100G以上骨干網(wǎng)用高速PCB孔損耗技術(shù)研究

韓雪川（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

100G以上骨干網(wǎng)用高速PCB孔損耗技術(shù)研究

Paper Code: S-081

韓雪川
（深南電路股份有限公司，廣東 深圳 518053）

在發(fā)送端，100G信號(hào)被分為10路或4路高速信號(hào)，加上OTN和FEC開銷，每路信號(hào)為10G+bit/s或更高的25G+bit/s，體現(xiàn)在印制電路板上則為單對(duì)差分阻抗線實(shí)現(xiàn)10G+bit/s、25G+bit/s的傳輸速率。文章主要從減少孔損耗的角度分析了實(shí)現(xiàn)了單PCB走線速率100Gbit/s，突破了背鉆技術(shù)、跳孔技術(shù)，有效保證了100G以上骨干網(wǎng)高速印制電路板的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

100G；高速；損耗；背鉆；跳孔

1 前言

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、光纖寬帶的應(yīng)用和普及，對(duì)骨干網(wǎng)傳輸損率的要求越來越高，原有的40G方案在性能和成本上已經(jīng)無法滿足實(shí)際的需求，100G傳輸系統(tǒng)逐步被大家認(rèn)可和接受，而此系統(tǒng)對(duì)PCB傳輸信號(hào)速率的要求也從1G、3G提升到10G、25G。

當(dāng)信號(hào)沿著PCB線路以超過1Gbps的速率傳輸時(shí)，此時(shí)的信號(hào)通路應(yīng)視為有損傳輸線模型，其中電磁能量一般以五種形式損失：輻射損耗、耦合到鄰近的線條上、阻抗不匹配、導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗[5]。阻抗不匹配、導(dǎo)線損耗和介質(zhì)損耗是傳輸線上信號(hào)衰減的主要貢獻(xiàn)者，為在完整的背板鏈路中實(shí)現(xiàn)10Gbps+甚至于25Gbps+的長(zhǎng)距離傳輸[通道總長(zhǎng)度通常從508 mm（20 in）到1016 mm（40 in）不等]，PCB板廠必須嚴(yán)格控制阻抗并確保無源通道的信號(hào)完整性，以減少趨膚效應(yīng)損耗、介質(zhì)損耗、串?dāng)_和反射。這就要求PCB廠更多地關(guān)注線路形狀、布線方式、通孔結(jié)構(gòu)、焊盤形狀、介質(zhì)材料的選擇以及銅箔粗糙度等對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀T如更先進(jìn)的布線方式、更多埋盲孔、更低損耗的無鹵基材、更低輪廓的銅箔、先進(jìn)半導(dǎo)體封裝方式、標(biāo)準(zhǔn)化的SERDES以及更多均衡、預(yù)加重等措施[1]。 關(guān)于布線方式、產(chǎn)品圖形設(shè)計(jì)、阻抗匹配及PCB相關(guān)的各種加工精度，如線寬、介厚、層偏等，部分是客戶設(shè)計(jì)相關(guān)的，部分是PCB加工一直研究和管控的，本文主要從孔的損耗上進(jìn)行研究,也就是從減少孔STUB方面進(jìn)行研究和闡述。

2 背鉆技術(shù)

傳統(tǒng)多層板各層間一律采PTH做為互連工具。例如某8層板之某通孔僅執(zhí)行L1與L4的互連時(shí)，所多出的孔壁稱為Stub。Stub越長(zhǎng)寄生電容愈大而插入損耗S21也愈嚴(yán)重。

然而由于STUB本身的電感，以及信號(hào)孔與接地孔兩者之電容，另加上下兩孔環(huán)間的電容，均將嚴(yán)重影響到信號(hào)完整性。STUB若經(jīng)擴(kuò)孔背鉆掉而消除其共振后，則其插入損耗將可大幅降低，如圖1。

圖1 插損與STUB關(guān)系示意圖

以一款14層板的為例進(jìn)行仿真，走線方式為1、3層換層走線，設(shè)計(jì)不同的背鉆深度，得到對(duì)應(yīng)插損表現(xiàn)如圖2。

