焦其正 王小平 紀(jì)成光

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 背景

隨著5 G和IPV6等網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)不斷向大容量、低延遲，高速度傳輸?shù)姆较虬l(fā)展，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)暮诵钠骷嘲?，也不斷向高密度、超高速，高穩(wěn)定性方向發(fā)展，這些性能要求引起的顯著變化就是，高頻高速材料（R5775及以上級(jí)別）的使用；尺寸超大1143 mm到1270 mm（45 in～50 in）；超厚（最大10 mm～13 mm）；層數(shù)超多（最大60～80層）；壓接器孔數(shù)劇增（最大7～12萬(wàn)/單元）。

上述變化對(duì)背板PCB的核心制程鉆孔提出了嚴(yán)苛要求和巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)楸嘲宓闹饕δ芷骷橥ㄟ^(guò)壓接器連接不同的功能模塊和網(wǎng)絡(luò)，其線(xiàn)路板上的主要的功能模塊為壓接器的壓接孔。壓接孔必須通過(guò)鉆孔制作出來(lái)（如圖1）。因此背板的鉆孔制作難度也就越來(lái)越大。這主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）板厚度大，鉆刀刃長(zhǎng)，容易產(chǎn)生斷刀報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）板尺寸大，壓接器數(shù)量多，孔位精度差極易產(chǎn)生壓接跪針的風(fēng)險(xiǎn)。

（3）板厚度高，出刀面偏位幾率高，容易產(chǎn)生背鉆孔殘銅問(wèn)題，引起短路失效。

（4）為了減小殘樁（stub）對(duì)高速信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，背鉆stub控制要求越來(lái)越高。

圖1 背板鉆孔典型缺陷

由于以上制作難點(diǎn)，因此必須開(kāi)發(fā)可行的適合背板的鉆孔技術(shù)和方法，滿(mǎn)足背板不斷發(fā)展提出的要求。

1 工藝方法研究

1.1 壓接孔鉆孔制作工藝

針對(duì)厚度超高的背板鉆孔，在分析現(xiàn)有鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上提出幾種鉆孔方法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

針對(duì)表1鉆孔方式，選取一個(gè)板厚9.0 mm的試板進(jìn)行鉆孔工藝測(cè)試，通過(guò)試板確定最佳的鉆孔方法，試板基本要求及結(jié)果分析如表2。

表2 厚背板不同鉆孔方式測(cè)試結(jié)果

從不同鉆孔方式鉆孔試板孔位精度結(jié)果（表2）來(lái)看：目前僅有采用等大對(duì)鉆方式鉆孔可以滿(mǎn)足出刀面孔位精度滿(mǎn)足Cpk≥1.0的要求，同時(shí)無(wú)超出0.10 mm（4 mil）的孔（保證無(wú)背鉆偏孔）。因此為了保證背鉆無(wú)偏孔殘銅，只能采用等大對(duì)鉆方式鉆孔。同時(shí)等大對(duì)鉆還可以保證無(wú)披鋒毛刺（需打磨修理），以及粉塵堵孔的問(wèn)題（見(jiàn)圖2）。

圖2 厚板常規(guī)鉆孔品質(zhì)問(wèn)題

對(duì)于等大對(duì)鉆工藝存在的問(wèn)題為對(duì)鉆交界位置階梯的問(wèn)題。出現(xiàn)階梯主要由于兩個(gè)原因?qū)е拢?/p>

（1）兩面定位孔偏差，板正反兩面鉆孔需相同定位孔重復(fù)打定位,由于兩次打定位，因定位孔偏移會(huì)導(dǎo)致兩面孔位偏移，最終形成階梯。

（2）單面鉆深大，反面對(duì)鉆時(shí)交界位置的導(dǎo)向作用導(dǎo)致偏位，最終形成階梯。

對(duì)于以上原因分析，結(jié)合鉆孔設(shè)備的發(fā)展與新功能的應(yīng)用，可以采用CCD鉆孔方式改善，即采用X-RAY打靶機(jī)鉆出的孔作為CCD標(biāo)靶孔，此標(biāo)靶孔僅供CCD抓靶（無(wú)需打銷(xiāo)釘定位，對(duì)孔無(wú)損傷），抓靶后自動(dòng)計(jì)算零位。同時(shí)兩面鉆孔均采用導(dǎo)電控深方式控制55%板厚的鉆深，通過(guò)此方法減小單面鉆孔深度，也可以改善對(duì)鉆階梯大?。▓D3）。

