背鉆技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)述

李國(guó)有 邱艷佳 張學(xué)東

汕頭超聲印制板公司

1 背景

多層印制電路板（PCB）中鍍通孔（PTH）起到內(nèi)層電源層與接地層的相互連通的功能，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入高速訊號(hào)傳輸時(shí)，PTH孔將成為信號(hào)完整性的瓶頸和障礙，在傳輸線中猶如一條多于的“尾巴”（Stubs），扮演著凹痕式濾波器的功能，在信號(hào)傳輸線路中，兩處出現(xiàn)這種Stubs時(shí)，將形成一段震蕩段，不管是濾波或是震蕩，對(duì)高速訊號(hào)傳輸產(chǎn)生傷害，使信號(hào)失真[1]。

背鉆是銅通過(guò)二次鉆孔的方式，將已經(jīng)完成電鍍的PTH孔內(nèi)，不利于信號(hào)傳輸?shù)目足~（Stubs）部分去除，背鉆后殘留的Stubs長(zhǎng)度越短，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)耐暾栽接欣?。目前電子產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入高速信號(hào)傳輸時(shí)代，相應(yīng)的對(duì)PTH孔內(nèi)殘留的Stubs的長(zhǎng)度要求越來(lái)越短，促使PCB制造廠家，通過(guò)多種手段，以提高背鉆的加工能力，滿足客戶更高的需求。本文介紹了三種背鉆技術(shù)：（1）傳統(tǒng)的背鉆方法；（2）內(nèi)層為信號(hào)反饋層的背鉆方法；（3） 按板厚比例控制深度背鉆方法，并且簡(jiǎn)述了這三種背鉆方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

2 傳統(tǒng)背鉆方法

傳統(tǒng)的背鉆方法是利用鉆機(jī)的鉆盲孔功能，背鉆時(shí)，以外層作為信號(hào)反饋層，當(dāng)鉆針接觸到板面時(shí)，反饋信號(hào)到伺服器，下鉆預(yù)先設(shè)定的深度，其原理可以根據(jù)圖1所示來(lái)理解。背鉆的鉆針直徑一般比第一次鉆孔大0.2 mm ～ 0.25 mm，板件走堿蝕流程，背鉆步驟在圖形電鍍后，堿性蝕刻前進(jìn)行，可以避免背鉆產(chǎn)生的銅絲，在預(yù)設(shè)下鉆深度時(shí)，還要考慮蝕刻時(shí)也會(huì)去除部分孔銅。

圖1 傳統(tǒng)背鉆技術(shù)示意圖，信號(hào)反饋層在外層

這種背鉆方法每個(gè)孔的背鉆深度都是一致的，而板件的厚度是不均勻的，一般是板件四周薄，中間厚，那么背鉆后殘留的孔銅長(zhǎng)度均一性差，限制了背鉆能力的提升，板件越厚，厚度均勻性越差，殘留孔銅的長(zhǎng)度就越大，成為傳統(tǒng)背鉆技術(shù)的主要缺點(diǎn)。

3 內(nèi)層為信號(hào)反饋層的背鉆方法

同樣利用鉆機(jī)的鉆盲孔功能，將信號(hào)反饋層設(shè)置在內(nèi)層（例如參考層），例如背鉆目標(biāo)層為第8層，那么信號(hào)反饋層設(shè)置在第9層（參考層，從焊錫面背鉆），通過(guò)一個(gè)工具孔，將信號(hào)反饋層連接到板面，預(yù)設(shè)鉆深只有一層介質(zhì)層厚度，背鉆的精度會(huì)大大提高。一般情況下，背鉆的參考層為接地層，為大銅面，其原理可以根據(jù)圖2所示來(lái)理解[2]。與傳統(tǒng)的背鉆方法相比較，將信號(hào)反饋層設(shè)在內(nèi)層，有三個(gè)問(wèn)題需要關(guān)注：

（1）流程選擇：背鉆必須選擇在蝕刻后進(jìn)行，如果在蝕刻前背鉆，鉆針接觸到板面就會(huì)反饋信號(hào)，達(dá)不到資料設(shè)計(jì)的初衷。

（2）背鉆后銅絲問(wèn)題：因?yàn)楸炽@選擇在蝕刻后，無(wú)法再利用蝕刻來(lái)避免銅絲，所以需要對(duì)背鉆的鉆孔參數(shù)進(jìn)行研究。

（3）層壓和第一次鉆孔精度要求高：第一次鉆孔時(shí)，鉆針不能鉆到內(nèi)層的信號(hào)反饋層上，否則在后續(xù)的孔金屬化流程中，孔銅與信號(hào)反饋層導(dǎo)通，同樣達(dá)不到資料設(shè)計(jì)的初衷，所以對(duì)層壓和第一次鉆孔的對(duì)位精度要求很高，同樣也決定了背鉆時(shí)鉆針直徑的選擇。

圖2 內(nèi)層為信號(hào)反饋層的背鉆技術(shù)

本人通過(guò)試驗(yàn)證明這種背鉆方法的可行性，如圖3所示的背鉆參考層， 第一次鉆孔直徑為0.45 mm，隔離環(huán)單邊設(shè)計(jì)為5 mil。

圖3 層為信號(hào)反饋層背鉆資料示例

按照資料設(shè)計(jì)背鉆孔徑需要≥0.7 mm（第一次鉆孔直徑加上隔離環(huán)兩邊寬度），實(shí)際生產(chǎn)需要在內(nèi)層蝕刻后，測(cè)量環(huán)直徑才能確定背鉆孔直徑。圖4是在背鉆前做切片確認(rèn)對(duì)位精度，同時(shí)可以測(cè)量背鉆需要的鉆針直徑。可以看出，層壓和第一次鉆孔對(duì)位精度良好，背鉆直徑需要選擇0.75 mm。

