印制電路板背鉆孔方法改進

劉文略 范偉名

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517300）

0 前言

隨著信息化產(chǎn)業(yè)的不斷推動，數(shù)字信號傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇欤l率越來越高，傳統(tǒng)設(shè)計的印制電路板（PCB）已經(jīng)不能滿足這種高頻電路的需要。信號傳輸?shù)耐暾匝芯砍蔀楫斚赂哳l高速電路板的核心技術(shù)課題之一。PCB中的部分金屬化孔（PTH）端部是無連接的，當電路信號的頻率增加到一定強度后，PTH孔銅端部會造成信號反射、散射和延遲等“失真”問題，同時還會對周圍的其他信號造成干擾，嚴重時將影響到線路系統(tǒng)的正常工作；背鉆的作用就是移除PTH孔端部無連接部份孔銅來達到高頻電性的提升，從而消除此類電磁干擾（EMI）問題，滿足型號傳輸完整性的要求。

1 常用背鉆方法的缺點

1.1 外層為信號反饋層背鉆方法

其主要缺點是背鉆深度控制誤差大、導(dǎo)電蓋板厚度精度要求高、成本高。工作原理（見圖1所示）為信號反饋層在外層，需要在表面覆蓋一張導(dǎo)電蓋板+絕緣蓋板；利用導(dǎo)電蓋板作為信號反饋層進行背鉆深度控制；因?qū)щ娚w板在表層，在導(dǎo)電蓋板本身厚度偏差因素的疊加下，背鉆深度的控制精度誤差較大；為減小導(dǎo)電蓋板厚度均勻性對背鉆深度的影響，對導(dǎo)電蓋板的厚度均勻性要求非常高。此外導(dǎo)電蓋板屬一次性耗材，使用成本高。

圖1 外層為信號反饋層背鉆方法示意圖

1.2 內(nèi)層為信號反饋層背鉆方法

其主要缺點是影響PCB布線密度并增加額外信號干擾因素；工作原理（見圖2所示）為在PCB內(nèi)層增加用于背鉆電信號反饋的線路導(dǎo)通，連接各參考層，當背鉆深度達到參考層時，輸出反饋信號；該方法缺點主要表現(xiàn)需PCB板內(nèi)部增設(shè)參考層導(dǎo)通電路；占用PCB產(chǎn)品的布線空間，影響了PCB的布線密度；同時產(chǎn)生信號輻射對周圍的其它信號造成干擾，嚴重時將影響到線路系統(tǒng)的正常工作。

1.3 板厚比例控制深度背鉆方法（Mapping）

圖2 內(nèi)層為信號反饋層背鉆示意圖

其缺點是對機臺具有選擇性、基礎(chǔ)參數(shù)要求高、成本高、生產(chǎn)效率低；工作原理（見圖3所示）是利用鉆機的微電流來感應(yīng)板面高度位置，先確認臺面高度再確認板厚高度，計算每個需要背鉆的位置點，按預(yù)設(shè)板厚鉆深的比例，計算每個點的鉆深。該方法是在外層為信號反饋層背鉆方法的基礎(chǔ)上，增加測量及計算板厚到達按板厚的高低不同自動調(diào)整鉆深，以提升背鉆深度精度；但該方法對鉆機要求高，必須具有按板厚比例控制深度背鉆的控深功能；同時需要收集機臺面高度（需要耗用一張導(dǎo)電蓋板和一張絕緣蓋板）和板面高度（需要耗用一張導(dǎo)電蓋板和一張絕緣蓋板），再按收集的板厚按設(shè)定的鉆深比例自動核算給出信號鉆深（需要耗用一張導(dǎo)電蓋板和一張絕緣蓋板），嚴重影響鉆孔背鉆效率，相比于傳統(tǒng)外層為導(dǎo)電信號層背鉆方法，需要多消耗3倍的導(dǎo)電蓋板和絕緣蓋板，極大地增加了生產(chǎn)成本。

2 新方法實驗

2.1 實驗?zāi)康?/h3>

改善現(xiàn)有背鉆方法的局限性，在不影響PCB設(shè)計空間和布線密度的前提下，提高背鉆深度/殘樁控制精度、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

2.2 實驗方案設(shè)計

圖3 Mapping背鉆示意圖

通過常用背鉆方法的工作原理可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電蓋板厚度均勻性是導(dǎo)致外層為信號反饋層背鉆方法成本高和背鉆stub控制精度差的主要因素。新背鉆方案是取消導(dǎo)電蓋板，排除導(dǎo)電蓋板厚度均勻性對背鉆精度的影響；直接利用PTH孔口鍍銅實現(xiàn)對鉆頭的電信號反饋；保留一張絕緣蓋板，背鉆時鉆頭先鉆穿絕緣蓋板，再鉆入背鉆底孔至鉆頭接觸到孔口的銅時，接觸信號開始計算鉆深的深度。如圖4、圖5所示，鉆頭下鉆至背鉆底孔孔口時，鉆頭與表面銅層觸電產(chǎn)生電流，觸電時鉆機自動記錄高度值；并自動計算下鉆深度（根據(jù)預(yù)先設(shè)定需要背鉆深度值）位置后停止下鉆同步開始起刀，完成一個背鉆孔制作。

