背钻技术发展简述

2012-05-31李国有邱艳佳张学东

印制电路信息 2012年1期

李国有邱艳佳张学东

汕头超声印制板公司

1 背景

多层印制电路板（PCB）中镀通孔（PTH）起到内层电源层与接地层的相互连通的功能，当系统进入高速讯号传输时，PTH孔将成为信号完整性的瓶颈和障碍，在传输线中犹如一条多于的“尾巴”（Stubs），扮演着凹痕式滤波器的功能，在信号传输线路中，两处出现这种Stubs时，将形成一段震荡段，不管是滤波或是震荡，对高速讯号传输产生伤害，使信号失真[1]。

背钻是铜通过二次钻孔的方式，将已经完成电镀的PTH孔内，不利于信号传输的孔铜（Stubs）部分去除，背钻后残留的Stubs长度越短，对信号传输的完整性越有利。目前电子产品已经进入高速信号传输时代，相应的对PTH孔内残留的Stubs的长度要求越来越短，促使PCB制造厂家，通过多种手段，以提高背钻的加工能力，满足客户更高的需求。本文介绍了三种背钻技术：（1）传统的背钻方法；（2）内层为信号反馈层的背钻方法；（3）按板厚比例控制深度背钻方法，并且简述了这三种背钻方法各自的优缺点。

2 传统背钻方法

传统的背钻方法是利用钻机的钻盲孔功能，背钻时，以外层作为信号反馈层，当钻针接触到板面时，反馈信号到伺服器，下钻预先设定的深度，其原理可以根据图1所示来理解。背钻的钻针直径一般比第一次钻孔大0.2 mm ～ 0.25 mm，板件走碱蚀流程，背钻步骤在图形电镀后，碱性蚀刻前进行，可以避免背钻产生的铜丝，在预设下钻深度时，还要考虑蚀刻时也会去除部分孔铜。

图1 传统背钻技术示意图，信号反馈层在外层

这种背钻方法每个孔的背钻深度都是一致的，而板件的厚度是不均匀的，一般是板件四周薄，中间厚，那么背钻后残留的孔铜长度均一性差，限制了背钻能力的提升，板件越厚，厚度均匀性越差，残留孔铜的长度就越大，成为传统背钻技术的主要缺点。

3 内层为信号反馈层的背钻方法

同样利用钻机的钻盲孔功能，将信号反馈层设置在内层（例如参考层），例如背钻目标层为第8层，那么信号反馈层设置在第9层（参考层，从焊锡面背钻），通过一个工具孔，将信号反馈层连接到板面，预设钻深只有一层介质层厚度，背钻的精度会大大提高。一般情况下，背钻的参考层为接地层，为大铜面，其原理可以根据图2所示来理解[2]。与传统的背钻方法相比较，将信号反馈层设在内层，有三个问题需要关注：

（1）流程选择：背钻必须选择在蚀刻后进行，如果在蚀刻前背钻，钻针接触到板面就会反馈信号，达不到资料设计的初衷。

（2）背钻后铜丝问题：因为背钻选择在蚀刻后，无法再利用蚀刻来避免铜丝，所以需要对背钻的钻孔参数进行研究。

（3）层压和第一次钻孔精度要求高：第一次钻孔时，钻针不能钻到内层的信号反馈层上，否则在后续的孔金属化流程中，孔铜与信号反馈层导通，同样达不到资料设计的初衷，所以对层压和第一次钻孔的对位精度要求很高，同样也决定了背钻时钻针直径的选择。

图2 内层为信号反馈层的背钻技术

本人通过试验证明这种背钻方法的可行性，如图3所示的背钻参考层，第一次钻孔直径为0.45 mm，隔离环单边设计为5 mil。

图3 层为信号反馈层背钻资料示例

按照资料设计背钻孔径需要≥0.7 mm（第一次钻孔直径加上隔离环两边宽度），实际生产需要在内层蚀刻后，测量环直径才能确定背钻孔直径。图4是在背钻前做切片确认对位精度，同时可以测量背钻需要的钻针直径。可以看出，层压和第一次钻孔对位精度良好，背钻直径需要选择0.75 mm。

图4 刻后确认对位精度和背钻直径

背钻时，采用常规的钻孔参数，孔内出现铜丝，如图5所示，且背钻深度越大，铜丝越严重，提升钻孔参数后[3]，可以避免铜丝（钻尖角度、钻速、进刀速度）。孔铜长度控制良好，长度均一，如图6所示。

图5 常规钻孔参数背钻铜丝

图6 内层为信号反馈层背钻结果实例

通过实例可以看出，以内层做为信号反馈层背钻，在控制孔铜长度能力方面表现优秀，板厚均匀性将不再是背钻的影响因素，但对生产流程中其他步骤能力要求高，流程控制难度大，同时背钻孔径比第一次钻孔大0.3 mm以上。

4 按板厚比例控制背钻深度背钻

板厚虽然是不均匀的，但钻深和板厚具有一定的规律性，即钻深占板厚的比例基本是一致的，钻机可以根据坐标点检测板件不同背钻位置的厚度，以外层做为信号反馈层，再根据预先设定的比例，不同的厚度下钻的深度也不同，提升残留孔铜长度的加工能力[4]。本人利用生产报废板件，对按照板厚比例控制钻深的背钻方法进行了可行性调查，取三个生产编号，编号A客户要求完成板厚（4.00±0.40）mm，编号B客户要求完成板厚（2.50±0.25）mm，编号C客户要求完成板厚（3.20±0.32）mm。

做板件上不同位置（板边、板中、测试孔、背钻孔）切片，测量板件厚度和参考层（目标层）深度，测量方法如图7所示，每个编号取10个或以上数据，计算参考层的平均深度、参考层占板厚的比例以及此比例的平均值，假设以两种方法背钻，一是按传统背钻方式，以测量的参考层深度平均值为固定钻深，二是按测量的板厚比例平均值控制背钻深度，板厚减去参考层深度认为是孔铜长度，计算残留孔铜长度的极差，数据见表1、表2、表3，因板件在蚀刻后测量数据，测量时无法包含面铜厚度，表中实际数据认为面铜50 μm。

图7 板厚和参考层（目标层）深度测量示例

表1 编号A控制板厚比例背钻调查数据表，单位：微米

表2 编号B控制板厚比例背钻调查数据表，单位：微米

表3 编号C控制板厚比例背钻调查数据表，单位：微米

通过以上三个编号数据分析可知，外层为信号反馈层，理论上采用按照板厚比例计算钻深，即不同板厚位置钻孔深度按照比例计算，背钻的能力比传统的背钻方式（固定一个背钻深度）有很大的提高，且板件越厚、背钻深度越大，能力提高越明显。编号A完成板厚4 mm左右，背钻深镀2.22 mm左右，残留Stubs长度（板厚减去钻深）极差由393.95 μm减小到172.94 μm；编号B完成板厚2.5 mm左右，背钻深度0.9 mm左右，残留Stubs长度（板厚减去钻深）长度极差由145.45 μm减小到89.67 μm；编号C板厚3.2 mm左右，背钻深度2.48mm左右，残留Stubs长度（板厚减去钻深）长度极差由296.92 μm减小到65.50 μm，理论的背钻能力得到很大提高。按板厚比例控制背钻深度背钻的方法控制Stubs长度方面表现良好，流程与传统背钻方法一致，过程控制难度小。