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

隨著信息化產業的不斷推動，數字信號傳輸的速度越來越快，頻率越來越高，傳統設計的印制電路板（PCB）已經不能滿足這種高頻電路的需要。信號傳輸的完整性研究成為當下高頻高速電路板的核心技術課題之一。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電蓋板+絕緣蓋板；利用導電蓋板作為信號反饋層進行背鉆深度控制；因導電蓋板在表層，在導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；為減小導電蓋板厚度均勻性對背鉆深度的影響，對導電蓋板的厚度均勻性要求非常高。此外導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內層增加用于背鉆電信號反饋的線路導通，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需PCB板內部增設參考層導通電路；占用PCB產品的布線空間，影響了PCB的布線密度；同時產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的正常工作。

1.3 板厚比例控制深度背鉆方法（Mapping）

圖2 內層為信號反饋層背鉆示意圖

其缺點是對機臺具有選擇性、基礎參數要求高、成本高、生產效率低；工作原理（見圖3所示）是利用鉆機的微電流來感應板面高度位置，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，按預設板厚鉆深的比例，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上，增加測量及計算板厚到達按板厚的高低不同自動調整鉆深，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（需要耗用一張導電蓋板和一張絕緣蓋板）和板面高度（需要耗用一張導電蓋板和一張絕緣蓋板），再按收集的板厚按設定的鉆深比例自動核算給出信號鉆深（需要耗用一張導電蓋板和一張絕緣蓋板），嚴重影響鉆孔背鉆效率，相比于傳統外層為導電信號層背鉆方法，需要多消耗3倍的導電蓋板和絕緣蓋板，極大地增加了生產成本。

2 新方法實驗

2.1 實驗目的

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

2.2 實驗方案設計

圖3 Mapping背鉆示意圖

通過常用背鉆方法的工作原理可以發現，導電蓋板厚度均勻性是導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電蓋板，排除導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（根據預先設定需要背鉆深度值）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電觸發信號示意圖

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生的電信號，而開始計算預設鉆深的，若背鉆孔與一鉆孔孔偏，則會導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芸胤秶鷥龋ā?5 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（數據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（±75 μm），背鉆殘樁最大偏差極差可管控在35 μm以內，符合生產管控范圍。

2.3.2 新背鉆方案背鉆能力驗證

通過設計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數據可以看出，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，Cpk≥1.56；滿足背鉆要求。

2.3.3 新背鉆方案與使用導電蓋板傳統背鉆方案效果對比

通過表2可以看出，新背鉆方案與使用導電蓋板傳統背鉆方案均能夠滿足背鉆殘樁的管控要（±100 μm內，Cpk背鉆孔，背鉆殘樁可以管控到±100 μm內，Cpk≥1.56）；但新背鉆方案比使用導電蓋板傳統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勢。

3 結論

綜上所述新背鉆方案（取消導電蓋板，利用PTH孔銅進行電信號反饋）在滿足生產對背鉆殘樁的管控要求（±100μm內，Cpk≥1.56）外；避免了使用內層為信號反饋層背鉆方法帶來的占用PCB設計空間和產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背鉆方法還具有以下幾點優勢。

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

（2）精度控制優勢：新背鉆方案比使用導電蓋板傳統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 殘樁數據分析圖

表1 新背鉆方案制作背鉆能力實驗數據（單位：μm）

表2 新背鉆方案與使用導電蓋板傳統背鉆方案實驗數據（單位：μm）

圖8 使用導電蓋板方法淺背鉆殘樁能力分析

圖9 使用導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）生產效率：使用導電蓋板傳統背鉆方案需要在表面覆蓋一張導電蓋板+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據，嚴重影響生產效率；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，大幅度提高了生產效率。