圖3 等大對(duì)鉆基本原理示意圖

通過(guò)采用導(dǎo)電控深對(duì)鉆+CCD鉆孔方式進(jìn)行等大對(duì)鉆，對(duì)鉆階梯可以由常規(guī)對(duì)鉆最大0.10 mm減小到≤0.05 mm，（見(jiàn)圖4）。

圖4 對(duì)鉆階梯改善結(jié)果

通過(guò)厚背板鉆孔方法的研究得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)比多種鉆孔方式，采用等大對(duì)鉆方法最優(yōu)，可以保證兩面孔位精度均滿(mǎn)足要求（壓接面±0.75 mm以?xún)?nèi)，非壓接面背鉆無(wú)偏孔殘銅，同時(shí)無(wú)披鋒毛刺；

（2）采用導(dǎo)電控深+CCD鉆孔方式進(jìn)行等大對(duì)鉆，可以控制對(duì)鉆階梯≤0.05 mm。

1.2 背鉆stub控制能力研究

1.2.1 背鉆Stub對(duì)信號(hào)的影響

由于網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性不斷提升，目前的信號(hào)傳輸經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)從表層到板中某一層的傳輸回路。基本上很少有完全的在兩個(gè)表層之間傳輸信號(hào)設(shè)計(jì)（圖5）。在高速信號(hào)傳輸中，過(guò)孔無(wú)效孔銅（stub，見(jiàn)圖6）對(duì)信號(hào)傳輸存在嚴(yán)重的干擾。嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致信號(hào)失真，或者無(wú)法傳輸。因此從電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者到線(xiàn)路板制造商都在尋找減小甚至消除stub長(zhǎng)度對(duì)信號(hào)影響的控制方法。

目前PCB制造業(yè)主流解決方案為設(shè)計(jì)背鉆流程，專(zhuān)門(mén)用來(lái)去除無(wú)效孔銅，其原理就是利用深度控制鉆孔方式將PTH孔無(wú)效孔銅部分鉆掉[圖6（b）]。此方法簡(jiǎn)單高效，同時(shí)也存在深度控制精度差（stub長(zhǎng)度值），穩(wěn)定性差（stub長(zhǎng)度一致性）的問(wèn)題。因此迫切需要提升背鉆stub控制的制作能力。即將stub值控制得越小越好，越穩(wěn)定越好。例如全部控制在0.05～0.25 mm（2～10 mil）以?xún)?nèi)。

圖5 信號(hào)傳輸?shù)湫湍Ｊ?/p>

圖6 Stub示意圖

隨著5G通訊及下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸不斷向高頻高速方向發(fā)展，這就對(duì)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性提出越來(lái)越高的要求，而隨著頻率的不斷提高，stub的影響也越來(lái)越明顯（詳見(jiàn)圖7所示），因此必須不斷提升信號(hào)傳輸?shù)闹匾绊懸蛩豷tub的控制能力和水平。

背板由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的提高，過(guò)孔背鉆的深度也越來(lái)越大，鉆深經(jīng)常達(dá)到板厚的50%～80%，通常最大鉆深達(dá)到5～7 mm。因此常規(guī)背鉆工藝方法無(wú)法滿(mǎn)足任意鉆深stub均控制在0.25 mm以?xún)?nèi)的要求。

目前背鉆stub控制能力差，且隨著鉆深的增加，stub長(zhǎng)度控制能力不斷增加，例如鉆深2.5 mm以下stub可以控制在0.25 mm以?xún)?nèi)，鉆深達(dá)到4 mm，stub僅能控制在0.35 mm以?xún)?nèi)，鉆深達(dá)到5 mm，stub僅能控制在0.40 mm以?xún)?nèi)。并且stub控制的一致性也越來(lái)越差。

出現(xiàn)這種隨著鉆深的增加，stub控制能力越差的主要原因在于介質(zhì)厚度偏差越來(lái)越大。這種介厚偏差的變化目前的設(shè)計(jì)和PCB制作工藝無(wú)法避免。因此就需要尋找減小和消除介質(zhì)厚偏差對(duì)stub控制的影響的背鉆工藝方法。

1.2.2 不同背鉆工藝原理

目前結(jié)合背鉆鉆機(jī)的基本原理，開(kāi)發(fā)出以下三種背鉆工藝，通過(guò)特殊的背鉆方法提高背鉆stub控制能力：分區(qū)背鉆，自動(dòng)測(cè)量板厚等比例背鉆，內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。三種工藝的基本原理如下。

