以上骨干网用高速PCB孔损耗技术研究韩雪川

1、S-081100G以上骨干网用高速PCB孔损耗技术研究The research of loss for hole with high speed PCB above 100G韩雪川/Han xuechuan（深南电路股份有限公司，广东省深圳市，邮编518053）电话E-mail:hanxc第一作者简介韩雪川，2006年本科毕业后加入深南电路，先后负责机加段现场工艺、PA产品经理、HDI产品经理及高速产品经理，并多次获得集团先进个人称号。2013年升任技术专家，开始负责高速及HDI产品，并组建高速产品团队，并主导大尺寸单板、深微孔、哑铃孔产品及任意层互连HDI产品等多项

2、产品技术的开发。摘要：在发送端，100G信号被分为10路或4路高速信号，加上OTN和FEC开销，每路信号为10G+bit/s或更高的25G+bit/s，体现在印制电路板上则为单对差分阻抗线实现10G+bit/s、25G+bit/s的传输速率。本文主要从减少孔损耗的角度分析了实现了单PCB走线速率100Gbit/s，突破了背钻技术、跳孔技术，有效保证了100G以上骨干网高速印制电路板的技术实现。Abstract：This article from the perspective of reducing the loss of the hole to achieve a single PCB tr

3、aces rate 100Gbit / s, breaking the back-drilling technology, jump-hole technology, effectively ensuring the 100G high-speed backbone network over the printed circuit board technology.关键词：100G，高速，损耗，背钻，跳孔Key words：100G，High speed，loss，back drill，skip via一、前言随着大数据、云计算、光纤宽带的应用和普及，对骨干网传输损率的要求越来越高，原有的40

4、G方案在性能和成本上已经无法满足实际的需求，100G传输系统逐步被大家认可和接受，而此系统对PCB传输信号速率的要求也从1G、3G提升到10G+、25G+。当信号沿着PCB线路以超过1Gbps的速率传输时，此时的信号通路应视为有损传输线模型，其中电磁能量一般以五种形式损失：辐射损耗、耦合到邻近的线条上、阻抗不匹配、导线损耗和介质损耗5。阻抗不匹配、导线损耗和介质损耗是传输线上信号衰减的主要贡献者，为在完整的背板链路中实现10Gbps+甚至于25Gbps+的长距离传输（通道总长度通常从20inch到40inch不等），PCB板厂必须严格控制阻抗并确保无源通道的信号完整性，以减少趋肤效应损耗、介质

5、损耗、串扰和反射。这就要求PCB厂更多地关注线路形状、布线方式、通孔结构、焊盘形状、介质材料的选择以及铜箔粗糙度等对信号传输的影响，诸如更先进的布线方式、更多埋盲孔、更低损耗的无卤基材、更低轮廓的铜箔、先进半导体封装方式、标准化的SERDES以及更多均衡、预加重等措施1。关于布线方式、产品图形设计、阻抗匹配及PCB相关的各种加工精度，如线宽、介厚、层偏等，部分是客户设计相关的，部分是PCB加工一直研究和管控的，本文主要从孔的损耗上进行研究,也就是从减少孔STUB方面进行研究和阐述。二、背钻技术传统多层板各层间一律采PTH做为互连工具。例如某8层板之某通孔仅执行L1与L4的互连时，所多出的孔壁称

6、为Stub（如图2.1所示）。Stub越长寄生电容愈大而插入损耗S21也愈严重。图2.1发信端之电流(i)经由L1与信号孔一段孔壁，到达L4并互连到Port 2。于是其回归电流(-i)要先向右跑到接地孔(Gnd Via)才再回到Port 2，此种多余的废路即会产生噪声。图2.1 STUB示意图然而由于STUB本身的电感，以及信号孔与接地孔两者之电容，另加上下两孔环间的电容，均将严重影响到信号完整性。STUB若经扩孔背钻掉而消除其共振后，则其插入损耗将可大幅降低，如图2.2。图2.2 插损与STUB关系示意图以一款14层板的为例进行仿真，走线方式为1、3层换层走线，设计不同的背钻深度，得到对应插

7、损表现如图2.3图2.3 插损与STUB关系仿真图由图示看出仿真得出的不同的背钻深度即STUB长度，会产生不同频率的谐振点，谐振频率越高，代表此系统可传输的信号速率越高；通过表2.1可知，实现10GHz的速率传输至少需要STUB长度控制在12mil以内。表2.1 谐振频率与STUB长度的对应关系表背钻深度（um）300500700900110013001500STUB(mil)16141210864谐振频率7.5913152025/目前背钻的设计由原来的通孔孔径0.5mm以上逐步缩小到0.2mm，随之背钻难度也大幅度提升，主要体现在孔径变小、背钻时排屑困难导致堵孔，随着高速高频材料的越来越广泛

8、化使用，小孔背钻成为不可或缺的加工工艺，所以此问题也需要得到快速有效的解决。2.1 实验方案设计实验方案如下1.试验板件选择为小孔背钻板件；加工机台选为Schmoll机；2.板件加工参数选为BDR参数（背钻专用加工参数）；3.板件加工时注意断钻、缠丝问题，加工完毕后保留钻头，观察钻头磨损及崩缺情况；4.采用三种钻头进行验证且对孔位精度进行验证；5.板件加工完毕后，做好标识，按照正常流程向后转工；6.板件在蚀刻后按照标识的指定位置取切片观察孔壁质量；7.板件加工方案如表2.2：表2.2 加工方案代号钻头直径钻头型号控深深度加工参数进刀速（m/min）退刀速（m/min）转速（krpm）寿命（hi

