或间距、减小过孔、埋孔、盲孔和微环过孔(也称无环过孔)等高密度互连(HDI)技术进行设计。这些技术和方法不仅增加了生产成本，同时增加了生产工艺难度，还降低了生产成品率。
在PCB和MCM设计中，利用电子设计自动化(EDA)工具设计过孔的常规方法是，首先分别设定过孔的布线层(包括表面层)连接盘的大小、电源地层非连接盘(反焊盘)的大小和表面阻焊盘的大小，然后再设定过孔的钻孔大小。这样就完成了过孔的定义，所定义的过孔在随后的PCB和MCM布线(手工或自动布线)设计中可以随时调用。可以看出通常情况下过孔的布线层连接盘在每一层上都是一样的，其大小没有变化。由此带来的问题是，随着芯片和封装引脚间距(Pitch)的越来越小，利用目前常规过孔技术已经不能完成高密度布线设计。
比如，在印制板设计中，当板上含有焊盘间距为1mm或更小封装的球栅阵列(BGA)器件时，过孔在常规工艺下通常采用0.3mm的过孔孔径和0.6mm过孔连接盘。在这种条件下，球栅阵列(BGA)器件下面两个过孔之间的布线扇出(Pin-escape)空间只留下0.4mm(焊盘间距1mm减去连接盘大小0.6mm)。因此，当印制板设计中导线间距和导线宽度都为常规工艺水平0.127mm时，其BGA里面每两个相邻过孔之间任何一层都只能通过一条导线，无法通过双导线(0.127mm*5＝0.635mm＞0.4mm)。如果BGA器件的引脚采用差分信号传输时，BGA器件的布线扇出(Pin-escape)需要以成对方式进行并行布线设计，这就导致在常规工艺条件下无法实现差分信号的布线设计。这就是现代印制板设计中经常遇到高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度布线问题。
目前解决上述高密度布线问题的常用方法有三种，一种方法是，采用缩小印制板布线的线宽和间距(如导线间距和导线宽度都变为0.1mm)、减小过孔(如过孔孔径采用0.2mm和连接盘采用0.5mm)的方法，这样，布线空间为0.5mm(焊盘间距1mm减去连接盘大小0.5mm)，可以从BGA每两个相邻过孔之间正好设计引出0.1mm线宽和间距的两条导线(0.1mm*5＝0.5mm)。但这种方法由于采用了很小的导线线宽、导线间距和导线过孔，因此，增加了生产难度，提高了成本。
第二种方法是，采用埋孔和盲孔的印制板设计技术，这种技术通过利用埋孔和盲孔技术来实现BGA器件的布线扇出，从而实现印制板高密度布线。但这种方法由于采用了埋孔和盲孔进行BGA布线扇出，印制板上的导线互连，需要经过过孔多次转接才能完成。过孔的多次转接，不仅降低了印制板上导线互连的可靠性，也对导线上高速信号的传输质量产生恶劣影响。另外，印制板的埋/盲孔生产技术和加工生产线，需要更高的工艺和成本才能实现。
第三种方法是，采用微环过孔(也称无环过孔)的印制板设计技术，即过孔孔径采用0.3mm，其连接盘也采用等于或微大于0.3mm的焊盘。这样，在不缩小线宽和间距(如导线间距和导线宽度仍为0.127mm)的情况下，还有0.7mm左右的布线空间(焊盘间距1mm减去连接盘大小0.3mm)，可以从BGA每两个相邻过孔之间正好设计出两条导线(0.127mm*5＝0.635mm＜0.7mm)。采用微环过孔或无环过孔技术进行高密度PCB或MCM布线时带来的问题是由于PCB或MCM的每一层连接盘的大小也与过孔的大小基本相同(连接盘的盘环＜0.1mm)，这样，PCB或MCM的每一层连接盘将在生产过程中可能被制造过孔的钻头(激光)打掉，从而使具有连接作用的连接盘可能被去除，因此，当过孔的连接盘有导线相连时，将严重影响连接盘与导线相连的连接可靠性，同时其生产成本也会大大提高。
上述三种方法的过孔实现方法是，过孔的每层连接盘都是一次设计完成，且具有同一个尺寸大小，即PCB或MCM的每一层连接盘的大小相同。同时，阻焊层焊盘的尺寸、电源地层反焊盘的尺寸和钻孔孔径的尺寸也是一次定义完成，并依据生产工艺的要求设计出相互适宜的尺寸大小。微环过孔或无环过孔的实现方法与一般过孔的实现方法相同，只是微环过孔或无环过孔采用的是只有微连接盘环或没有连接盘环的连接盘，即PCB或MCM的每一层连接盘大小相同，并且连接盘的大小与过孔的大小基本一致或略大一点。
上述三种方法属于印制板HDI(高密度互连)技术范畴，它们在不同程度上增加了印制板生产的工艺难度和生产成本。如何在不增加生产成本和工艺难度的情况下，利用常规生产工艺，实现具有高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度印制板布线，提高印制板的可制造性和可靠性成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在不增加生产成本和工艺难度的情况下，利用成熟的生产工艺，实现具有高精度、窄间距(Pitch)芯片的高密度PCB和MCM布线设计。
