高速PCB設(shè)計中的過孔和背鉆技術(shù)解析

做硬件的朋友都知道，PCB過孔的設(shè)計其實很有講究，今天為大家分享PCB中過孔和背鉆的技術(shù)知識。

一、高速PCB中的過孔設(shè)計

　　在高速PCB設(shè)計中，往往需要采用多層PCB，而過孔是多層PCB 設(shè)計中的一個重要因素。

　　PCB中的過孔主要由孔、孔周圍的焊盤區(qū)、POWER 層隔離區(qū)三部分組成。

　　1.高速PCB中過孔的影響

　　高速PCB多層板中，信號從某層互連線傳輸?shù)搅硪粚踊ミB線就需要通過過孔來實現(xiàn)連接，在頻率低于1GHz時，過孔能起到一個很好的連接作用，其寄生電容、電感可以忽略。

　　當(dāng)頻率高于1 GHz后，過孔的寄生效應(yīng)對信號完整性的影響就不能忽略，此時過孔在傳輸路徑上表現(xiàn)為阻抗不連續(xù)的斷點，會產(chǎn)生信號的反射、延時、衰減等信號完整性問題。

　　當(dāng)信號通過過孔傳輸至另外一層時，信號線的參考層同時也作為過孔信號的返回路徑，并且返回電流會通過電容耦合在參考層間流動，并引起地彈等問題。

　　2.過孔的類型

　　過孔一般又分為三類：通孔、盲孔和埋孔。

　　盲孔：指位于印刷線路板的頂層和底層表面，具有一定深度，用于表層線路和下面的內(nèi)層線路的連接，孔的深度與孔徑通常不超過一定的比率。

　　埋孔：指位于印刷線路板內(nèi)層的連接孔，它不會延伸到線路板的表面。

　　通孔：這種孔穿過整個線路板，可用于實現(xiàn)內(nèi)部互連或作為元件的安裝定位孔。由于通孔在工藝上更易于實現(xiàn)，成本較低，所以一般印制電路板均使用。

　　3.高速PCB中的過孔設(shè)計

　　在高速PCB設(shè)計中，看似簡單的過孔往往也會給電路的設(shè)計帶來很大的負面效應(yīng)。為了減小過孔的寄生效應(yīng)帶來的不利影響，在設(shè)計中可以盡量做到：

　?。?）選擇合理的過孔尺寸。對于多層一般密度的PCB 設(shè)計來說，選用0.25mm/0.51mm/0.91mm（鉆孔/ 焊盤/ POWER 隔離區(qū)）的過孔較好；對于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的過孔，也可以嘗試非穿導(dǎo)孔；對于電源或地線的過孔則可以考慮使用較大尺寸，以減小阻抗；（2）POWER隔離區(qū)越大越好，考慮PCB 上的過孔密度，一般為D1=D2+0.41；（3）PCB 上的信號走線盡量不換層，也就是說盡量減少過孔；（4）使用較薄的PCB有利于減小過孔的兩種寄生參數(shù)；（5）電源和地的管腳要就近過孔，過孔和管腳之間的引線越短越好，因為它們會導(dǎo)致電感的增加。同時電源和地的引線要盡可能粗，以減少阻抗；（6）在信號換層的過孔附近放置一些接地過孔，以便為信號提供短距離回路。

　　此外，過孔長度也是影響過孔電感的主要因素之一。對用于頂、底層導(dǎo)通的過孔，過孔長度等于PCB厚度，由于PCB層數(shù)的不斷增加，PCB厚度常常會達到5 mm以上。然而，高速PCB設(shè)計時，為減小過孔帶來的問題，過孔長度一般控制在2.0mm以內(nèi)。對于過孔長度大于2.0 mm過孔，通過增加過孔孔徑，可在一定程度上提高過孔阻抗連續(xù)性。當(dāng)過孔長度為1.0 mm及以下時，最佳過孔孔徑為0.20 mm - 0.30 mm。

