背板加工技術(shù)簡述

孟凡義（汕頭超聲印制板公司， 廣東 汕頭 515041）

背板加工技術(shù)簡述

Paper Code: S-130

孟凡義
（汕頭超聲印制板公司， 廣東 汕頭 515041）

背板作為印制電路板的一種，因其結(jié)構(gòu)特性、應(yīng)用領(lǐng)域等，挑戰(zhàn)常規(guī)印制電路板多項(xiàng)加工技術(shù)。本文淺談背板加工流程之壓合層間對準(zhǔn)度、鉆孔背鉆、孔金屬化深鍍能力及最終表面工藝方面的技術(shù)及控制項(xiàng)，供同行參考與借鑒。

背板；層間對準(zhǔn)度；背鉆；深鍍能力

1 前言

背板做為印制電路板的一種，其加工工藝流程與常規(guī)印制電路板接近，包括內(nèi)層線路制作、棕化壓合、鉆孔、孔金屬化、外層線路制作、感光阻焊、表面工藝、外形加工等。由于背板特殊功能與應(yīng)用領(lǐng)域需要，它具備部分非常規(guī)特征，如特殊板材、大尺寸、高厚度、孔徑尺寸精度高等，所以，背板加工技術(shù)與過程控制相對常規(guī)印制電路板，其難度要高得多，包括下游的背板封裝及測試等方面，也會面臨諸多挑戰(zhàn)。

背板是一種承載底板，對層數(shù)、大小、厚度等特征并無定義，例如顯卡、內(nèi)存等插接到電腦主板上，我們可以稱電腦主板的電路板為“背板”。當(dāng)然，該類“背板”歷史相當(dāng)悠久而成熟，并非本文關(guān)注點(diǎn)。本文針對性簡述大尺寸、高厚度的“標(biāo)準(zhǔn)化”背板加工技術(shù)，包括壓合、鉆孔、孔金屬化及最終表面工藝四個(gè)難度相對較為突出或比較關(guān)鍵的部分，以供同行參考。

2 背板簡介

2.1 背板定義

背板（Backplane），即電裝中常用的母板，屬于一種承載底板，它所承載的功能板稱為子板或卡板，背板的主要功能是“承載”子板，為各功能板分配電源、實(shí)現(xiàn)各功能子板的電氣連接與信號傳輸，背板與其承載的子板協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能（圖1、圖2為背板及子板的示意圖與實(shí)例圖）。從以下背板與子板的示意圖中可以看出，子板也有可能起到背板的作用，即其自身承載更低級別的子板。

圖1 背板及其連接示意圖圖

圖2 集線器中的背板及子板

背板分為主動背板和被動背板，前者可以承載IC及其它組件，后者只是承載連接器及其它硬件。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)背板多為無源背板，目前被動背板也不斷增多。

2.2 背板特征

背板需“承載”多塊子板，必須直接或間接（通過連接器等）支撐固定各子板，因此背板均為硬板，屬于剛性印制板的一種。

傳統(tǒng)意義的背板的功能主要是為各子板分配電源、傳輸信號等，部分背板還具備散熱或可配置散熱模塊的功能。分配電源則要求背板線路具有較高的電流/電壓承載能力與較好的散熱性能；信號傳輸則需要嚴(yán)格的阻抗控制，特別是輸送高頻、高速類信號；背板所承擔(dān)的功能越為強(qiáng)大與復(fù)雜、系統(tǒng)兼容性越高，則一般情況下其自身尺寸越大、厚度越厚、層數(shù)越高。

廣義的背板并不一定是高多層、大尺寸、高厚度的印制電路板，圖3所示的背板是8層板，尺寸方面如下圖4所示的幾款A(yù)dvanced TCA、Micro TCA、Pico TCA或VME標(biāo)準(zhǔn)下的6槽、14槽、16槽與21槽高速背板（High-Speed Backplane），對比其尺寸即可發(fā)現(xiàn)存在明顯差異。

圖3 符合PICMG EXP.0 R1.0規(guī)范的CompactPCI Express背板及其所承載的子板實(shí)例圖

圖4 應(yīng)用于無線基站、交通/軍事控制系統(tǒng)、通訊交換系統(tǒng)等領(lǐng)域的幾款高速背板

如表1說明了背板未必一定大尺寸，該表列出了VME J1 System Bus所用不同槽數(shù)的背板對應(yīng)尺寸情況，其長方向尺寸固定128.4 mm，而寬方向最小僅為59.5 mm，最大則達(dá)到了425.4 mm。

