厚背板鉆孔工藝研究

焦其正 王小平 紀(jì)成光

（生益電子股份有限公司，廣東 東莞 523127）

0 背景

隨著5 G和IPV6等網(wǎng)絡(luò)與通訊技術(shù)不斷向大容量、低延遲，高速度傳輸?shù)姆较虬l(fā)展，作為網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)暮诵钠骷嘲?，也不斷向高密度、超高速，高穩(wěn)定性方向發(fā)展，這些性能要求引起的顯著變化就是，高頻高速材料（R5775及以上級別）的使用；尺寸超大1143 mm到1270 mm（45 in～50 in）；超厚（最大10 mm～13 mm）；層數(shù)超多（最大60～80層）；壓接器孔數(shù)劇增（最大7～12萬/單元）。

上述變化對背板PCB的核心制程鉆孔提出了嚴(yán)苛要求和巨大挑戰(zhàn)，因為背板的主要功能器件為通過壓接器連接不同的功能模塊和網(wǎng)絡(luò)，其線路板上的主要的功能模塊為壓接器的壓接孔。壓接孔必須通過鉆孔制作出來（如圖1）。因此背板的鉆孔制作難度也就越來越大。這主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）板厚度大，鉆刀刃長，容易產(chǎn)生斷刀報廢的風(fēng)險。

（2）板尺寸大，壓接器數(shù)量多，孔位精度差極易產(chǎn)生壓接跪針的風(fēng)險。

（3）板厚度高，出刀面偏位幾率高，容易產(chǎn)生背鉆孔殘銅問題，引起短路失效。

（4）為了減小殘樁（stub）對高速信號傳輸?shù)挠绊?，背鉆stub控制要求越來越高。

圖1 背板鉆孔典型缺陷

由于以上制作難點(diǎn)，因此必須開發(fā)可行的適合背板的鉆孔技術(shù)和方法，滿足背板不斷發(fā)展提出的要求。

1 工藝方法研究

1.1 壓接孔鉆孔制作工藝

針對厚度超高的背板鉆孔，在分析現(xiàn)有鉆孔技術(shù)的基礎(chǔ)上提出幾種鉆孔方法進(jìn)行對比試驗。

針對表1鉆孔方式，選取一個板厚9.0 mm的試板進(jìn)行鉆孔工藝測試，通過試板確定最佳的鉆孔方法，試板基本要求及結(jié)果分析如表2。

表2 厚背板不同鉆孔方式測試結(jié)果

從不同鉆孔方式鉆孔試板孔位精度結(jié)果（表2）來看：目前僅有采用等大對鉆方式鉆孔可以滿足出刀面孔位精度滿足Cpk≥1.0的要求，同時無超出0.10 mm（4 mil）的孔（保證無背鉆偏孔）。因此為了保證背鉆無偏孔殘銅，只能采用等大對鉆方式鉆孔。同時等大對鉆還可以保證無披鋒毛刺（需打磨修理），以及粉塵堵孔的問題（見圖2）。

圖2 厚板常規(guī)鉆孔品質(zhì)問題

對于等大對鉆工藝存在的問題為對鉆交界位置階梯的問題。出現(xiàn)階梯主要由于兩個原因?qū)е拢?/p>

（1）兩面定位孔偏差，板正反兩面鉆孔需相同定位孔重復(fù)打定位,由于兩次打定位，因定位孔偏移會導(dǎo)致兩面孔位偏移，最終形成階梯。

（2）單面鉆深大，反面對鉆時交界位置的導(dǎo)向作用導(dǎo)致偏位，最終形成階梯。

對于以上原因分析，結(jié)合鉆孔設(shè)備的發(fā)展與新功能的應(yīng)用，可以采用CCD鉆孔方式改善，即采用X-RAY打靶機(jī)鉆出的孔作為CCD標(biāo)靶孔，此標(biāo)靶孔僅供CCD抓靶（無需打銷釘定位，對孔無損傷），抓靶后自動計算零位。同時兩面鉆孔均采用導(dǎo)電控深方式控制55%板厚的鉆深，通過此方法減小單面鉆孔深度，也可以改善對鉆階梯大?。▓D3）。

