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[分享] 详解PCB过孔、背钻注意要点,你要的答案都在这!

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发表于 2019-8-30 08:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
                                                                                                    一、 高速PCB中过孔设计在高速PCB设计中,往往需要采用多层PCB,而过孔是多层PCB 设计中的一个重要因素。PCB中的过孔主要由孔、孔周围的焊盘区、POWER 层隔离区三部分组成。接下来,我们来了解下高速PCB中过孔的问题及设计要求。

高速PCB中过孔的影响
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来实现连接,在频率低于1 GHz时,过孔能起到一个很好的连接作用,其寄生电容、电感可以忽略。当频率高于1 GHz后,过孔的寄生效应对信号完整性的影响就不能忽略,此时过孔在传输路径上表现为阻抗不连续的断点,会产生信号的反射、延时、衰减等信号完整性问题。
当信号通过过孔传输至另外一层时,信号线的参考层同时也作为过孔信号的返回路径,并且返回电流会通过电容耦合在参考层间流动,并引起地弹等问题。

过孔的类型
过孔一般又分为三类:通孔、盲孔和埋孔。

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盲孔:指位于印刷线路板的顶层和底层表面,具有一定深度,用于表层线路和下面的内层线路的连接,孔的深度与孔径通常不超过一定的比率。
埋孔:指位于印刷线路板内层的连接孔,它不会延伸到线路板的表面。

通孔:这种孔穿过整个线路板,可用于实现内部互连或作为元件的安装定位孔。由于通孔在工艺上更易于实现,成本较低,所以一般印制电路板均使用

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也会给电路的设计带来很大的负面效应。为了减小过孔的寄生效应带来的不利影响,在设计中可以尽量做到:
(1) 选择合理的过孔尺寸。对于多层一般密度的PCB 设计来说,选用0.25mm/0.51mm/0.91mm(钻孔/ 焊盘/ POWER 隔离区)的过孔较好;对于一些高密度的PCB 也可以使用0.20mm/0.46mm/0.86mm 的过孔,也可以尝试非穿导孔;对于电源或地线的过孔则可以考虑使用较大尺寸,以减小阻抗;
(2)POWER隔离区越大越好,考虑PCB 上的过孔密度,一般为D1=D2+0.41;

(3)PCB 上的信号走线尽量不换层,也就是说尽量减少过孔;

(4)使用较薄的PCB有利于减小过孔的两种寄生参数;

(5)电源和地的管脚要就近过孔,过孔和管脚之间的引线越短越好,因为它们会导致电感的增加。同时电源和地的引线要尽可能粗,以减少阻抗;

(6)在信号换层的过孔附近放置一些接地过孔,以便为信号提供短距离回路。

此外,过孔长度也是影响过孔电感的主要因素之一。对用于顶、底层导通的过孔,过孔长度等于PCB厚度,由于PCB层数的不断增加,PCB厚度常常会达到5 mm以上。

然而,高速PCB设计时,为减小过孔带来的问题,过孔长度一般控制在2.0mm以内。对于过孔长度大于2.0 mm过孔,通过增加过孔孔径,可在一定程度上提高过孔阻抗连续性。当过孔长度为1.0 mm及以下时,最佳过孔孔径为0.20 mm ~ 0.30 mm。

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二、PCB生产中的背钻工艺

1.什么PCB背钻?

背钻其实就是控深钻比较特殊的一种,在多层板的制作中,例如12层板的制作,我们需要将第1层连到第9层,通常我们钻出通孔(一次钻),然后陈铜。这样第1层直接连到第12层,实际我们只需要第1层连到第9层,第10到第12层由于没有线路相连,像一个柱子。
这个柱子影响信号的通路,
在通讯信号会引起信号完整性问题。所以将这个多余的柱子(业内叫STUB)从反面钻掉(二次钻)。所以叫背钻,但是一般也不会钻那么干净,因为后续工序会电解掉一点铜,且钻尖本身也是尖的。所以PCB厂家会留下一小点,这个留下的STUB的长度叫B值,一般在50-150UM范围为好。

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2.背钻孔有什么样的优点?1)减小杂讯干扰;
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制作难度。

3.背钻孔有什么作用?
背钻的作用是钻掉没有起到任何连接或者传输作用的通孔段,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、板材料、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影响。

4.背钻孔生产工作原理
依靠钻针下钻时,钻针尖接触基板板面铜箔时产生的微电流来感应板面高度位置,再依据设定的下钻深度进行下钻,在达到下钻深度时停止下钻。如图二,工作示意图所示