表1 VME J1 System Bus所用背板尺寸示例

對于印制電路板加工工藝來說，加工難度突出的背板是高模塊安裝密度、高速信號傳輸、可散熱等多種需求集于一身的電路板，該類背板具有以下特點(diǎn)：

（1）采用高Tg、高速、高頻、厚銅、薄介質(zhì)層類特殊板材，對內(nèi)層線路制作及棕化設(shè)備的傳輸、尺寸漲縮控制與壓合層間對準(zhǔn)度提出更高要求，也增加了鉆孔粗糙度、披峰毛刺與去鉆污的控制難度。

（2）系統(tǒng)背板承載多種功能子板，使其尺寸更大、厚度與層數(shù)更高，整流程設(shè)備在尺寸加工及承重能力面臨較大挑戰(zhàn)，特別是后期出現(xiàn)的高精度對位設(shè)備，其電路板加工尺寸的能力反而相對較弱。

（3）大尺寸背板的下游封裝一般難以采用常規(guī)的波峰焊、回流焊等設(shè)備，因此各子板多采用直接壓接或通過壓接連接器間接安裝的方式。為保證壓接質(zhì)量，對鉆孔孔位及孔徑尺寸精度的要求自然極高。因此，大尺寸背板對鉆孔控制、鍍銅深鍍能力及后續(xù)表面工藝選用與控制均提出了新的要求。

（4）為保證高速信號傳輸質(zhì)量，除選用特殊板材之外，背鉆、阻抗等相關(guān)信號傳輸完整性的鉆孔技術(shù)、線路加工及介質(zhì)層控制等同樣相當(dāng)重要。

針對以上所述的高密度、多功能背板特性，本文將重點(diǎn)介紹與背板加工工藝直接相關(guān)的幾個(gè)主要技術(shù)控制難點(diǎn)或關(guān)鍵點(diǎn)，包括層間對準(zhǔn)度控制、鉆孔背鉆技術(shù)、孔金屬化深鍍能力及最終表面完成工藝四方面，以供同行參考借鑒。

3 背板加工技術(shù)

3.1 層間對準(zhǔn)度

對于大尺寸、高厚度背板，一般層數(shù)較高，可達(dá)20層～40層或更高，特別是一些較大的通訊基站、數(shù)據(jù)交換存儲設(shè)備等所用背板。對于大尺寸、高多層、高厚度背板，細(xì)看板件的每一個(gè)點(diǎn)或者說是將板件拆分幾塊來看，加工難度并不大，如內(nèi)層隔離環(huán)寬度、線寬線距、鉆孔大小及孔間距等。但是，背板作為一個(gè)整體來加工時(shí)，因板件大尺寸、多層線路的整體漲縮匹配性控制，而使得層間對準(zhǔn)度控制難度大大增加。例如長度380 mm板件，收縮0.02%時(shí)，相應(yīng)尺寸絕對變化值為0.075 mm，而對于760 mm背板收縮0.02%，則相應(yīng)尺寸絕對變化值達(dá)到0.15 mm；再加上不同芯板層漲縮不一致帶來的錯(cuò)位疊加，使得層間對準(zhǔn)度控制更為困難。

圖5 層數(shù)30的背板層間錯(cuò)位控制在75μm以下

圖6 錯(cuò)位缺陷例圖

圖7 通過設(shè)計(jì)標(biāo)靶，借助X光確認(rèn)層間對準(zhǔn)度（左圖為層間對準(zhǔn)度優(yōu)異的30層背板，右圖為層間對準(zhǔn)度較差的12層缺陷板）

綜合考慮來料、內(nèi)層線路制作、棕化及壓合等相關(guān)流程的人、機(jī)、料、法、環(huán)五大因素，為控制大尺寸、高多層背板的層間對準(zhǔn)度，以下關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)需重點(diǎn)關(guān)注：

（1）內(nèi)層芯板尺寸補(bǔ)償?shù)木_度與準(zhǔn)確度控制，通過試驗(yàn)及生產(chǎn)過程所收集的數(shù)據(jù)與歷史經(jīng)驗(yàn)，對背板的各層芯板圖形尺寸進(jìn)行精確和準(zhǔn)確補(bǔ)償，從而確保各層芯板長寬方向漲縮匹配一致，避免芯板自身漲縮差異帶來的層間錯(cuò)位，從如下某類板材在內(nèi)層蝕刻與壓合后的經(jīng)緯向尺寸變化情況，對比即可看出同一芯板的經(jīng)緯向漲縮差異明顯。對于背板所用芯板，特別是填料較多的高Tg、高速、高頻類特殊板料，對其漲縮必須進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)收集與確認(rèn)，方可摸清規(guī)律，從而準(zhǔn)確給出內(nèi)層芯板補(bǔ)償。

