雙面壓接背板可靠性研究

齊丹 劉彥強(qiáng) 施清清

摘 要：雙面壓接背板作為一種高速背板，用于實(shí)現(xiàn)線路信號傳輸和互連。本文從雙面壓接背板的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)過程和制備工藝流程等方面探討了雙面壓接背板的可靠性。

關(guān)鍵詞：高速背板；可靠性；制備流程；電路板

0 引言

從3G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到4G網(wǎng)絡(luò)，全球移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量每年約增加50%，在全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量中的占比從3G網(wǎng)絡(luò)的0.9%上漲到4G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的32%?？梢灶A(yù)見，隨著國內(nèi)5G通信行業(yè)的快速發(fā)展，持續(xù)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，5G通信網(wǎng)絡(luò)勢必將承載更大的流量。5G承載網(wǎng)是一個(gè)集寬帶、移動(dòng)通信、云專線架構(gòu)于一體的綜合承載移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，需要具備1～2倍站點(diǎn)帶寬演進(jìn)、10G～100G承載、極低時(shí)延、高精度時(shí)鐘架構(gòu)基礎(chǔ)的能力，支持寬帶、移動(dòng)通信、云專線綜合承載靈活演進(jìn)能力，同時(shí)末梢設(shè)備具備即插即用的部署能力。隨著5G技術(shù)的發(fā)展和全國范圍內(nèi)的5G市場布局，設(shè)備供應(yīng)商需要不斷應(yīng)對5G業(yè)務(wù)的低時(shí)延、大流量、大帶寬的挑戰(zhàn)。在通信設(shè)備中，背板作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信基站中面積最大的線路板，用于連接、插接多塊單元板，承擔(dān)著連接、支撐各功能模塊的物理和電氣互連、實(shí)現(xiàn)各子板信號傳輸?shù)墓δ?。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對大帶寬、大流量、高速率、高效率需求的激增，越來越多的數(shù)據(jù)鏈路要求通過背板布局走線，導(dǎo)致交換卡與線卡之間數(shù)據(jù)鏈路傳輸速率越來越高，同時(shí)背板中需要使用一定數(shù)量的高密連接器連接線卡和交換卡，導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率已接近于背板傳輸速率。因此背板印制電路板的高速材料用量和層數(shù)也在不斷增加，集成度要求越來越高，要求信號損耗不斷減少，使高速背板的設(shè)計(jì)和工藝難度越來越大[1]。

1 高速背板概述

背板本身是一種較為特殊的電路板（PCB），主要為設(shè)備系統(tǒng)中各子板提供數(shù)據(jù)互連通道，包括信號傳輸、電氣互連、接口管理等，在物理結(jié)構(gòu)上起到對子卡的支撐作用。高速背板與普通背板的區(qū)別在于，高速背板上信號互連數(shù)據(jù)傳輸速率較高，PCB材料及高速背板連接器都是高速傳輸信號相關(guān)的。

常見的高速背板按照物理形態(tài)可以分為兩種：Backplane和Midplane，也就是單面插接背板和雙面插接背板。

單面插接背板與其他電子硬件模塊的接口僅位于背板PCBA的單面，如圖1所示。

雙面插接背板與其他電子硬件模塊的接口連接器位于背板PCBA的上下兩面，且雙面插接背板需安裝于整機(jī)柜機(jī)框中間，方便安裝前后子卡或模塊，如圖2所示。

在雙面插接背板中，存在一種特殊形態(tài)的“正交背板”，即前后插板通過正反兩面壓接的正交連接器互連，不需要背板PCB布局走線，能夠大幅降低高速信號傳輸鏈路長度，如圖3所示。