圖4 刻后確認(rèn)對(duì)位精度和背鉆直徑

背鉆時(shí)，采用常規(guī)的鉆孔參數(shù)，孔內(nèi)出現(xiàn)銅絲，如圖5所示，且背鉆深度越大，銅絲越嚴(yán)重，提升鉆孔參數(shù)后[3]，可以避免銅絲（鉆尖角度、鉆速、進(jìn)刀速度）?？足~長(zhǎng)度控制良好，長(zhǎng)度均一，如圖6所示。

圖5 常規(guī)鉆孔參數(shù)背鉆銅絲

圖6 內(nèi)層為信號(hào)反饋層背鉆結(jié)果實(shí)例

通過(guò)實(shí)例可以看出，以內(nèi)層做為信號(hào)反饋層背鉆，在控制孔銅長(zhǎng)度能力方面表現(xiàn)優(yōu)秀，板厚均勻性將不再是背鉆的影響因素，但對(duì)生產(chǎn)流程中其他步驟能力要求高，流程控制難度大，同時(shí)背鉆孔徑比第一次鉆孔大0.3 mm以上。

4 按板厚比例控制背鉆深度背鉆

板厚雖然是不均勻的，但鉆深和板厚具有一定的規(guī)律性，即鉆深占板厚的比例基本是一致的，鉆機(jī)可以根據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)檢測(cè)板件不同背鉆位置的厚度，以外層做為信號(hào)反饋層，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的比例，不同的厚度下鉆的深度也不同，提升殘留孔銅長(zhǎng)度的加工能力[4]。本人利用生產(chǎn)報(bào)廢板件，對(duì)按照板厚比例控制鉆深的背鉆方法進(jìn)行了可行性調(diào)查，取三個(gè)生產(chǎn)編號(hào)，編號(hào)A客戶要求完成板厚（4.00±0.40）mm，編號(hào)B客戶要求完成板厚（2.50±0.25）mm，編號(hào)C客戶要求完成板厚（3.20±0.32）mm。

做板件上不同位置（板邊、板中、測(cè)試孔、背鉆孔）切片，測(cè)量板件厚度和參考層（目標(biāo)層）深度，測(cè)量方法如圖7所示，每個(gè)編號(hào)取10個(gè)或以上數(shù)據(jù)，計(jì)算參考層的平均深度、參考層占板厚的比例以及此比例的平均值，假設(shè)以兩種方法背鉆，一是按傳統(tǒng)背鉆方式，以測(cè)量的參考層深度平均值為固定鉆深，二是按測(cè)量的板厚比例平均值控制背鉆深度，板厚減去參考層深度認(rèn)為是孔銅長(zhǎng)度，計(jì)算殘留孔銅長(zhǎng)度的極差，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2、表3，因板件在蝕刻后測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量時(shí)無(wú)法包含面銅厚度，表中實(shí)際數(shù)據(jù)認(rèn)為面銅50 μm。

圖7 板厚和參考層（目標(biāo)層）深度測(cè)量示例

表1 編號(hào)A控制板厚比例背鉆調(diào)查數(shù)據(jù)表，單位：微米

表2 編號(hào)B控制板厚比例背鉆調(diào)查數(shù)據(jù)表，單位：微米

表3 編號(hào)C控制板厚比例背鉆調(diào)查數(shù)據(jù)表，單位：微米

通過(guò)以上三個(gè)編號(hào)數(shù)據(jù)分析可知，外層為信號(hào)反饋層，理論上采用按照板厚比例計(jì)算鉆深，即不同板厚位置鉆孔深度按照比例計(jì)算，背鉆的能力比傳統(tǒng)的背鉆方式（固定一個(gè)背鉆深度）有很大的提高，且板件越厚、背鉆深度越大，能力提高越明顯。編號(hào)A完成板厚4 mm左右，背鉆深鍍2.22 mm左右，殘留Stubs長(zhǎng)度（板厚減去鉆深）極差由393.95 μm減小到172.94 μm；編號(hào)B完成板厚2.5 mm左右，背鉆深度0.9 mm左右，殘留Stubs長(zhǎng)度（板厚減去鉆深）長(zhǎng)度極差由145.45 μm減小到89.67 μm；編號(hào)C板厚3.2 mm左右，背鉆深度2.48mm左右，殘留Stubs長(zhǎng)度（板厚減去鉆深）長(zhǎng)度極差由296.92 μm減小到65.50 μm，理論的背鉆能力得到很大提高。按板厚比例控制背鉆深度背鉆的方法控制Stubs長(zhǎng)度方面表現(xiàn)良好，流程與傳統(tǒng)背鉆方法一致，過(guò)程控制難度小。

5 三種背鉆方法比較

6 總結(jié)

本文闡述了三種背鉆方法，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，PCB制造廠可以根據(jù)本廠自身特點(diǎn)，結(jié)合客戶要求，選擇合適的背鉆方法，滿足客戶需求。

[1]白蓉生. 背板之背鉆. circuitree.com, November 2006.

[2]Yasuhiko Kanaya et al. manufacturing method of a multi-layered circuit board; US patent No:7488676B2.

[3]陳顯任等. 背鉆孔內(nèi)披鋒改善分析研究[C]. CPCA 2010秋季國(guó)際PCB技術(shù)/信息論壇.

[4]Taveras, Victor. Back drilling method of through via, circuit board and manufacturing method of circuit board. WIPO PCT WO 2010/127496 A1.