圖8 壓合前后的經(jīng)緯向漲縮情況（左圖為緯向尺寸變化、右圖為經(jīng)向尺寸變化）

（2）層間定位的好壞直接決定了背板層間對準(zhǔn)度，定位方式的加工能力是決定多層板層間對準(zhǔn)度好壞的關(guān)鍵之一。目前，行業(yè)內(nèi)壓合前層間定位的方式主要有四槽定位、熱粘、鉚釘與銷釘?shù)?，不同定位方式組合或根據(jù)原理、所用材料又可進(jìn)一步細(xì)分。對于超大尺寸且高多層類的背板，必須選用可靠的定位方式，且因大尺寸帶來的操作難度及隱患更需重視。

圖9 自左往右依次為熱粘定位設(shè)備、雙粒鉚釘機(jī)及鉚釘實(shí)例圖

（3）壓合參數(shù)的控制必須根據(jù)背板所用材料，選擇合宜的升溫速率曲線，控制壓合過程流膠及壓合后冷壓效果，避免壓合過程發(fā)生層間錯(cuò)位。另外，除板件自身設(shè)計(jì)及板料特性影響外，壓合參數(shù)同樣影響板件的翹曲度，一旦翹曲必然會為后工序的加工帶來極大影響，如鉆孔毛刺、外層干膜的貼合及圖形轉(zhuǎn)移等。

層間對準(zhǔn)度由壓合及其前流程的相關(guān)因素決定，以上列出了內(nèi)層芯板補(bǔ)償、壓合定位及壓合參數(shù)三個(gè)主要的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，需加以重視。

3.2 鉆孔背鉆

背板鉆孔是其加工流程的難點(diǎn)之一，需嚴(yán)格控制。究其原因有三：一是高密度背板孔徑公差較小，從而保證數(shù)萬個(gè)連接器針腳與背板連接的可靠性（如圖10背板、連接器、影響背板與連接器連接可靠性的四因素）；二是背鉆技術(shù)改善高速高頻信號傳輸?shù)耐暾?；三是背板大尺寸、高厚度及其均勻性、高Tg材料對鉆孔孔粗、毛刺與孔位精度等鉆孔相關(guān)質(zhì)量項(xiàng)目影響很大。

圖10 背板、連接器、影響連接可靠性的四因素（壓力、板厚、孔徑與表面完成工藝）

鉆孔工序?qū)讖焦钣绊戄^大的是鉆頭選用與后期磨損，以及后續(xù)鍍銅深鍍能力（下文會詳細(xì)介紹），本部分內(nèi)容重點(diǎn)介紹改善信號完整性的背鉆相關(guān)技術(shù)。

背鉆即是將鍍通孔中對信號傳輸不起積極作用的一部分無用盲端孔銅鉆掉，以改善信號的完整性（圖11、12分別為信號傳輸過是否殘留無效盲端stub對信號表征之瞪眼圖的影響對比）。

圖11

圖12

對于高頻、高速、海量數(shù)據(jù)傳輸用途的背板，背鉆技術(shù)用于改善信號完整性的做法極為普遍且相當(dāng)有效。背鉆的主要控制項(xiàng)目為殘留stub長度、兩次鉆孔的孔位一致性以及孔內(nèi)銅絲（如下圖13）等，而背板高多層、大尺寸、厚銅、高厚度及其均勻性差等特點(diǎn)，均大大增加了背鉆品控難度。為優(yōu)化改善背鉆品質(zhì)，下文在鉆機(jī)及鉆嘴、背板壓合及工藝流程優(yōu)化三方面進(jìn)行了簡述。

圖13 自左往右依次為背鉆stub、背鉆孔孔位偏移、背鉆孔孔內(nèi)銅絲

（1）設(shè)備方面：并非所有鉆機(jī)具有背鉆功能，鉆機(jī)自身性能直接影響stub長度控制、孔位精度及孔內(nèi)銅絲等；而鉆嘴類型選用及質(zhì)量，鉆孔進(jìn)給速、回速、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，同樣影響孔內(nèi)的銅絲的產(chǎn)生，可加以控制與優(yōu)化。

（2）背板自身：背板厚度均勻性及板件翹曲度直接影響殘留stub長度，進(jìn)而影響信號傳輸，而大尺寸、高多層背板厚度均勻性及翹曲度恰恰為控制難點(diǎn)，大大增加了鉆孔毛刺的隱患，因此壓合過程改善背板厚度均勻性及翹曲度，同樣利于背鉆品質(zhì)的控制；