2 雙面壓接背板設(shè)計(jì)過程

雙面壓接背板一直是PCB制造中具有專業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)與制造工藝與其他大多數(shù)電路板有著很大區(qū)別，制造工藝中需要滿足一些定制化的苛刻要求，在噪聲容限和信號完整性方面也要求雙面壓接背板的設(shè)計(jì)遵從特有的設(shè)計(jì)規(guī)則。雙面壓接背板的這些特點(diǎn)導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)之初以及設(shè)備規(guī)范和設(shè)備加工等制造要求方面與普通常規(guī)PCB存在巨大差異。未來的高速背板尺寸更大、更復(fù)雜，且工況要求相比以往工作時(shí)鐘頻率更高，帶寬范圍更廣，與此同時(shí)，信號線路（track）數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)將會不斷增高。

因此完整的雙面壓接背板設(shè)計(jì)流程除了需要考慮客戶的定制化需求和遵循雙面壓接背板產(chǎn)品集成開發(fā)流程之外，還應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品硬件系統(tǒng)的完整架構(gòu)考慮設(shè)計(jì)流程和制備工藝，主要是因?yàn)殡p面壓接背板與產(chǎn)品硬件架構(gòu)強(qiáng)相關(guān)，除了與系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)硬件模塊都存在信號接口外，與整機(jī)機(jī)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也關(guān)系緊密。

雙面壓接背板的設(shè)計(jì)流程主要包含下列設(shè)計(jì)階段：關(guān)鍵技術(shù)論證→硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)→總體方案設(shè)計(jì)→PINMAP設(shè)計(jì)→原理圖設(shè)計(jì)→PCB設(shè)計(jì)→UT測試→系統(tǒng)集成測試[2]。

3 雙面壓接背板制作流程

目前隨著5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電子元器件集成度要求的提高，采用雙面插接背板擴(kuò)展背板槽位接口數(shù)量已成為背板技術(shù)發(fā)展的前沿趨勢。雙面背板上槽位數(shù)目的倍增使硬件架構(gòu)系統(tǒng)業(yè)務(wù)在背板上的配置更加均衡，直接帶來PCB布局設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，同時(shí)也為多硬件系統(tǒng)集成提供了可能性。

雙面壓接高速背板主要制作流程如下：L1（第1層線路）-Ln/2（第n/2層線路）：前期處理→沉銅→蝕刻→表面處理→；L1-Ln（第n層線路）：層壓→鉆孔→沉銅/加厚銅→背鉆→蝕刻→阻焊→；Ln/2+1（第n/2+1層線路）-Ln：前期處理→沉銅→蝕刻→表面處理→；雙面壓接高速背板：表面處理→銑板→開蓋（成型盲孔壓接區(qū)）→電子測試→終檢→后期封裝[3]。

4 雙面壓接背板的可靠性研究

背板作為電子系統(tǒng)的“大動(dòng)脈”，負(fù)責(zé)承載各種電子元器件并傳輸信號數(shù)據(jù)，其質(zhì)量和可靠性與整個(gè)電子封裝產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性息息相關(guān)。而隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)的興起，電子產(chǎn)品勢必會向著小型化、輕量化和多功能化要求邁進(jìn)；無鉛，無鹵等環(huán)保因素的推動(dòng)，對背板質(zhì)量和可靠性的要求也會愈來愈高，因此如何快速定位雙面插接背板可靠性的問題并提升其可靠性將成為新的技術(shù)難點(diǎn)。

以下將結(jié)合用戶的需求、雙面插接背板的結(jié)構(gòu)要求和制造封裝工藝等方面探究雙面壓接背板的可靠性。

4.1 用戶需求

用戶對能夠在復(fù)雜工況下正常工作的雙面背板的需求不斷增長，要求背板制備設(shè)備加工能力需與時(shí)俱進(jìn)。尤其是要求雙面背板尺寸更重、更厚，比標(biāo)準(zhǔn)PCB要求有更多的層數(shù)和穿孔。此外，雙面倍面所要求的線寬和公差更趨精細(xì)，需要采用混合總線結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)。

