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2.5 背钻

2.5.1 背钻技术简介

1 .什么是背钻

背钻的英文为Backdrill或Backdrilling,也称CounterBore或CounterBoring。

背钻技术就是利用控深钻孔方法,采用二次钻孔方式钻掉连接器过孔或者信号过孔的Stub(残余)孔壁。

研究表明,随着信号速率不断提升,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,走线过孔或者连接器过孔对信道传输特性的影响越来越显著,导通孔对信号完整性也有较大影响。

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(也称过孔残桩),避免造成高速信号传输的反射、散射、延迟等,使信号带来“失真”。

背钻工艺示意图如图2-18所示。背钻技术可以去掉孔壁Stub带来的寄生电容效应,保证信道链路中过孔处的阻抗与走线具有一致性,减少信号反射,从而改善信号质量。

图2-18 背钻工艺示意图(剖视图)

背钻是目前性价比最高的、提高信道传输性能最有效的一种技术。使用背钻技术,PCB制造成本会有一定的增加。

2 .背钻分类

按照背钻方向分类,背钻可以分为单面背钻和双面背钻两种。单面背钻可以分为从顶层开始背钻和从底层开始背钻。

连接器插件引脚孔只能从与连接器所在面相反的一面开始背钻,当PCB的顶层和底层都布置了高速信号连接器时,就需要进行双面背钻,如图2-19所示。

图2-19 双面背钻示意图

按照背钻对象分类,主要有连接器通孔背钻和信号过孔背钻。

2.5.2 背钻设计规则

背钻技术重点关注剩余孔壁长度、背钻深度控制、线到背钻孔间距、背钻孔直径要求、背钻孔焊盘设计要求、PCB表面处理工艺要求等6个方面。

1 .压接工艺要求的剩余孔壁长度

图2-20是连接器压接引脚和背钻孔的剖面示意图,给出了 L (背钻后剩余孔壁长度)、 L 1 (压接引脚的压接刃长度)和 L 2 (连接引脚的针脚长度)3种长度 [22] ,表述了连接器引脚的不同部分的长度。

图2-20 连接器压接引脚/背钻孔剖面图

为保证连接器压接刃部分与PCB剩余孔壁能够可靠接触,必须保证连接器引脚的压接刃部分与背钻后的剩余孔壁完全接触,即要求 L L 1

需要注意的是,对于板内走线分布在距元器件面 L 深度内的走线层来说,如果需要考虑背钻,其背钻孔深度只能钻到距元器件面 L 深度以下。所以确定布线方案时,最好把高速信号都放在距元器件面 L 深度以下的走线层。

因为背钻深度控制精度方面,业界目前能力可以达到±4mil,国内供应商的能力可以达到±6mil。为了提高可靠性,设计时最好保留一定的冗余,建议满足下述设计要求:

L L 1 +12mil

(2-9)

根据上述关系,可以得出不同连接器过孔的最小剩余孔壁要求,具体请参见表2-16。

表2-16 不同连接器过孔的最小孔壁要求列表

需要说明的是,因为2mm连接器的压接刃长度 L 1 公差要稍大一些,在确定 L 长度时稍微放宽了一些。

2 .背钻深度控制

背钻深度控制(背钻深度公差基线)业界最高能力为±4mil,国内厂家能力为±6mil,建议至少保留8mil。

在层叠设置的时候需要考虑介质厚度,避免出现走线被钻断的情况。背钻孔深度控制建议在两层之间,两层之间厚度要求大于或等于12mil。

例如:当相邻两层(如第12层和第13层,第13层和第14层)不满足大于或等于12mil,而第12层和第14层间的间距大于或等于12mil时,推荐背钻孔深度控制在第12层和第14层之间 [22]

3 .线到背钻孔间距

如图2-21所示,PCB走线到背钻孔边缘距离大于或等于10mil [22]

图2-21 PCB走线到背钻孔边缘距离

4 .背钻孔的孔径尺寸要求

背钻孔的截面示意图如图2-22所示。图中, d 是钻孔直径, d 1 是成孔直径, D 是背钻孔直径, D 1 是走线距离背钻孔的距离, H 是背钻剩余孔壁的长度, H 1 是背钻深度, H 2 H 3 是走线层的Stub长度, T 是板厚。

图2-22 背钻孔的截面示意图

背钻孔的尺寸要求如下 [22]

背钻孔直径( D )=钻孔直径( d )+10mil。钻孔直径( d )=成孔直径( d 1 )+5mil。

背钻孔距内层图形推荐大于或等于0.25mm,距外层图形推荐大于或等于0.3mm。背钻孔到背钻孔的距离大于或等于0.25mm。

5 .背钻孔焊盘设计要求

过孔焊盘背钻后无铜环剩余。推荐的背钻孔焊盘按照要求如下:

① 背钻面的焊盘小于或等于背钻孔直径;

② 内层焊盘推荐设计成无盘工艺。

6 .背钻PCB 表面处理工艺

背钻PCB表面处理工艺如下 [22]

① 背钻PCB的表面处理工艺要求采用OSP或化学沉锡,禁用HASL。

② PCB内层非功能焊盘设计为无盘。

③ 在Smartdrill层添加文字:NO FUNCTIONAL PADS ON INTERNAL SIGNAL LAYERS MUST BE REMOVED。

④ 背钻孔背钻面不能同时用作ICT测试。

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《印制电路板(PCB)设计技术与实践(第4版)》

黄智伟

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