电路板设计与制造中的反向钻孔

什么是多氯联苯中的反钻孔？

反向钻孔，又称受控深度钻孔或反向钻孔，用于印刷电路板（PCB）制造。

Backdrill 是一种用于 PCB 设计的技术，可更快地传输高保真信号。它常用于半导体行业。这将最大限度地减少信号桩。

存根是阻抗不连续和信号反射的来源，随着数据传输速率的提高，这一点变得更加重要。这是高速信号设计中的首选方法。

通过从非连接层中去除多余的铜，反向钻孔有助于消除可能降低高频信号性能的信号反射和阻抗不连续性。

这在高速数据传输、电信和射频电路等应用中尤为重要。它有助于保持信号完整性，减少电磁干扰，确保电子设备的平稳运行。

什么样的印刷电路板采用背面钻孔设计？

首先是高速互连链路的要素：

  1. 发射器芯片（封装和 PCB 通孔）
  2. 子卡 PCB 路由
  3. 子卡连接器
  4. 背板 PCB 布线
  5. 对面子卡连接器
  6. 对面子卡的 PCB 布线
  7. 交流耦合电容器
  8. 接收器芯片（封装和 PCB 通孔）

下图显示了一个典型的高速信号互连链路：

高速信号互连链路相对复杂。通常，不同组件的连接点会存在阻抗失配问题，从而导致信号发射。

高速互连链路中的典型阻抗不连续性

  • 芯片封装：芯片封装基板中的 PCB 电路宽度比普通 PCB 板要薄得多，阻抗不易控制。
  • PCB 通孔：PCB 导通孔通常具有电容效应，其特性阻抗较低。我们应注意并优化 PCB 设计。
  • 连接器：连接器中铜互连链路的设计受到机械可靠性和电气性能的影响。我们需要考虑这两方面的平衡。

PCB 通孔通常设计为通孔（从表面顶层到底层）。如果与通孔相连的 PCB 线路更靠近顶层，通孔处就会出现 "存根 "分叉。这会导致信号反射，影响信号质量。这种效应对高速信号的影响更大。

因此，有必要找到一种方法，通过孔去除 PCB 的残端。背面钻孔就是这样一种 PCB 加工技术。

通过背面钻孔的优势

  • 减少噪音干扰
  • 提高信号完整性
  • 减少预埋盲孔的使用，降低印刷电路板的制造难度

背部钻孔的作用是什么？

背钻的目的是钻过一个没有任何连接或传输的孔，以避免高速信号传输的反射、散射和延迟。

研究表明，影响信号系统信号完整性的主要因素除设计、电路板材料、传输线、连接器、芯片封装等因素外，通孔对信号完整性的影响很大。

反钻生产工作原理

钻头钻孔时，钻尖会接触到基板的铜箔，产生微电流以感知基板表面的高度，然后根据设定的钻孔深度向下钻孔。达到钻孔深度后，钻头停止。

电路板背面钻孔工艺介绍

回钻技术采用深度可控的钻孔方法，通过二次钻孔将连接器通孔或信号通孔的桩孔壁钻出。

如下图所示，通孔形成后，从 "背面 "通过二次钻孔去除 PCB 通孔的多余残端。工艺公差等级确保在 "不破坏印刷电路板孔与布线之间的连接 "的基础上，"剩余残端长度尽可能小"，即所谓的 "深控钻孔"。

上图是通孔 Back Drill 的截面示意图。左图是正常的信号通孔。右图是反钻后的通孔示意图，即从底层钻到信号层，也就是跟踪所在的位置。

反向钻孔技术可消除孔壁桩引起的寄生电容效应。确保通道链路中通过孔的阻抗与迹线一致，减少信号反射，提高信号质量。

背钻是目前提高信道传输性能最经济有效的技术。使用背钻技术会在一定程度上增加印刷电路板的制造成本。

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背面钻孔有两种类型：单面背面钻孔和双面背面钻孔。

单面钻孔可分为从顶部背面钻孔和从底部背面钻孔。连接器插针的 PIN 孔只能从与连接器所在侧相对的一侧反向钻孔。

如下图所示，当高速信号连接器同时布置在印刷电路板的顶部和底部时，需要进行双面背面钻孔。

在回钻深度控制精度方面，目前可达到 ±6mil。为了提高可靠性，最好在设计中保留一定的冗余度，建议满足以下设计要求。

回钻设计规则

压入式连接器 PCB 孔的 "剩余孔壁长度"。

设计要求：L≥L1+12mil.