圖3 等大對鉆基本原理示意圖

通過采用導(dǎo)電控深對鉆+CCD鉆孔方式進(jìn)行等大對鉆，對鉆階梯可以由常規(guī)對鉆最大0.10 mm減小到≤0.05 mm，（見圖4）。

圖4 對鉆階梯改善結(jié)果

通過厚背板鉆孔方法的研究得到以下結(jié)論：

（1）對比多種鉆孔方式，采用等大對鉆方法最優(yōu)，可以保證兩面孔位精度均滿足要求（壓接面±0.75 mm以內(nèi)，非壓接面背鉆無偏孔殘銅，同時無披鋒毛刺；

（2）采用導(dǎo)電控深+CCD鉆孔方式進(jìn)行等大對鉆，可以控制對鉆階梯≤0.05 mm。

1.2 背鉆stub控制能力研究

1.2.1 背鉆Stub對信號的影響

由于網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性不斷提升，目前的信號傳輸經(jīng)常會出現(xiàn)從表層到板中某一層的傳輸回路?；旧虾苌儆型耆脑趦蓚€表層之間傳輸信號設(shè)計（圖5）。在高速信號傳輸中，過孔無效孔銅（stub，見圖6）對信號傳輸存在嚴(yán)重的干擾。嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致信號失真，或者無法傳輸。因此從電子結(jié)構(gòu)設(shè)計者到線路板制造商都在尋找減小甚至消除stub長度對信號影響的控制方法。

目前PCB制造業(yè)主流解決方案為設(shè)計背鉆流程，專門用來去除無效孔銅，其原理就是利用深度控制鉆孔方式將PTH孔無效孔銅部分鉆掉[圖6（b）]。此方法簡單高效，同時也存在深度控制精度差（stub長度值），穩(wěn)定性差（stub長度一致性）的問題。因此迫切需要提升背鉆stub控制的制作能力。即將stub值控制得越小越好，越穩(wěn)定越好。例如全部控制在0.05～0.25 mm（2～10 mil）以內(nèi)。

圖5 信號傳輸?shù)湫湍Ｊ?/p>

圖6 Stub示意圖

隨著5G通訊及下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸不斷向高頻高速方向發(fā)展，這就對信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性提出越來越高的要求，而隨著頻率的不斷提高，stub的影響也越來越明顯（詳見圖7所示），因此必須不斷提升信號傳輸?shù)闹匾绊懸蛩豷tub的控制能力和水平。

背板由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的提高，過孔背鉆的深度也越來越大，鉆深經(jīng)常達(dá)到板厚的50%～80%，通常最大鉆深達(dá)到5～7 mm。因此常規(guī)背鉆工藝方法無法滿足任意鉆深stub均控制在0.25 mm以內(nèi)的要求。

目前背鉆stub控制能力差，且隨著鉆深的增加，stub長度控制能力不斷增加，例如鉆深2.5 mm以下stub可以控制在0.25 mm以內(nèi)，鉆深達(dá)到4 mm，stub僅能控制在0.35 mm以內(nèi)，鉆深達(dá)到5 mm，stub僅能控制在0.40 mm以內(nèi)。并且stub控制的一致性也越來越差。

出現(xiàn)這種隨著鉆深的增加，stub控制能力越差的主要原因在于介質(zhì)厚度偏差越來越大。這種介厚偏差的變化目前的設(shè)計和PCB制作工藝無法避免。因此就需要尋找減小和消除介質(zhì)厚偏差對stub控制的影響的背鉆工藝方法。

1.2.2 不同背鉆工藝原理

目前結(jié)合背鉆鉆機(jī)的基本原理，開發(fā)出以下三種背鉆工藝，通過特殊的背鉆方法提高背鉆stub控制能力：分區(qū)背鉆，自動測量板厚等比例背鉆，內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。三種工藝的基本原理如下。