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5.背钻制作工艺流程?a、提供PCB,PCB上设有定位孔,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上进行图形电镀,在图形电镀前对所述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、背钻后对背钻孔进行水洗,清除背钻孔内残留的钻屑。

6.如有电路板有孔要求从第14层钻到12层要如何解决呢?
1)如该板在第11层有信号线,在信号线的两端有通孔连接到元件面和焊锡面,在元件面上将会插装元器件,如下图所示,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。

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2)按第1点所描述的信号传输情况,通孔在该传输线路的作用等同于信号线,如果我们不进行背钻,则信号的传输路线如图五所示。

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3)从第2点所描述的图中,我们可以看到,在先好传输过程中,焊锡面到11层的通孔段其实并没有起到任何的链接或者传输作用。而这一段通孔的存在则容易造成信号传输的反射、散射、延迟等,因此背钻实际上就是钻掉没有起到任何链接或者传输作用的通孔段,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,以及板件厚度公差,我们无法100%满足客户绝对的深度要求,那么对于背钻深度的控制是深一点好还是浅一点好?我们对工艺的看法是宁浅勿深,图六。


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7.背钻孔板技术特征有哪些?1)多数背板是硬板
2)层数一般为8至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,多为压接孔方阵设计
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)如果背钻要求钻到M层,那么M层到M-1(M层的下一层)层的介质厚度最小0.17MM

8.背钻孔板主要应用于何种领域呢?
背板主要应用于通信设备、大型服务器、医疗电子、军事、航天等领域。由于军事、航天属于敏感行业,国内背板通常由军事、航天系统的研究所、研发中心或具有较强军事、航天背景的PCB制造商提供;在中国,背板需求主要来自通信产业,现逐渐发展壮大的通信设备制造领域。
在Allegro中实现背钻文件输出
1.首先选中背钻Net,定义长度。在菜单栏中点Edit-Properties,打开对话框Edit property,如下图:


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2.在菜单中点:Manufacturing→NC→ Backdrill Setup and Analysis,如下图:

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3.背钻可以从top层开始,也可以从Bottom层开始。高速信号上的连接管脚和VIA都需要做背钻。设置如下:

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4.钻孔文件如下:

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5.将背钻钻孔文件和背钻钻孔深度的表格一起打包发给PCB厂,背钻深度表格需手动填写

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相关的一些属性Properties
1、BACKDRILL_MAX_PTH_STUB(net):在constraint manager里面需要给背钻的网络赋予BACKDRILL_MAX_PTH_STUB属性,只有设置了属性,软件才会识
为这个网络需要考虑背钻。
在constraintmanager→net→general properties →worksheet→backdrill项,选择需要的项目并单击鼠标右键,在弹出的快捷菜单中选择change命令,输入maximum stub的值即可。Stub的计算原则为top和bottom两面的stub都会被计入到最大的stub长度里面。
2、BACKDRILL_EXCLUDE属性:定义了这个属性后,相关的目标就不进行背钻,此属性可以赋给symbol,pin,via,甚至可以在建库的时候就附上属性。
3、BACKDRILL_MIN_PIN_PTH属性:确保最小的通孔金属化的深度

4、BACKDRILL_OVERRIDE属性:用户自定义backdrill的范围,这也是比较有用的一个方法,尤其是针对结构简单,背钻深度一致的设计。

5、BACKDRILL_PRESSFIT_CONNECTOR属性:这是针对压接件的设置属性,一般情况下,背钻会识别压接器件,不会从器件面背钻,如果要求两面背钻。

压接器件必须赋予BACKDRILL_PRESSFIT_CONNECTOR属性。用于压接器件,要求单面或者双面背钻背钻时,指定这个参数后,背钻深度不会进入压接器件必需的有效连接区域。值,其中values=pin contact range,这个值必须从压接器件厂家得到。

针对背钻的属性都设置完成后,就是对背钻的分析了,启动菜单命令:manufacture→NC backdrill setup and analysis,启动背钻界面分析窗口,选择new pass set,设置一些背钻的参数,分析之后会产生报告,有冲突的地方都会有详细说明。

如果分析没有问题,那么背钻的设置就全部完成了, 需要在后处理的光绘输出阶段如NC-Drill legend和NC Drill的窗口中选择include backdrill,然后执行生成背钻钻孔孔位图和钻孔文件。

注意PCB板厂的背钻深度工艺能力需要与厂家沟通。


过孔的设计和背钻的工艺都是PCB生产过程中的步骤,除了这两个点,还有很多需要注意的事项,那么还有什么需要注意的呢

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这些流程中,每一步都有许许多多的坑,要完全避免,没有多年的生产经验是没有办法做到完全不出错的。
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