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常见问题

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了解高速PCB多层板的钻孔与背钻
2021-10-12
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高速PCB多层板中,信号从某层互连线传输到另一层互连线就需要通过过孔实现连接。当频率低于1GHz时,过孔可以起到很好的连接作用 ,其寄生电容和电感可以忽略不计。当频率高于 1 GHz 时,过孔的寄生效应对信号完整性的影响不可忽视。这时过孔在传输路径上就表现为阻抗不连续的断点,会引起信号反射、延时和衰减等信号完整性问题。

过孔类型

过孔一般分为三类:通孔、盲孔和埋孔。

盲孔:位于印制电路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于连接表面线路和下面的内层线路,孔的深度和孔径通常不超过一定的比例。

埋孔:是指位于印制电路板内层,不延伸到线路板表面的连接孔。

通孔:这种孔贯穿整个电路板,可用于内部互连或作为元件安装定位孔。因为通孔在工艺上更容易实现,成本更低,所以使用于一般的印刷电路板

高速PCB中的过孔设计

在高速PCB设计中,看似简单的过孔往往会给电路设计带来很大的负面效应。为了减少过孔寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到以下几点:

(1) 选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度PCB设计,最好使用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/焊盘/POWER隔离区)的过孔;对于一些高密度PCB,也可以使用0.20mm/0.46 mm/0.86mm的过孔,也可以尝试非穿通孔;对于电源或地线的过孔可以考虑使用较大的尺寸来降低阻抗;

(2) POWER隔离区越大越好,考虑PCB上的过孔密度,一般D1=D2+0.41;

(3) PCB上的信号走线尽量不换层,也就是尽量减少过孔;

(4) 使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数;

(5) 电源和地的引脚应就近过孔,过孔和引脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源线和地的引线要尽量粗,以减少阻抗;

(6) 在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔,为信号提供短距离回路。

此外,过孔的长度也是影响过孔电感的主要因素之一。对于用于顶层和底层导通的过孔,过孔长度等于 PCB 厚度。由于PCB层数不断增加,PCB厚度往往达到5mm以上。

但是在高速PCB设计中,为了减少过孔带来的问题,过孔的长度一般控制在2.0mm以内。对于长度大于2.0mm的过孔,通过增加过孔孔径可以在一定程度上改善过孔阻抗的连续性。当过孔长度为1.0mm以下时,最佳过孔直径为0.20mm~0.30mm。

二、PCB生产中的背钻工艺

1.什么是PCB背钻?

背钻实际上是控深钻比较特殊的一种。在多层板的生产中,比如12层板的生产,我们需要将第一层连接到第九层。通常我们钻通孔(一次性钻孔),然后是沉铜。这样第一层就直接连接到十二层。其实我们只需要第一层连到第9层,由于10层到12层没有线路连接,就像一个柱子。

这个柱子影响信号的通路,这会导致通信信号中出现信号完整性问题。所以将这个多余的支柱(业内称为STUB)从背面钻掉(二次钻孔),所以叫背钻,但一般不会钻那么干净,因为后面的工序会电解掉一点铜,而且钻尖本身也很锋利。因此PCB厂商会留下一个小点。这个留下的STUB的长度称为B值,一般在50-150UM范围内。


2、背钻的优点是什么?

1) 减少杂讯干扰;
2) 提高信号完整性;
3) 局部板厚变小;
4) 减少埋盲孔的使用,降低PCB生产难度。

3、背钻的作用是什么?

背钻的作用是钻掉没有起到任何连接或传输作用的通孔段,避免造成高速信号传输的反射、散射、延迟等,给信号带来“失真”。研究表明,影响信号系统信号完整性的主要因素除设计、板料、传输线、连接器、芯片封装等因素外,导通孔对信号完整性有较大的影响。

4、背钻生产工作原理

依靠钻针下钻时,钻尖接触基板板面铜箔时产生的微电流感应板面高度的位置,然后按设定的下钻深度进行下钻,当达到下钻深度时停止下钻。

5.背钻生产流程?
a.提供一块带有定位孔的PCB,利用所述定位孔对PCB进行一钻定位并进行一钻钻孔;
b.对一钻钻孔后的PCB进行电镀,电镀前对所述的定位孔进行干膜封孔处理;
c.在电镀后的PCB上制作外层图形;
d.在形成外层图形后的PCB进行图形电镀,图形电镀前对所述的定位孔进行干膜封孔处理;
e.利用一钻所使用的定位孔进行背钻定位,采用钻刀对需要进行背钻的电镀孔进行背钻;
f.背钻后用水清洗背钻,去除背钻孔中残留的钻屑。

6、如果电路板上有孔要求从第14层钻到第12层如何解决?

1)如果板子在第11层有信号线,信号线两端有通孔连接到元件面和焊接面,元器件将插入元件面。也就是说,在该线路上,信号的传输是从元件A通过第11层的信号线传递到元件B


2)根据第1点描述的信号传输情况,传输线中通孔的作用相当于信号线。

3)从第2点描述我们可以看出,在第一个良好的传输过程中,从焊锡面到第11层的通孔部分实际上并没有起到任何链接或传输作用。这一段通孔的存在容易造成信号传输的反射、散射、延迟等。因此背钻其实就是钻掉没有起到任何链接或传输作用的通孔部分,以避免造成信号传输的反射、散射,延迟给信号带来失真。

由于钻孔深度存在一定的公差控制要求,和板件厚度公差,我们无法100%满足客户的绝对深度要求。那么背钻深度的控制应该深一点还是浅一点呢?我们对工艺的看法是宁浅勿深。

7、背钻板的技术特征是什么?

1)大多数背钻板都是硬板

2)层数一般为8~50层

3)板厚:2.5mm以上

4)厚径比较大

5)板尺寸较大

6)一般首钻最小孔径>=0.3mm

7)外层线路较少,大多是压接孔方阵设计

8)背钻孔通常比需要钻掉的孔大0.2mm

9)背钻深度公差:+/-0.05MM

10)如果背钻需要钻到M层,那么从M层到M-1(M层的下一层)层的介质厚度最小为0.17mm

8、背钻板主要应用到那些领域?
背钻板主要应用于通讯设备、大型服务器、医疗电子、军事、航天等领域。由于军事和航天属于敏感行业,国产背钻板通常由军事和航天系统研究所、研发中心或具有较强军事和航天背景的PCB制造商提供,在中国,背钻板的需求主要来自通信行业,通信设备制造领域日益壮大。


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