淺談PCB設(shè)計(jì)中的背鉆孔問題

???????隨著信息化產(chǎn)業(yè)的不斷推動(dòng)，數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)乃俣仍絹碓娇?，頻率越來越高，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的PCB板已經(jīng)不能滿足這種高頻電路的需要。信號(hào)的完整性傳輸研究成為越來越關(guān)鍵的重要核心技術(shù)。當(dāng)電路信號(hào)的頻率增加到一定高度后，PCB中的導(dǎo)通孔PTH中無用的孔銅部分，其多余的鍍銅就相當(dāng)于天線一樣，產(chǎn)生信號(hào)輻射對(duì)周圍的其他信號(hào)造成干擾，嚴(yán)重時(shí)將影響到線路系統(tǒng)的正常工作，Backdrill的作用就是將多余的鍍銅用背鉆的方式鉆掉，從而消除此類EMI問題。在降低成本的同時(shí)，滿足高頻、高速的性能。

背鉆其實(shí)就是一種特殊的控制鉆孔深度的鉆孔技術(shù)，在多層板的制作中，例如8層板的制作，我們需要將第1層連到第6層。通常首先鉆出通孔（一次鉆），然后鍍銅。這樣第1層直接連到第8層。實(shí)際我們只需要第1層連到第6層，第7到第8層由于沒有線路相連，像一個(gè)多余的鍍銅柱子。這個(gè)柱子在高頻高速電路設(shè)計(jì)中，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)姆瓷?、散射、延遲等，給信號(hào)帶來完整性方面的問題。所以將這個(gè)多余的柱子（業(yè)內(nèi)叫STUB）從反面鉆掉（二次鉆）。因此叫背鉆。

鍍銅短線柱(STUB)如何影響高速信號(hào)？

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???????Stub即鍍銅短線柱，如上圖所示。沒有連接信號(hào)線的通孔鍍銅部分。下圖所示為兩種通孔結(jié)構(gòu)的信號(hào)傳輸時(shí)電平轉(zhuǎn)換眼圖。左邊是具有完整的Stub鍍銅短線柱，右邊的是Stubless沒有鍍銅短線柱的情況。可以看出，通孔鍍銅短線柱在Pedestal Width這段區(qū)域其Pedestal Height消隱脈沖高度處于邏輯0到1和邏輯1到0轉(zhuǎn)換中的不確定狀態(tài)。這些不確定電平翻轉(zhuǎn)區(qū)域，使得數(shù)字接收更難以確定接收的信號(hào)到底是邏輯1還是邏輯0。不確定邏輯狀態(tài)的電平值與Stub鍍銅短線柱的等效阻抗成比例。較高的通孔短線柱阻抗使得邏輯電平更接近于期望的低電平0和高電平1。因此邏輯電平翻轉(zhuǎn)狀態(tài)更為明確。如右圖所示，類似于眼圖的眼睛張開的范圍更大。增加短線柱阻抗的有效方法是通過去除非功能焊盤來減小并聯(lián)電容。雖然這些技術(shù)有所幫助，但它們通常不足以將失真減少到可接受的水平。

??????不確定電平翻轉(zhuǎn)的區(qū)域?qū)挾扰c短線柱的長度成比例。越短的短線柱Stub產(chǎn)生的不確定區(qū)域?qū)挾仍秸?。減小不確定電平翻轉(zhuǎn)區(qū)域?qū)挾鹊暮唵畏椒ㄊ峭ㄟ^背鉆來減小通孔鍍銅柱的總長度。下圖所示為進(jìn)行了適當(dāng)背鉆的通孔PTH的眼圖?？梢匀菀椎乜闯觯诒炽@操作之后剩余的鍍銅短線柱長度（在眼睛的左上角和左下角的不確定區(qū)域減?。愃朴趶堥_的眼睛范圍更大，確定電平轉(zhuǎn)換正常工作區(qū)間更大。

??????應(yīng)當(dāng)注意的是，采用構(gòu)造技術(shù)（例如激光鉆孔和改變板層堆棧順序）使得導(dǎo)線被移動(dòng)到更靠近過孔短線柱端部的層，也可以用于減小短線柱長度。但在許多高密度PCB板和背板/中間板中，從制造和成本核算的角度來看，這些方式并不總是可行的。在這種情況下，唯一的選擇是通過backdrilling背鉆刪除via stub。當(dāng)然，短線柱Stub去除不是唯一可以應(yīng)用于通孔的信號(hào)完整性改進(jìn)技術(shù)。使用例如正在申請(qǐng)的專利技術(shù)，Sanmina-SCI的Opti-Via TM“通孔調(diào)諧”算法來優(yōu)化未經(jīng)背鉆的通孔的剩余部分也可以進(jìn)一步減少通孔引起的信號(hào)失真。

背鉆孔有什么樣優(yōu)點(diǎn)和作用？

?????影響信號(hào)系統(tǒng)信號(hào)完整性的主要因素除設(shè)計(jì)、材料、傳輸線、連接器、芯片封裝等因素外，導(dǎo)通孔對(duì)信號(hào)完整性有較大影響。而背鉆通過鉆掉沒有起到任何連接或者傳輸作用的通孔段，避免了多余Stub對(duì)信號(hào)完整性的影響。除此之外，背鉆技術(shù)還有如下諸多優(yōu)點(diǎn)。

減小雜訊干擾；

提高信號(hào)完整性；

局部板厚變??；

減少埋盲孔的使用，降低PCB制作難度。?