9、ts）10.45mmA0.65mm2.0209610002A2.65mm1.520968003B0.65mm2.0209610004B2.65mm1.520968005C0.65mm2.0209610006C2.65mm1.520968002.2 实验现象与结果加工完成后观察钻头磨损、断钻及缠丝情况，并统计背钻堵孔比例、测量背钻孔位精度。表2.3 钻头磨损、断钻及缠丝结果代号钻头缠丝钻头磨损断钻率判定结果1轻微10-15%0OK2严重20-30%0NG3严重15-25%0NG4严重15-25%0NG5无10-15%0OK6轻微10-15%0OK表2.4 背钻堵孔比例代号加工总孔数堵孔数（蚀刻后

10、）不良率130000.00%2300134.33%330000.00%430000.00%530000.00%630031.00%表2.5 背钻孔位精度代号通孔孔径背钻孔径控深值背钻孔偏值10.25mm0.45mm0.65mm8um20.25mm0.45mm2.65mm20um30.25mm0.45mm1.65mm19um40.25mm0.45mm0.65mm8um50.25mm0.45mm0.65mm6um60.25mm0.45mm2.65mm21um2.3 试验分析1.钻头结构：A：目前我司常备钻头，钻尖角130°，螺旋角为40°，芯厚为0.12，为UC型号钻头，排屑性

11、能及刚性较好；B：此钻头为UC改良型钻头，为加大排屑性特意减薄芯厚至0.03-0.05左右，排屑性能优秀，相对应刚性较差；C：此钻头为UC改良型钻头，为改良排屑性能而减少芯厚至0.08-0.09左右，相应的刚性为之降低；图2.4 钻头芯厚示意图2.钻头磨损量及断钻、缠丝因此类钻头为背钻所用，所需切削的介质为锡、树脂、电镀铜，其中钻头最主要的磨损为切削电镀铜导致；对比以上三种钻头，芯厚越薄的钻头磨损量相对大，但加大了排屑槽空间的钻头缠丝会大幅减少。3.孔位精度及对位情况从数据上分析，三种钻头在孔位精度上均可为满足我司要求，且从对位数据上分析，B型号钻头在对位上相对差一些，但也可满足40um以内，

12、根据目前我司背钻孔径大于通孔150um，单边间距为75um，可以保证背钻孔无残铜现象。2.4 小结汇总试验结果如表2.6表2.6 背钻试验结果序号钻头直径供应商钻头型号断钻率背钻堵孔率孔位精度背钻偏位判定结果10.45mmAAOKNGOKOKNG20.45mmBBOKNGOKOKNG30.45mmCCOKOKOKOKOK通过对以上三种钻头进行对比测试，只有钻头C可以满足小孔背钻要求，目前已经实现批量稳定生产三、跳孔技术3.1 工艺介绍跳孔设计即是了L1-3的盲孔，盲孔孔径设计8mil-14mil，实现L1-L3跨阶互联, 加工原理在普通盲孔工艺流程基础上增加跨阶激光钻孔、大盲孔电镀、大盲孔塞孔

13、、盲孔POFV等工艺实现，此工艺替代两阶叠孔HDI并较少一次压合子板流程，可以极大减少一次压合流程成本实现L1-L3层跨阶互联；真空塞孔替代盲孔填平工艺降低电镀成本。此工艺既提高了局部的布线密度，增加的单板的信号容量，也在设计上进一步降低了成本，且此设计也可以看做是“0”STUB的设计，对高速率信号的传输实现了最低的损耗。从加工工艺可分为含POFV工艺跳孔和不含POFV工艺跳孔两种工艺，含POFV工艺跳孔技术需要解决了（8mil14mil）大盲孔激光钻孔、真空塞孔+POFV、通盲孔电镀兼容、层间对位，等工艺难点；不含POFV工艺的跳孔技术需要解决了（8mil14mil）大盲孔激光钻孔、通盲孔电镀兼容、层间对位，等工艺难点，但是此工艺表面凹陷较大；含POFV工艺跳孔技术，解决了（8mil14mil）大盲孔激光钻孔、真空塞孔+POFV、电镀兼容等方面。其优点主要有以下几点：此方案的优势是减少一次压合流程成本实现L1-L3层跨阶互联；真空塞孔替代盲孔填平工艺降低电镀成本。图3.1 跳孔结构示意图图3.2 跳孔切片图3.2 工艺流程 跳孔工艺流程图如图3.3图3.3 跳孔工艺流程图3.3跳孔缺陷分析跳孔底部孔残胶激光钻能力偏小盲孔底部残胶烧掉优化激光钻参数跳孔偏盘跳孔开窗偏导致底部偏盘改善跳孔开窗对位图3.4 跳孔工艺底部残胶、偏盘缺陷图3.4塞孔缺陷分析跳孔工艺塞孔使用普通丝印方式存在