高速PCB设计中的过孔和背钻技术解析

做硬件的朋友都知道，PCB过孔的设计其实很有讲究，今天为大家分享PCB中过孔和背钻的技术知识。

一、高速PCB中的过孔设计

　　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。

　　1.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1GHz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。

　　2.过孔的类型

　　过孔一般又分为三类：通孔、盲孔和埋孔。

　　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。

　　3.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。

二、PCB生产中的背钻工艺

　　1.什么PCB背钻？

　　背钻其实就是孔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），然后沉铜。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，在通讯信号中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。

　　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：

　　5.背钻制作工艺流程？

　　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；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；在电镀后的PCB上制作外层图形；

　　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；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；背钻后对背钻孔进行水洗，清除背钻孔内残留的钻屑。

　　6.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0.17MM7.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。