本发明的技术方案是利用印制板EDA软件提供的分层定义连接盘(焊盘)尺寸大小的功能，对PCB和MCM过孔在不同层的连接盘进行分别定义设计，来完成布线空间和连接盘区域的避让，从而实现具有高精度、窄间距(Pitch)芯片的高密度PCB和MCM的布线设计。
本发明实现方法是在过孔定义阶段，当某层有导线连出时，其相应的连接盘定义采用有环连接盘；而某层没有导线连出时，其相应的连接盘定义采用微环连接盘，该连接盘的大小与过孔的大小基本相同；另外，对于过孔的两个表面层连接盘也都设计采用有环连接盘，这样可以保证过孔连接即电镀的可靠性，同时保证BGA连接盘扇出线与过孔连接的可靠性。通过这样灵活可变和因层而异的连接盘设计技术，即，过孔连接盘的设计采用“有线(连出导线)则大(有环连接盘)、无线(连出导线)则小(微环连接盘)”的原理，来达到布线空间和连接盘区域的有效避让，从而实现在不增加生产成本和工艺难度的情况下，利用成熟的生产工艺，实现具有高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度PCB和MCM布线。另外，为保证印制板设计的可靠性和印制板的可生产性，以及本发明在印制板EDA软件中的可操作和可实现性，一般，在印制板布线空间允许的情况下，微环连接盘的大小应该略大于过孔的孔径。
本发明的实现步骤是首先，根据高密度器件的引脚和连线情况，进行相关的布线规划和叠层设计，即设计高密度器件引脚的差分导线对可以从哪一层以怎样方式进行布线；其次，在具有分层定义连接盘(焊盘)尺寸大小功能的EDA软件中，打开过孔设计定义模块，并根据生产工艺的实际能力确定过孔孔径和连接盘(焊盘)的尺寸大小；第三，根据PCB或MCM布线设计的叠层情况，按照有环连线盘和微环连接盘的不同组合方式，定义出所有可能的准无环过孔的组合方式，这样，在PCB或MCM布线设计时，就可以依照布线的需求随机调用各种有环连线盘和微环连接盘组合的过孔，使得过孔微环连接盘对应的布线层的布线空间得以有效让出，以便该层可以多布导线。另外，由于本发明没有改变过孔的阻焊层焊盘、电源地层反焊盘和钻孔孔径的设计方法，因此，对于过孔的阻焊层焊盘、电源地层反焊盘和钻孔孔径的设计，还是按照原有或一般的设计方式和步骤进行，即每个过孔有环连线盘和微环连接盘组合定义完成后，再依据生产工艺的要求定义设计阻焊层焊盘的尺寸、电源地层反焊盘的尺寸和钻孔孔径的尺寸。最后，完成PCB或MCM布线设计中将使用的准无环过孔的设计，即一组有不同有环连接盘和微环连接盘组合的过孔，并可以依照布线的需求随时调用。
采用本发明进行高密度PCB和MCM布线设计，以及对EDA布线软件开发，可以达到以下技术效果1)对于具有细小腿间距(Pitch)的高精度器件，可以实现常规工艺线宽条件下的多线扇出(Pin-escape)。如1.0mm Pitch、1517Pin的BGA器件，可以实现常规生产工艺条件下5mil线宽/间距的双线扇出；2)通过简单实用的过孔设计技术，实现PCB或MCM布线设计的高密度布线；3)用较低生产工艺(或常规生产工艺)设计实现高密度PCB和MCM，从而保证高密度PCB和MCM的生产质量，提高高密度PCB和MCM的生产成品率；4)对于开发PCB或MCM布线软件的EDA厂家，可以在布线软件中增加“连线盘推挤功能”，该功能的实现将极大提高布线软件的高密度布线性能。该功能的原理是导线在布线过程中可以依据连接盘的连线情况对连线盘进行推挤，即，当某层某个连线盘没有连出线时，该层布线导线可以对该连线盘进行推挤(焊盘变小)，当某层某个连线盘有连出线时，该层布线导线不能对该连线盘进行推挤(焊盘固定不变)；5)对于低工艺、低密度的PCB或MCM布线设计和过孔定义也具有指导作用。
图1为准无环过孔设计的一个具体实施方式
；图2为1mm引脚间距(Pitch)出双导线的示意图；图3为准无环过孔布线设计实例的某层局部布线图。
具体实施例方式
为图1中，PCB上BGA器件的引脚间距(Pitch)为1mm，PCB过孔每一层(包括两个表面层即顶面层和底面层)的连接盘2、6、8、9定义为0.6mm(24mil)，即PCB表面层的连接盘2、9都定义为0.6mm，内部信号层中需要出线层的连接盘6、8定义为0.6mm(有连接盘环的连接盘)，而不需要出线的连接盘4、7定义为0.3302mm(只有微小环的连接盘4、7)，微环连接盘4、7的大小应该略大于过孔的孔径3，即微环连接盘4、7的盘环5一般小于0.1mm(0.3302mm-0.3mm＜0.1mm)，过孔的孔径3定义为0.3mm。当印制板的某布线层中相邻过孔的连接盘都为无连接盘环的连接盘时，在导线间距和导线宽度都为0.127mm(常规工艺水平)情况下，1mm封装的BGA下面两个相邻无环连接盘之间就可以通过双导线，从而实现高密度差分布线。本发明没有增加生产的工艺难度和生产成本，仍然采用常规生产工艺和生产技术，只要在印制板EDA过程中采用本发明的技术定义过孔就可完成。