圖2 插損與STUB關(guān)系仿真圖

由圖示看出仿真得出的不同的背鉆深度即STUB長(zhǎng)度，會(huì)產(chǎn)生不同頻率的諧振點(diǎn)，諧振頻率越高，代表此系統(tǒng)可傳輸?shù)男盘?hào)速率越高；通過表1可知，實(shí)現(xiàn)10 GHz的速率傳輸至少需要STUB長(zhǎng)度控制在0.30 mm（12 mil）以內(nèi)。

表1 諧振頻率與STUB長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

目前背鉆的設(shè)計(jì)由原來的通孔孔徑0.5 mm以上逐步縮小到0.2 mm，隨之背鉆難度也大幅度提升，主要體現(xiàn)在孔徑變小、背鉆時(shí)排屑困難導(dǎo)致堵孔，隨著高速高頻材料的越來越廣泛化使用，小孔背鉆成為不可或缺的加工工藝，所以此問題也需要得到快速有效的解決。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案如下

（1）試驗(yàn)板件選擇為小孔背鉆板件；加工機(jī)臺(tái)選為Schmoll機(jī)；

（2）板件加工參數(shù)選為BDR參數(shù)（背鉆專用加工參數(shù)）；

（3）板件加工時(shí)注意斷鉆、纏絲問題，加工完畢后保留鉆頭，觀察鉆頭磨損及崩缺情況；

（4）采用三種鉆頭進(jìn)行驗(yàn)證且對(duì)孔位精度進(jìn)行驗(yàn)證；

（5）板件加工完畢后，做好標(biāo)識(shí)，按照正常流程向后轉(zhuǎn)工；

（6）板件在蝕刻后按照標(biāo)識(shí)的指定位置取切片觀察孔壁質(zhì)量；

（7）板件加工方案如表2。

表2 加工方案

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

加工完成后觀察鉆頭磨損、斷鉆及纏絲情況，并統(tǒng)計(jì)背鉆堵孔比例、測(cè)量背鉆孔位精度。

表3 鉆頭磨損、斷鉆及纏絲結(jié)果

表4 背鉆堵孔比例

表5 背鉆孔位精度

2.3 試驗(yàn)分析

（1）鉆頭結(jié)構(gòu)：①目前我司常備鉆頭，鉆尖角130°，螺旋角為40°，芯厚為0.12，為UC型號(hào)鉆頭，排屑性能及剛性較好；②此鉆頭為UC改良型鉆頭，為加大排屑性特意減薄芯厚至0.03～0.05左右，排屑性能優(yōu)秀，相對(duì)應(yīng)剛性較差；③此鉆頭為UC改良型鉆頭，為改良排屑性能而減少芯厚至0.08～0.09左右，相應(yīng)的剛性為之降低；

（2）鉆頭磨損量及斷鉆、纏絲：因此類鉆頭為背鉆所用，所需切削的介質(zhì)為錫、樹脂、電鍍銅，其中鉆頭最主要的磨損為切削電鍍銅導(dǎo)致；對(duì)比以上三種鉆頭，芯厚越薄的鉆頭磨損量相對(duì)大，但加大了排屑槽空間的鉆頭纏絲會(huì)大幅減少。

（3）孔位精度及對(duì)位情況：從數(shù)據(jù)上分析，三種鉆頭在孔位精度上均可為滿足我司要求，且從對(duì)位數(shù)據(jù)上分析，B型號(hào)鉆頭在對(duì)位上相對(duì)差一些，但也可滿足40 μm以內(nèi)，根據(jù)目前我司背鉆孔徑大于通孔150 μm，單邊間距為75 μm，可以保證背鉆孔無殘銅現(xiàn)象。

2.4 小結(jié)

匯總試驗(yàn)結(jié)果如表6。

表6 背鉆試驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)以上三種鉆頭進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，只有鉆頭C可以滿足小孔背鉆要求，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)