（3）工藝流程：不同的工藝流程直接影響了背鉆孔孔內(nèi)銅絲的控制，優(yōu)化工藝流程，在最佳工序進(jìn)行背鉆是控制孔內(nèi)銅絲的關(guān)鍵，業(yè)界也有大量文獻(xiàn)報(bào)道，目前最為公認(rèn)的是圖形電鍍錫后背鉆，然后利用后續(xù)蝕刻流程，去除孔內(nèi)殘留銅絲。

圖14 自左往右依次為固定鉆盲孔功能鉆機(jī)、鉆孔參數(shù)優(yōu)化、背鉆過程鉆嘴纏繞銅絲缺陷圖

從行業(yè)相關(guān)文獻(xiàn)、試驗(yàn)及已量產(chǎn)應(yīng)用的背鉆技術(shù)，主要有如下三種，且三種背鉆技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表2，供同行參考。

3.3 深鍍能力

印制電路板鍍銅深鍍能力是該行業(yè)的永恒主題，提高該能力，則可以減少線路板表面鍍銅部分的銅球消耗且降低后續(xù)線路蝕刻難度。對于背板鍍銅，由于其高AR值特性，良好深鍍能力的意義不止如此，它還是孔徑精度與孔銅質(zhì)量可靠性的保證，如圖15代表了與鍍銅深鍍能力相關(guān)的幾個(gè)最為常見且直接相關(guān)的缺陷：

表2 三種背鉆方法對比[13]

圖15 （a）深鍍能力良好，（b）深鍍能力差導(dǎo)致大肚孔，（c）單面高電流密度下的喇叭孔

印制電路板深鍍能力的評價(jià)方法有多種，諸如常規(guī)的六點(diǎn)法、十點(diǎn)法，還有極為嚴(yán)格的兩點(diǎn)法（極小值與極大值之比）等，本文不再贅述，如下重點(diǎn)介紹背板鍍銅深鍍能力幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)控制點(diǎn)。

（1）選用深鍍能力較佳的鍍銅藥水，鍍銅藥水的體系有多種，但難以兼顧電鍍產(chǎn)能與深鍍能力，操作電流密度較低者深鍍能力較佳，但影響電鍍產(chǎn)能。鍍銅藥水特性是對深鍍能力影響最為突出的因素，藥水整平劑、光劑、運(yùn)載劑、銅離子、酸度等均影響深鍍能力與鍍銅質(zhì)量，可通過試驗(yàn)摸索，加以優(yōu)化。

（2）設(shè)備配置對鍍銅深鍍能力影響較大，業(yè)界為提高鍍銅深鍍能力，設(shè)備方面的技術(shù)改善點(diǎn)主要集中在水平搖擺幅度與頻率、噴流、打氣、電震與超聲波震蕩等方面。對于脈沖電鍍藥水體系，脈沖電流的波形優(yōu)化同樣可以明顯改善深鍍能力，相關(guān)文獻(xiàn)甚多。

圖16 噴流、打氣、搖擺、電震、超聲波震蕩等改善濃差極化，從而提高深鍍能力

（3）通過低電流密度、長周期鍍銅方式，改善板件鍍銅陰極極化與孔內(nèi)藥水交換不充分問題，從而提高深鍍能力。

（4）優(yōu)化改善鍍銅均勻性，從而確保所有背板鍍通孔深鍍能力一致、孔銅厚度一致，避免背板局部區(qū)域孔銅不足或孔銅過厚帶來的孔小問題，該方面最為普遍，卻并未引起諸多背板加工廠家的足夠重視。因電鍍尖端效應(yīng)、電鍍陽極固定無法與所加工印制電路板多種尺寸一一匹配，因此在鍍銅厚度左右、上下均勻性常受到影響，如整掛板左右邊緣板件銅厚過薄或過厚、板件上下端銅厚與板中部不一致等均常有出現(xiàn)。

（5）流程優(yōu)化，對于大尺寸背板，特別是外層線路分布不均、孤立鍍通孔設(shè)計(jì)板件，應(yīng)在平板電鍍時(shí)盡量達(dá)到孔銅厚度的要求，避免圖形電鍍存在的局部區(qū)域鍍通孔電流密度過高而導(dǎo)致“喇叭孔”或“大肚孔”的出現(xiàn)。背板采用“假堿蝕”流程，在圖形電鍍時(shí)只鍍很薄的銅，其意義即在于改善深鍍能力，提高孔徑一致性。如下對比圖即可明顯看出不同深鍍能力下，孔口相對孔中部孔徑存在明顯差異。