背鉆制作工藝流程

根據(jù)提供PCB，對(duì)PCB進(jìn)行一鉆定位并進(jìn)行一鉆鉆孔；背鉆的一鉆孔偏會(huì)加大背鉆孔與一鉆孔對(duì)準(zhǔn)度差異，對(duì)背鉆精度造成較大影響，此處必須嚴(yán)格控制一鉆孔位精度。

對(duì)一鉆鉆孔后的PCB進(jìn)行電鍍。此處孔銅不夠的話，會(huì)嚴(yán)重影響要求。需采用低電流，長時(shí)間，一次性鍍夠。電鍍后切片監(jiān)控銅厚。電鍍參數(shù)：15ASF×（48min+48min）。

采用鉆刀對(duì)需要進(jìn)行背鉆的電鍍孔進(jìn)行背鉆，二鉆鉆孔。 背鉆是利用鉆機(jī)的深度控制功能實(shí)現(xiàn)盲孔的加工，以去除部分孔銅。其公差主要受到背鉆設(shè)備精度和介質(zhì)厚度公差的影響。

對(duì)整孔進(jìn)行數(shù)值塞孔。背鉆孔有一頭大、一頭小且有拐角的特點(diǎn)，理論上更容易產(chǎn)生氣泡空洞，需要進(jìn)行有效塞孔。

對(duì)塞孔處理后的板面進(jìn)行處理。消除殘留。由于銅面和樹脂硬度有很大差異，需要保證磨板后板面平整。

背鉆孔板技術(shù)特征有哪些？

??????背鉆技術(shù)使用的情況比較特殊。要求也很復(fù)雜。通常應(yīng)用與信號(hào)通信設(shè)備，大型伺服器，醫(yī)療電子，軍事，航空航天等重要領(lǐng)域。這里領(lǐng)域有專業(yè)和深厚的技術(shù)儲(chǔ)備和研發(fā)力量，需要進(jìn)行高端技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)。通常來說，背鉆孔板有如下技術(shù)特征。

多數(shù)背板是硬板

層數(shù)一般為8至50層

板厚：2.5mm以上

厚徑比較大

板尺寸較大

外層線路較少，多為壓接孔方陣設(shè)計(jì)

背鉆孔板設(shè)計(jì)需要遵循的規(guī)則

一般首鉆最小孔徑>=0.3mm ?

??????一次鉆的鉆孔孔徑推薦要求不低于0.3mm。如下圖所示，首鉆鉆孔孔徑用A表示。

背鉆孔通常比需要鉆掉的孔大0.4mm

???????背鉆鉆孔孔徑一般推薦比一次鉆孔徑大0.25mm~0.4mm。保險(xiǎn)起見推薦大0.4mm。如下圖所示，背鉆孔徑用B表示。

背鉆深度控制冗余0.2mm

??????背鉆是利用鉆機(jī)的深度控制功能實(shí)現(xiàn)的。由于背鉆的鉆刀是尖狀的，鉆到相應(yīng)的層時(shí)由于鉆刀的傾斜角總會(huì)保留有一小段余量。該背鉆深度控制建議至少保留8mil即0.2mm。而且，在層疊設(shè)置的時(shí)候需要考慮介質(zhì)厚度，避免出現(xiàn)走線被鉆斷的情況。如下圖所示，背鉆深度冗余用S表示。

如果背鉆要求鉆到M層，那么與M層相鄰未被鉆掉的層之間介質(zhì)厚度最小0.3mm

背鉆與走線間距

??????背鉆孔的stub鉆掉層走線與背鉆的距離推薦不小于10mil（0.25mm）。如下圖所示，虛線框圓圈距離背鉆孔外沿的距離為10mil，在虛線框外都是安全的走線區(qū)域。

Altium Designer中如何設(shè)置背鉆參數(shù)？

??????前面介紹了背鉆技術(shù)以及背鉆設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)。那么在Altium designer中該如何進(jìn)行背鉆設(shè)計(jì)中各參數(shù)的設(shè)置呢？下面用一具體案例來展示Altium Designer中進(jìn)行背鉆設(shè)計(jì)的方法。

步驟1：設(shè)置鉆孔層對(duì)

??????首先打孔走線。比如一個(gè)8層板，從頂層Toplayer打孔，然后切換到Midlayer1上來走線。剩下的Midlayer2 到底層bottomlayer需要背鉆Backdrilling。此處第一步就是在Design- Layer Stack Manager - Drill Pair 中設(shè)置。如下圖所示，起始層Midlayer2，終止層Bottomlayer。切記要勾選Back drill pair選項(xiàng)框表示它是做背鉆用的。

步驟2：確保信號(hào)層Midlayer1與背鉆起始層Midlayer2之間層間距不小于0.3mm。

此處在層厚Thickness欄目，經(jīng)檢查滿足要求。

步驟3：確定背鉆孔需要鉆掉的鍍銅柱長度。

???????通過Layer Stack Manager中從Midlayer2到Bottomlayer之間的層厚加起來大概1mm左右。由于考慮到背鉆深度控制冗余8mil（0.2mm），在層棧管理器頁面Midlayer1與Midlayer2之間的層厚正好0.254mm介質(zhì)厚度。因此可以設(shè)置需要鉆掉的鍍銅柱為1mm左右。當(dāng)然這個(gè)數(shù)值需要根據(jù)工程師具體設(shè)計(jì)中根據(jù)要求可適當(dāng)增減。

步驟4：設(shè)置背鉆大小，深度以及網(wǎng)絡(luò)。

??????如下圖所示，在設(shè)置Max Stub Length及需要鉆掉的鍍銅柱深度為1,mm。設(shè)置背鉆孔大小為比原通孔大小半徑大0.2mm。使得背鉆孔與原通孔孔徑大0.4mm。再設(shè)置需要背鉆的過孔網(wǎng)絡(luò)即可完成背鉆相關(guān)的規(guī)則設(shè)置。

最終的效果在Altium Designer中3D顯示如下圖。