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PCB生产中的过孔和背钻有哪些技术?

做硬件的朋友都知道,PCB过孔的设计其实很有讲究,今天为大家分享PCB中过孔和背钻的技术知识。

一、高速PCB中的过孔设计

在高速PCB设计中,往往需要采用多层PCB,而过孔是多层PCB 设计中的一个重要因素。

PCB中的过孔主要由孔、孔周围的焊盘区、POWER 层隔离区三部分组成。

1.高速PCB中过孔的影响

高速PCB多层板中,信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔来实现连接,在频率低于1GHz时,过孔能起到一个很好的连接作用,其寄生电容、电感可以忽略。

当频率高于1 GHz后,过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略,此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点,会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。

当信号通过过孔传输至另外一层时,信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径,并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动,并引起地弹等问题。

2.过孔的类型

过孔一般又分为三类:通孔、盲孔和埋孔。

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  • 盲孔:

    指位于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的连接,孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。

  • 埋孔:

    指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。

  • 通孔:

    这种孔穿过整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。

    由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以一般印制电路板均使用。

3.高速PCB中的过孔设计

在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:

(1)选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB设计来说,选用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区)的过孔较好;对于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔,也可以尝试非穿导孔;对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗;

(2)POWER隔离区越大越好,考虑PCB 上的过孔密度,一般为D1=D2+0.41;

(3)PCB 上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量减少过孔;

(4)使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数;

(5)电源和地的管脚要就近过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗;

(6)在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔,以便为信号提供短距离回路。

此外,过孔长度也是影响过孔电感的主要因素之一。对用于顶、底层导通的过孔,过孔长度等于PCB厚度,由于PCB层数的不断增加,PCB厚度常常会达到5 mm以上。然而,高速PCB设计时,为减小过孔带来的问题,过孔长度一般控制在2.0mm以内。对于过孔长度大于2.0 mm过孔,通过增加过孔孔径,可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时,最佳过孔孔径为0.20 mm - 0.30 mm。

二、PCB生产中的背钻工艺

1.什么PCB背钻?

背钻其实就是孔深钻比较特殊的一种,在多层板的制作中,例如12层板的制作,我们需要将第1层连到第9层,通常我们钻出通孔(一次钻),然后沉铜。这样第1层直接连到第12层,实际我们只需要第1层连到第9层,第10到第12层由于没有线路相连,像一个柱子。

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这个柱子影响信号的通路,在通讯信号中会引起信号完整性问题。所以将这个多余的柱子(业内叫STUB)从反面钻掉(二次钻)。所以叫背钻,但是一般也不会钻那么干净,因为后续工序会电解掉一点铜,且钻尖本身也是尖的。所以PCB厂家会留下一小点,这个留下的STUB的长度叫B值,一般在50-150UM范围为好。

2.背钻孔有什么样的优点?

  • 减小杂讯干扰;

  • 提高信号完整性;

  • 局部板厚变小;

  • 减少埋盲孔的使用,降低PCB制作难度。

3.背钻孔有什么作用?

背钻的作用是钻掉没有起到任何连接或者传输作用的通孔段,避免造成高速信号传输的反射、散射、延迟等,给信号带来“失真”研究表明:影响信号系统信号完整性的主要因素除设计、板材料、传输线、连接器、芯片封装等因素外,导通孔对信号完整性有较大影响。

4.背钻孔生产工作原理

依靠钻针下钻时,钻针尖接触基板板面铜箔时产生的微电流来感应板面高度位置,再依据设定的下钻深度进行下钻,在达到下钻深度时停止下钻。如图二:

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5.背钻制作工艺流程?

提供PCB,PCB上设有定位孔,利用所述定位孔对PCB进行一钻定位并进行一钻钻孔;对一钻钻孔后的PCB进行电镀,电镀前对所述定位孔进行干膜封孔处理;

在电镀后的PCB上制作外层图形;

在形成外层图形后的PCB上进行图形电镀,在图形电镀前对所述定位孔进行干膜封孔处理;

利用一钻所使用的定位孔进行背钻定位,采用钻刀对需要进行背钻的电镀孔进行背钻;

背钻后对背钻孔进行水洗,清除背钻孔内残留的钻屑。
6.背钻孔板技术特征有哪些?

  • 多数背板是硬板

  • 层数一般为8至50层

  • )板厚:2.5mm以上

  • 厚径比较大

  • 板尺寸较大

  • 一般首钻最小孔径>=0.3mm

  • 外层线路较少,多为压接孔方阵设计

  • 背钻孔通常比需要钻掉的孔大0.2MM

  • 背钻深度公差:+/-0.05MM

  • 如果背钻要求钻到M层,那么M层到M-1(M层的下一层)层的介质厚度最小0.17MM

7.背钻孔板主要应用于何种领域呢?

背板主要应用于通信设备、大型服务器、医疗电子、军事、航天等领域。由于军事、航天属于敏感行业,国内背板通常由军事、航天系统的研究所、研发中心或具有较强军事、航天背景的PCB制造商提供;在中国,背板需求主要来自通信产业,现逐渐发展壮大的通信设备制造领域。

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