二、PCB生產(chǎn)中的背鉆工藝

　　1.什么PCB背鉆？

　　背鉆其實就是孔深鉆比較特殊的一種，在多層板的制作中，例如12層板的制作，我們需要將第1層連到第9層，通常我們鉆出通孔（一次鉆），然后沉銅。這樣第1層直接連到第12層，實際我們只需要第1層連到第9層，第10到第12層由于沒有線路相連，像一個柱子。

　　這個柱子影響信號的通路，在通訊信號中會引起信號完整性問題。所以將這個多余的柱子（業(yè)內(nèi)叫STUB）從反面鉆掉（二次鉆）。所以叫背鉆，但是一般也不會鉆那么干凈，因為后續(xù)工序會電解掉一點銅，且鉆尖本身也是尖的。所以PCB廠家會留下一小點，這個留下的STUB的長度叫B值，一般在50-150UM范圍為好。

　　2.背鉆孔有什么樣的優(yōu)點？

　　1）減小雜訊干擾；

　　2）提高信號完整性；

　　3）局部板厚變?。?br />
　　4）減少埋盲孔的使用，降低PCB制作難度。

　　3.背鉆孔有什么作用？

　　背鉆的作用是鉆掉沒有起到任何連接或者傳輸作用的通孔段，避免造成高速信號傳輸?shù)姆瓷?、散射、延遲等，給信號帶來“失真”研究表明：影響信號系統(tǒng)信號完整性的主要因素除設(shè)計、板材料、傳輸線、連接器、芯片封裝等因素外，導(dǎo)通孔對信號完整性有較大影響。

　　4.背鉆孔生產(chǎn)工作原理

　　依靠鉆針下鉆時，鉆針尖接觸基板板面銅箔時產(chǎn)生的微電流來感應(yīng)板面高度位置，再依據(jù)設(shè)定的下鉆深度進行下鉆，在達到下鉆深度時停止下鉆。如圖二：

　　5.背鉆制作工藝流程？

　　提供PCB，PCB上設(shè)有定位孔，利用所述定位孔對PCB進行一鉆定位并進行一鉆鉆孔；對一鉆鉆孔后的PCB進行電鍍，電鍍前對所述定位孔進行干膜封孔處理；在電鍍后的PCB上制作外層圖形；

　　在形成外層圖形后的PCB上進行圖形電鍍，在圖形電鍍前對所述定位孔進行干膜封孔處理；利用一鉆所使用的定位孔進行背鉆定位，采用鉆刀對需要進行背鉆的電鍍孔進行背鉆；背鉆后對背鉆孔進行水洗，清除背鉆孔內(nèi)殘留的鉆屑。

　　6.背鉆孔板技術(shù)特征有哪些？

　　1）多數(shù)背板是硬板

　　2）層數(shù)一般為8至50層

　　3）板厚：2.5mm以上

　　4）厚徑比較大

　　5）板尺寸較大

　　6）一般首鉆最小孔徑>=0.3mm

　　7）外層線路較少，多為壓接孔方陣設(shè)計

　　8)背鉆孔通常比需要鉆掉的孔大0.2MM

　　9)背鉆深度公差：+/-0.05MM

　　10)如果背鉆要求鉆到M層，那么M層到M-1（M層的下一層）層的介質(zhì)厚度最小0.17MM7.背鉆孔板主要應(yīng)用于何種領(lǐng)域呢？

　　背板主要應(yīng)用于通信設(shè)備、大型服務(wù)器、醫(yī)療電子、軍事、航天等領(lǐng)域。由于軍事、航天屬于敏感行業(yè)，國內(nèi)背板通常由軍事、航天系統(tǒng)的研究所、研發(fā)中心或具有較強軍事、航天背景的PCB制造商提供；在中國，背板需求主要來自通信產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)逐漸發(fā)展壯大的通信設(shè)備制造領(lǐng)域。