（1）分區(qū)背鉆。

利用疊層設(shè)計(jì)資料中的銅厚疊加原理，模擬計(jì)算分析板厚分布規(guī)律，對(duì)整板進(jìn)行板厚分區(qū)，依據(jù)分區(qū)對(duì)板厚進(jìn)行測(cè)量，在分區(qū)測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)分區(qū)內(nèi)的板厚和被尊深度進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算與補(bǔ)償，減小和消除板面不同區(qū)域介質(zhì)厚度差異導(dǎo)致的背鉆深度不一致。

（2）自動(dòng)測(cè)量板厚等比例背鉆。

板厚測(cè)量等比例背鉆法，其基本原理如圖9。

針對(duì)板厚測(cè)量目前主要有接觸式和非接觸式兩種方式，由于測(cè)量位置與板面背鉆孔位置一一對(duì)應(yīng)才能更準(zhǔn)確反映實(shí)際板厚，非接觸式目前還不成熟（大部分停留在樣品和測(cè)試階段），接觸式普通方法僅能分區(qū)測(cè)量，因此結(jié)合Schmoll鉆機(jī)的mapping功能，開(kāi)發(fā)出smart mapping方法進(jìn)行準(zhǔn)確的單點(diǎn)測(cè)量（需背鉆的孔的位置），其測(cè)量的基本方法有兩種，一種為僅測(cè)量臺(tái)面法，一種為臺(tái)面和板面相結(jié)合的測(cè)量方法（圖9），通過(guò)試板對(duì)比臺(tái)面和板面相結(jié)合的方法測(cè)量準(zhǔn)確度更高，因此試板采用此方法。

（3）內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。

內(nèi)層導(dǎo)電背鉆主要有兩種方法兩次背鉆法和3D背鉆法，兩種方法的基本原理分別如圖10、圖11。

圖7 stub對(duì)信號(hào)影響示意圖

內(nèi)層導(dǎo)電兩次背鉆基本原理是將基準(zhǔn)面設(shè)計(jì)在距離不可鉆穿層的上方更近的位置（一般距離為0.5 mm～1.0 mm），通過(guò)減少介質(zhì)厚度的偏差提高stub的控制能力。第一次背鉆去除參考層與表層的導(dǎo)通，第二次背鉆以參考層為基準(zhǔn)面進(jìn)行背鉆。

3D背鉆的參考層設(shè)計(jì)思路與兩次背鉆相同，實(shí)現(xiàn)方法略有差異，主要差異為3D背鉆在一鉆時(shí)精確測(cè)量每個(gè)需背鉆孔位置的表層到參考層的介質(zhì)厚度。背鉆深度計(jì)算時(shí)進(jìn)行深度補(bǔ)償，消除表層到參考層的介厚的影響。

通過(guò)一個(gè)板厚7 mm，背鉆深度從2～5 mm的尺寸610 mm×914.4 mm的背板進(jìn)行能力對(duì)比測(cè)試，三種背鉆工藝能力水平測(cè)試結(jié)果如表3、圖12和圖13。

（1）3D背鉆與兩次背鉆制作能力接近，3D略?xún)?yōu)于兩次背鉆，3D背鉆和兩次背鉆能力明顯高于自動(dòng)測(cè)量等比例背鉆；

（2）按照CP≥1.67計(jì)算3D背鉆能力為0.75 mm兩次背鉆為±0.75 mm，自動(dòng)測(cè)量等比例背鉆制作能力為±0.14 mm。

圖8 板厚分區(qū)背鉆原理示意圖

圖9 自動(dòng)測(cè)量等比例背鉆基本原理

圖10 內(nèi)層導(dǎo)電兩次背鉆原理示意圖

圖11 3D背鉆原理示意圖

2 結(jié)論及推廣應(yīng)用

通過(guò)以上厚背板鉆孔制作工藝研究得出以下結(jié)論。

表3 三種工藝制作能力對(duì)比分析

圖12 不同背鉆工藝能力對(duì)比結(jié)果

圖13 三種背鉆工藝對(duì)比

（1）為了滿(mǎn)足壓接孔孔位精度以及背鉆位置精度控制要求，目前最佳的鉆孔方式為導(dǎo)電控深等大對(duì)鉆方式；

（2）等比例背鉆，內(nèi)層導(dǎo)電背鉆均可以提升背鉆stub控制能力，為了滿(mǎn)足stub＜0.25 mm（10 mil）要求，最佳工藝方法為內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。通過(guò)本項(xiàng)目的開(kāi)展，顯著提升厚背板鉆孔制作能力，為高端背板技術(shù)能力的提升和市場(chǎng)開(kāi)拓打下良好的基礎(chǔ)，滿(mǎn)足背板制作技術(shù)發(fā)展不斷提出的要求，促進(jìn)高頻高速背板技術(shù)能力的提升。