图2中，黑色实心圆代表在某个内部层中相邻过孔的小盘，实线框代表信号导线，虚线框代表间距，A代表两个小盘之间的空隙，则A＝1mm-0.3302mm＝0.6698mm；通过2根信号导线需要的空隙是0.127mm*5＝0.635mm(25mil)＜0.6698mm，所以在这种条件下，差分对能从两个相邻过孔之间通过。
图3中，小白色实心圆表示无连接盘环的连接盘，大白色实心圆表示有连接盘环的连接盘，白色线段表示互连导线。
现在大多数PCB和MCM设计软件中都提供分层定义连接盘(焊盘)尺寸大小的功能，如Mentor公司的Boardstation、Cadence公司的Allegro等等。国防科大选用Mentor公司的Boardstation在自行设计的银河高性能计算机的PCB和MCM设计中成功运用了本发明，取得了很好效果。
权利要求
1.一种准无环过孔方法，利用印制板电子设计自动化EDA工具设计过孔，其特征在于利用EDA软件提供的分层定义连接盘即焊盘尺寸大小的功能，对PCB和MCM过孔在不同层的连接盘进行分别定义设计，具体方法是在过孔定义阶段，当某层有导线连出时，其相应的连接盘定义采用有环连接盘；而某层没有导线连出时，其相应的连接盘定义采用微环连接盘，该连接盘的大小与过孔的大小基本相同；另外，对于过孔的两个表面层连接盘也都设计采用有环连接盘，以保证过孔连接即电镀的可靠性，同时保证BGA连接盘扇出线与过孔连接的可靠性；即，过孔连接盘的设计采用“有连出导线则大，即设计有环连接盘、无连出导线则小，即设计微环连接盘”的原理，来达到布线空间和连接盘区域的有效避让，实现在不增加生产成本和工艺难度的情况下，利用成熟的生产工艺，实现具有高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度PCB和MCM布线。
2.如权利要求1所述的准无环过孔方法，其特征在于为保证印制板设计的可靠性和印制板的可生产性，以及本发明在印制板EDA软件中的可操作和可实现性，在印制板布线空间允许的情况下，微环连接盘的大小应该略大于过孔的孔径。
3.如权利要求1所述的准无环过孔方法，其特征在于本发明的实现步骤是3.1根据高密度器件的引脚和连线情况，进行相关的布线规划和叠层设计，即设计高密度器件引脚的差分导线对可以从哪一层以怎样方式进行布线；3.2在具有分层定义连接盘即焊盘尺寸大小功能的EDA软件中，打开过孔设计定义模块，并根据生产工艺的实际能力确定过孔孔径和连接盘即焊盘的尺寸大小；3.3根据PCB或MCM布线设计的叠层情况，按照有环连线盘和微环连接盘的不同组合方式，定义出所有可能的准无环过孔的组合方式，这样，在PCB或MCM布线设计时，就可以依照布线的需求随机调用各种有环连线盘和微环连接盘组合的过孔，使得过孔微环连接盘对应的布线层的布线空间得以有效让出，以便该层可以多布导线；3.4由于本发明没有改变过孔的阻焊层焊盘、电源地层反焊盘和钻孔孔径的设计方法，因此，对于过孔的阻焊层焊盘、电源地层反焊盘和钻孔孔径的设计，还是按照原有或一般的设计方式和步骤进行，即每个过孔有环连线盘和微环连接盘组合定义完成后，再依据生产工艺的要求定义设计阻焊层焊盘的尺寸、电源地层反焊盘的尺寸和钻孔孔径的尺寸；3.5完成PCB或MCM布线设计中将使用的准无环过孔的设计，即一组有不同有环连接盘和微环连接盘组合的过孔，并可以依照布线的需求随时调用。
全文摘要
本发明公开了一种准无环过孔方法，利用EDA工具设计过孔，其特征在于利用EDA软件提供的分层定义连接盘即焊盘尺寸大小的功能，对PCB和MCM过孔在不同层的连接盘进行分别定义设计，即在过孔定义阶段，当某层有导线连出时，其相应的连接盘定义采用有环连接盘；而某层没有导线连出时，其相应的连接盘定义采用微环连接盘，该连接盘的大小与过孔的大小基本相同。采用本发明可以达到布线空间和连接盘区域的有效避让，实现在不增加生产成本和工艺难度的情况下，利用成熟的生产工艺，实现具有高精度、窄间距(Pitch)器件的高密度PCB和MCM布线。
文档编号G06F17/50GK1664823SQ20051003139
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月30日 优先权日2005年3月30日
发明者曹跃胜, 胡军, 刘军, 金杰, 李元山, 宋飞, 谭剑峰, 孙俊霄, 陈超 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学