根据上述关系，可以得出不同连接器通孔的最小剩余孔壁要求，详见表 1。

需要注意的是，由于 2 毫米连接器压片长度 L1 的公差稍大，因此在确定长度 L 时要稍加放宽。

反钻深度控制

建议至少保留 8mil 存根以控制回钻深度。在设计层堆叠时，我们需要考虑预浸料的厚度，以避免钻孔断线。

建议将回钻深度控制在两层之间，两层之间的厚度要求≥ 12mil。

例如

背部钻孔 A：

当相邻两层（如 L12 和 L13、L13 和 L14）不符合 ≥12mil 的要求时，以及当 L12 和 L14 之间的距离≥12mil 时，推荐的回钻深度在 L12 和 L14 之间。

背钻 B 和背钻 C：

当 L9 和 L10 ≥12mil 时，建议将回钻深度控制在 L9 和 L10 之间。

PCB 线对背钻通孔间距

印刷电路板迹线到背面钻孔边缘的距离≥10mil。

反向钻孔的孔径

回钻直径 (D) = 钻孔直径 (d) + 10mil

回钻直径 (D) = 钻孔直径 (d) + 10mil

T：PCB 板厚度

d1:成品孔直径

d:钻头直径

D： 背钻直径

D1:轨迹与反钻之间的距离

H：回钻后孔的剩余长度

H1：背部钻孔深度

H2、H3：信号轨迹的存根长度

钻孔直径： d=d1+5mil
背钻直径：D≥d+8mil
或反钻直径：D≥d1+13mil

建议背面钻孔与内层图形的距离≥0.25 毫米，与外层图形的距离≥0.3 毫米。

背钻孔与背钻孔之间的距离≥0.25 毫米。

返回 d钻孔 p广告 d设计 r要求

通过衬垫回钻后无铜环残留

为了便于推荐，我们根据以下要求设计了背钻垫：

背面钻孔表面的衬垫 ≤ 背面钻孔直径

建议将内垫设计为无垫工艺。

背钻 PCB 表面处理工艺

背钻 PCB 的表面处理工艺要求采用 OSP 或化学浸锡/金工艺，禁用 HASL。

印刷电路板内层的非功能焊盘设计为无焊盘。

在 Smartdrill 图层上添加文字：

不得移除内部信号层上的任何功能焊盘。

提示：背钻孔的背钻表面不能同时用于 ICT 测试。

通过 PCB 进行背面钻孔有什么特点？

  • 大部分背部钻孔都是刚性 PCB
  • 层数一般为 8 至 50 层
  • 厚度：2.5 毫米或以上
  • 大 PCB 高宽比
  • 木板尺寸大
  • 外层的痕迹较少，主要用于压装孔方阵设计
  • 背钻通孔通常比需要钻孔的通孔大 0.2 毫米
  • 背钻深度公差：+/- 0.05 毫米
  • 最小绝缘厚度为 0.17 毫米

在 PCB 制造 背钻是第 2 次钻孔操作，从某一侧到某一深度去除通孔中未使用的电镀层。

反向钻孔的主要加工点：

使用新钻具，以减少切屑负荷。

检查背钻深度的加工能力。

控制钻孔精度。

有多少高速信号需要在 PCB 设计中应用 Back drilling 技术？

共识：速率 ≥5Gbps 的信号需要考虑增加 Backdrill 设计。

当然，高速互连链路的设计是一项系统工程。如果芯片驱动能力足够强，或者系统互连链路不长，信号质量可能不需要回钻设计就能通过。因此，最可靠的方法是通过系统互连链路仿真来确定是否需要回钻。