圖4 新背鉆方案示意圖

圖5 鉆頭接觸背鉆底孔的孔口導(dǎo)電觸發(fā)信號示意圖

2.3 實驗驗證

2.3.1 新方案可行性驗證

因為新背鉆方案是利用鉆頭接觸孔口鍍銅產(chǎn)生的電信號，而開始計算預(yù)設(shè)鉆深的，若背鉆孔與一鉆孔孔偏，則會導(dǎo)致背鉆時鉆頭先接觸PTH孔的一邊，從而提前計算鉆深，則會因背鉆鉆淺而導(dǎo)致殘樁變大。故要驗證新背鉆方案是否符合背鉆加工，需同步驗證在正?？灼芸胤秶鷥?nèi)（±75 μm），背鉆殘樁是否符合管控范圍（±100 μm）；背鉆孔與一鉆孔徑偏移對背鉆殘樁影響分析如圖6所列（數(shù)據(jù)分析參考對象為一鉆孔徑0.25 mm，背鉆孔徑為0.45 mm，鉆頭角度130度）。從圖6可以看出：新背鉆方案取消導(dǎo)電蓋板后，一鉆和背鉆孔偏達到孔偏的報廢標準（100 μm），背鉆殘樁只鉆淺46 μm，滿足管控標準；如果一鉆和背鉆孔偏在正常的管控范圍內(nèi)（±75 μm），背鉆殘樁最大偏差極差可管控在35 μm以內(nèi)，符合生產(chǎn)管控范圍。

2.3.2 新背鉆方案背鉆能力驗證

通過設(shè)計4種背鉆深度實驗板，分析新背鉆方案對不同背鉆深度的制作能力（見圖7所示）；由表1數(shù)據(jù)可以看出，使用新背鉆方案制作的背鉆孔，背鉆殘樁可以管控到±100 μm內(nèi)，Cpk≥1.56；滿足背鉆要求。

2.3.3 新背鉆方案與使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案效果對比

通過表2可以看出，新背鉆方案與使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案均能夠滿足背鉆殘樁的管控要（±100 μm內(nèi)，Cpk背鉆孔，背鉆殘樁可以管控到±100 μm內(nèi)，Cpk≥1.56）；但新背鉆方案比使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案的背鉆殘樁的Cpk能力高，2.21～2.59（見圖8～圖11所示）；故新背鉆方案的背鉆控深精度更有優(yōu)勢。

3 結(jié)論

綜上所述新背鉆方案（取消導(dǎo)電蓋板，利用PTH孔銅進行電信號反饋）在滿足生產(chǎn)對背鉆殘樁的管控要求（±100μm內(nèi)，Cpk≥1.56）外；避免了使用內(nèi)層為信號反饋層背鉆方法帶來的占用PCB設(shè)計空間和產(chǎn)生額外信號干擾因素的問題，其相對于外層為信號層的傳統(tǒng)背鉆方法還具有以下幾點優(yōu)勢。

（1）成本優(yōu)勢：原在表面覆蓋一張導(dǎo)電蓋板+絕緣蓋板，新背鉆方式現(xiàn)在只需要在表面覆蓋一張絕緣蓋板，省下一張導(dǎo)電蓋板成本。

（2）精度控制優(yōu)勢：新背鉆方案比使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案的背鉆殘樁的Cpk能力高，達到2.21～2.59；更有利于高精度高端背鉆PCB的制作要求。

圖6 背鉆孔與一鉆孔徑偏移對背鉆殘樁的影響分析表（單位：μm）

圖7 殘樁數(shù)據(jù)分析圖

表1 新背鉆方案制作背鉆能力實驗數(shù)據(jù)（單位：μm）

表2 新背鉆方案與使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案實驗數(shù)據(jù)（單位：μm）

圖8 使用導(dǎo)電蓋板方法淺背鉆殘樁能力分析

圖9 使用導(dǎo)電蓋板方法深背鉆殘樁能力分析

圖10 新背鉆方案淺背鉆殘樁能力分析

圖11 新背鉆方案深背鉆殘樁能力分析

（3）生產(chǎn)效率：使用導(dǎo)電蓋板傳統(tǒng)背鉆方案需要在表面覆蓋一張導(dǎo)電蓋板+絕緣蓋板，而板厚比例控制深度背鉆方法更是需要收集大量的機臺高度和板厚數(shù)據(jù)，嚴重影響生產(chǎn)效率；新背鉆方法只需要在表面覆蓋滿足一張絕緣蓋板，生產(chǎn)操作上減少了一次蓋蓋板動作，提升50%的蓋蓋板時間，大幅度提高了生產(chǎn)效率。