（1）分區(qū)背鉆。

利用疊層設(shè)計資料中的銅厚疊加原理，模擬計算分析板厚分布規(guī)律，對整板進(jìn)行板厚分區(qū)，依據(jù)分區(qū)對板厚進(jìn)行測量，在分區(qū)測量的基礎(chǔ)上，對每個分區(qū)內(nèi)的板厚和被尊深度進(jìn)行單獨(dú)計算與補(bǔ)償，減小和消除板面不同區(qū)域介質(zhì)厚度差異導(dǎo)致的背鉆深度不一致。

（2）自動測量板厚等比例背鉆。

板厚測量等比例背鉆法，其基本原理如圖9。

針對板厚測量目前主要有接觸式和非接觸式兩種方式，由于測量位置與板面背鉆孔位置一一對應(yīng)才能更準(zhǔn)確反映實際板厚，非接觸式目前還不成熟（大部分停留在樣品和測試階段），接觸式普通方法僅能分區(qū)測量，因此結(jié)合Schmoll鉆機(jī)的mapping功能，開發(fā)出smart mapping方法進(jìn)行準(zhǔn)確的單點(diǎn)測量（需背鉆的孔的位置），其測量的基本方法有兩種，一種為僅測量臺面法，一種為臺面和板面相結(jié)合的測量方法（圖9），通過試板對比臺面和板面相結(jié)合的方法測量準(zhǔn)確度更高，因此試板采用此方法。

（3）內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。

內(nèi)層導(dǎo)電背鉆主要有兩種方法兩次背鉆法和3D背鉆法，兩種方法的基本原理分別如圖10、圖11。

圖7 stub對信號影響示意圖

內(nèi)層導(dǎo)電兩次背鉆基本原理是將基準(zhǔn)面設(shè)計在距離不可鉆穿層的上方更近的位置（一般距離為0.5 mm～1.0 mm），通過減少介質(zhì)厚度的偏差提高stub的控制能力。第一次背鉆去除參考層與表層的導(dǎo)通，第二次背鉆以參考層為基準(zhǔn)面進(jìn)行背鉆。

3D背鉆的參考層設(shè)計思路與兩次背鉆相同，實現(xiàn)方法略有差異，主要差異為3D背鉆在一鉆時精確測量每個需背鉆孔位置的表層到參考層的介質(zhì)厚度。背鉆深度計算時進(jìn)行深度補(bǔ)償，消除表層到參考層的介厚的影響。

通過一個板厚7 mm，背鉆深度從2～5 mm的尺寸610 mm×914.4 mm的背板進(jìn)行能力對比測試，三種背鉆工藝能力水平測試結(jié)果如表3、圖12和圖13。

（1）3D背鉆與兩次背鉆制作能力接近，3D略優(yōu)于兩次背鉆，3D背鉆和兩次背鉆能力明顯高于自動測量等比例背鉆；

（2）按照CP≥1.67計算3D背鉆能力為0.75 mm兩次背鉆為±0.75 mm，自動測量等比例背鉆制作能力為±0.14 mm。

圖8 板厚分區(qū)背鉆原理示意圖

圖9 自動測量等比例背鉆基本原理

圖10 內(nèi)層導(dǎo)電兩次背鉆原理示意圖

圖11 3D背鉆原理示意圖

2 結(jié)論及推廣應(yīng)用

通過以上厚背板鉆孔制作工藝研究得出以下結(jié)論。

表3 三種工藝制作能力對比分析

圖12 不同背鉆工藝能力對比結(jié)果

圖13 三種背鉆工藝對比

（1）為了滿足壓接孔孔位精度以及背鉆位置精度控制要求，目前最佳的鉆孔方式為導(dǎo)電控深等大對鉆方式；

（2）等比例背鉆，內(nèi)層導(dǎo)電背鉆均可以提升背鉆stub控制能力，為了滿足stub＜0.25 mm（10 mil）要求，最佳工藝方法為內(nèi)層導(dǎo)電背鉆。通過本項目的開展，顯著提升厚背板鉆孔制作能力，為高端背板技術(shù)能力的提升和市場開拓打下良好的基礎(chǔ)，滿足背板制作技術(shù)發(fā)展不斷提出的要求，促進(jìn)高頻高速背板技術(shù)能力的提升。