4.2 背板尺寸和重量對輸送系統(tǒng)的要求

雙面背板與背板間的最大不同在于前者需正反插接連接器，要求兩面板子使用厚尺寸以及大而重的原材料基板，由此推動(dòng)了對大尺寸板輸送工具的確認(rèn)和購置需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員為解決插接連接器的走線問題不得不額外增加銅層，使背板層數(shù)增加。另一方面，苛刻的EMC和阻抗條件也要求在設(shè)計(jì)中增加層數(shù)以確保充分的屏蔽作用，降低串?dāng)_，同時(shí)增進(jìn)信號完整性。

4.3 層的對位

為了滿足用戶應(yīng)用的要求，雙面背板層數(shù)也越來越多，層間的對位變得十分重要。層間對位要求公差收斂。板尺寸變大使這種收斂要求更為苛刻。蝕刻以后，使用鉆孔系統(tǒng)設(shè)備對雙面背板層板穿孔。除了對鉆孔要求電鍍層厚度均勻外，雙面背板設(shè)計(jì)工程師一般對外層表面上銅的均勻性有著不同的要求。一些設(shè)計(jì)在外層上要求蝕刻很少的信號線路。另一方面，面對高速數(shù)據(jù)率和阻抗控制線路的需求，外部層設(shè)置近乎固態(tài)的銅薄片將變得十分必要，以作EMC屏蔽層之用[4-5]。

4.4 檢測

由于用戶的需要雙面背板有更多的層數(shù)，因而確保在粘合前對層間刻蝕層進(jìn)行缺陷識別和隔離至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)雙面背板阻抗有效且可重復(fù)控制，蝕刻線寬度、厚度和公差成為關(guān)鍵指標(biāo)。大尺寸多鉆孔的雙面背板以及在雙面背板上放置有源回路，共同推進(jìn)了在進(jìn)行電子元件裝填之前對光板進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)的需求。

另一方面，雙面背板上鉆孔數(shù)目的增大意味著光板測試夾具將變得十分復(fù)雜，采用專用工裝夾具可大大縮短單位測試時(shí)間。如采用雙面飛針探測夾具，用原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，可確保與用戶設(shè)計(jì)要求的一致性，并降低成本，縮短上市時(shí)間。

4.5 封裝

傳統(tǒng)上，出于可靠性考慮，傾向于在背板上使用無源元件。但是，為保持有源板的固定成本，目前越來越多的源器件已設(shè)計(jì)出來并應(yīng)用到雙面背板上。此外，雙面背板的大規(guī)格化要求封裝設(shè)備的臺床要大，且對重的雙面背板也能以精細(xì)的位置公差進(jìn)行移位。

雙面背板較常規(guī)的PCB更厚更重，熱容也較大。鑒于雙面背板冷卻速度較慢，因此回流焊爐的長度要加長。此外，還需要對回流焊爐出口處進(jìn)行強(qiáng)制空氣冷卻，以使雙面背板溫度降低到可安全操作的程度。

5 結(jié)束語

從雙面壓接高速背板的主要制作流程可以發(fā)現(xiàn)，一般的雙面插接背板有一個(gè)難以克服的缺點(diǎn)，即前、后槽位的單板不能通用，本質(zhì)上類似于兩框背靠背集成；其系統(tǒng)制作工藝較為復(fù)雜，可靠性要求也比較高，相信隨著制備工藝技術(shù)的積累，雙面壓接面板的可靠性會得到極大提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高曉峰.通訊信背板設(shè)計(jì)[J].中國新通信，2014，16（13）：89-91.

[2] 鄔文.一種IC測試儀的背板模塊設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)， 2020.

[3] 任堯儒，王小平.雙面壓接背板可靠性研究[J].印制電路信息， 2018，26（04）：35-44.

[4] 孟凡義.背板加工技術(shù)簡述[J].印制電路信息，2014（04）：169-174.

[5] 敖四超，鐘宇玲，劉建輝，等.大尺寸背板制作技術(shù)研究[J].印制電路信息，2016，24（04）：17-22+66.