圖17 深鍍能力不足50%與80%以上的鍍通孔孔銅分布狀況對比圖

3.4 最終表面完成工藝

對于背板來說，其最終表面完成工藝難點(diǎn)并不是很突出，只要生產(chǎn)線設(shè)備的尺寸加工能力足夠大，即可對背板進(jìn)行表面工藝。但獨(dú)立出該部分內(nèi)容進(jìn)行贅述，是希望大家關(guān)注以下兩點(diǎn)：

（1）表面工藝的選擇：用于承載功能子板的背板，其表面工藝一般選擇化學(xué)鎳金，其根本原因是化學(xué)鎳金相對熱風(fēng)整平，利于孔徑尺寸控制，利于連接器的壓入；相對沉錫、沉銀，其耐磨性及長期穩(wěn)定性更加，特別適合子板熱插拔類或插拔較多的背板；而有機(jī)保護(hù)膜并不適合連接器安裝方式，且其長期穩(wěn)定性不足。

（2）高AR壓接孔、背鉆孔孔內(nèi)銅層表面完成工藝覆蓋完整度：AR值過高，不利于藥水交換，易出現(xiàn)孔內(nèi)露銅；背鉆孔則因背鉆部分的孔壁無銅層覆蓋，其粗糙度、表面張力相對較大，影響藥水交換?，F(xiàn)部分表面完成工藝供應(yīng)商推薦背板采用沉錫表面工藝，著眼點(diǎn)在于沉錫層相對較軟，利于改善連接器壓針與背板的連接導(dǎo)通，但沉錫藥水粘度一般較大，能否完整覆蓋孔壁銅層，是需要慎重考慮的。

圖18 汕頭超聲印制板公司量產(chǎn)中的超大尺寸、高多層、高頻、多種背鉆深度背板，采用化學(xué)鎳金表面完成工藝

4 總結(jié)

對于背板加工技術(shù)方面的研究及文獻(xiàn)，業(yè)界已有很多，且覆蓋面甚廣，從前期電路板設(shè)計(jì)、材料研究，到背板加工工程的壓合、蝕刻、鉆孔及背鉆、鍍銅深鍍能力、感光阻焊以及表面完成工藝，再到下游封裝及ICT測試等。本文參考諸多文獻(xiàn)、試驗(yàn)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，對背板之部分加工技術(shù)進(jìn)行了簡述，對本文內(nèi)容概括總結(jié)如下：

（1）通過內(nèi)層芯板補(bǔ)償、層壓定位方式及壓合參數(shù)優(yōu)化，可大大改善層間對準(zhǔn)度。

（2）背板背鉆可明顯改善信號傳輸過程的完整性，鉆機(jī)、鉆嘴、鉆孔參數(shù)與流程優(yōu)化是保證背鉆品質(zhì)的關(guān)鍵。

（3）高AR值背板深鍍能力與常規(guī)電路板的改善點(diǎn)并無差異，重在選擇深鍍能力最優(yōu)的藥水并對設(shè)備搖擺、電震、打氣、噴流、超聲波、整流系統(tǒng)等配置加以優(yōu)化。

（4）背板表面完成工藝難度并不突出，但需背板特性與用途，建議客戶選擇合理的表面完成工藝，生產(chǎn)過程注意控制背板孔內(nèi)表面完成工藝的覆蓋完整度。

以上有關(guān)背板加工的層間對準(zhǔn)度、背鉆、深孔電鍍、表面工藝等諸多關(guān)鍵控制點(diǎn)與主要技術(shù)在汕頭超聲印制板公司得以應(yīng)用并優(yōu)化改善，使其在高多層、大尺寸、超厚度背板加工處于行業(yè)領(lǐng)先水平，配合陶瓷填充類、PTFE等高頻/高速材料應(yīng)用與混壓工藝等，所生產(chǎn)背板用于通訊基站、數(shù)據(jù)交換器、大型存儲設(shè)備、交通/軍事控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。本文供同行參閱與了解，希望為大家提供有用之資訊。

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孟凡義，工藝工程師，負(fù)責(zé)印制電路板加工技術(shù)提升、節(jié)水與廢水處理等工作。

The review of manufacturing technology for backplane

MENG Fan-yi

As a kind of printed circuit boards, backplane had unique structures and special application areas, so it challenged to the manufacturing technologies of normal printed circuit boards. This article made a review of backplane manufacturing technologies and control, including lamination registration, backdrilling, plating through hole power and surface finish. It could give references and suggestions to the printed circuit board industry.

Backplane; Lamination Registration; Back Drilling; Through Power

TN41

A

1009-0096（2014）04-0169-06