3 跳孔技術(shù)

3.1 工藝介紹

跳孔設(shè)計(jì)即是了L1-L3的盲孔，盲孔孔徑設(shè)計(jì)8 mil ～ 14 mil，實(shí)現(xiàn)L1-L3跨階互聯(lián), 加工原理在普通盲孔工藝流程基礎(chǔ)上增加跨階激光鉆孔、大盲孔電鍍、大盲孔塞孔、盲孔POFV等工藝實(shí)現(xiàn)，此工藝替代兩階疊孔HDI并較少一次壓合子板流程，可以極大減少一次壓合流程成本實(shí)現(xiàn)L1-L3層跨階互聯(lián)；真空塞孔替代盲孔填平工藝降低電鍍成本。此工藝既提高了局部的布線密度，增加的單板的信號(hào)容量，也在設(shè)計(jì)上進(jìn)一步降低了成本，且此設(shè)計(jì)也可以看做是“0”STUB的設(shè)計(jì)，對(duì)高速率信號(hào)的傳輸實(shí)現(xiàn)了最低的損耗。

從加工工藝可分為含POFV工藝跳孔和不含POFV工藝跳孔兩種工藝，含POFV工藝跳孔技術(shù)需要解決了（0.2 mm ～ 0.36 mm）大盲孔激光鉆孔、真空塞孔+POFV、通盲孔電鍍兼容、層間對(duì)位，等工藝難點(diǎn)；不含POFV工藝的跳孔技術(shù)需要解決了0.2 mm ～ 0.36 mm）大盲孔激光鉆孔、通盲孔電鍍兼容、層間對(duì)位，等工藝難點(diǎn)，但是此工藝表面凹陷較大；含POFV工藝跳孔技術(shù)，解決了（0.2 mm ～ 0.36 mm）大盲孔激光鉆孔、真空塞孔+POFV、電鍍兼容等方面。其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：此方案的優(yōu)勢(shì)是減少一次壓合流程成本實(shí)現(xiàn)L1-L3層跨階互聯(lián)；真空塞孔替代盲孔填平工藝降低電鍍成本。

3.2 工藝流程

跳孔工藝流程圖如圖3。

3.3 跳孔缺陷分析

3.4 塞孔缺陷分析

跳孔工藝塞孔使用普通絲印方式存在孔內(nèi)氣泡無法排除導(dǎo)致塞孔，采用真空塞孔可有效改善塞孔氣泡凹陷問題。兩種塞孔效果如圖5。

圖3 跳孔工藝流程圖

圖4 跳孔工藝底部殘膠、偏盤缺陷圖

圖5 跳孔工藝絲印塞孔、真空塞孔

3.5 小結(jié)

跳孔工藝與與普通兩階盲孔疊孔工藝相比，可以，提高了PCB乃至電子產(chǎn)品的集成化程度，實(shí)現(xiàn)跨階連接并且減少一次壓合制作流程，降低PCB制作成本。

4 總結(jié)

本文主要介紹了兩種減少孔損耗、即減少STUB的技術(shù)，隨著的速率越來越快，此類設(shè)計(jì)的應(yīng)用也會(huì)越來越普遍，背鉆工藝將成為普遍設(shè)計(jì)，跳孔也會(huì)逐步在高端產(chǎn)品上應(yīng)用。

韓雪川，技術(shù)專家，開始負(fù)責(zé)高速及HDI產(chǎn)品，并組建高速產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)，并主導(dǎo)大尺寸單板、深微孔、啞鈴孔產(chǎn)品及任意層互連HDI產(chǎn)品等多項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)的開發(fā)。

The research of loss for hole with high speed PCB above 100G

HAN Xue-chuan

This article made research from the perspective of reducing the loss of the hole to achieve a single PCB traces rate 100Gbit/s, breaking the back-drilling technology, jump-hole technology, effectively ensuring the 100G high-speed backbone network over the printed circuit board technology.

100G; High Speed; Loss; Back Drill; Skip Via

TN41

：A

1009-0096（2015）03-0017-05