CN1852633A - 一种可实现高速信号传输的印制电路板及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高速信号传输的印制电路板及制作方法，构成印制电路板的两个外层是能传输高速信号的板材层，内层板是普通板材层。制作方法如下：对内层芯板进行黑化/棕化处理；加入半固化片与外层铜箔进行叠合与压合，形成多层半成品板；对多层板进行钻孔，镀通孔、在各内层芯板上通过底片成像与蚀刻，作出所需的导通线路；得到外层线路，制得多层混合板印刷电路板；对高速信号过孔采用背钻工艺钻孔，以去掉过孔端部的无连接无属性的STUB。印刷电路板用特殊板材与普通板材混压及常规通孔工艺制作，使用背钻工艺可去掉过孔端部的无连接无属性的STUB；可实现低成本、高可靠性的高速信号传输，PCB制作的良品率及高速信号的传输质量均可得到保证。

Description

一种可实现高速信号传输的印制电路板及制作方法

技术领域

本发明涉及电路板制作技术，具体涉及一种实现传输高速信号印制电路板，本发明还涉及该电路板的制作方法。

背景技术

目前高速PCB(印制电路板)的设计在通信、计算机、图形图像处理等领域应用广泛。所有高科技附加值的电子产品在设计都在追求低功耗、低电磁辐射、高可靠性、小型化、轻型化等特点，为了达到以上目标，在高速PCB设计中，板材及高速信号设计成为关键因素。

一般来说，在设计上为了达到高速信号要求，在设计理念上，尽量减少器件间互连长度；在网络拓扑结构方面，要求改善网络拓扑结构，减小Stub长度；在EMI、EMC方面，单板有较高EMI、EMC要求，信号要求优先布在内层；在阻抗方面，减少过孔、焊盘对阻抗的影响，要求采用小孔小图形布线。

衡量PCB信号传输质量的标准主要有2个：信号的传输速度和信号的传输质量。

高速信号的传输，类似于电磁波的传输，其传输速度遵守电磁波的理论，如下公式所示：Vp＝C/e1/2

(其中：Vp——信号传输速度，C——光速，e——介电常数)

由此我们可以计算出在1GHz的条件时，信号在三种材料中的传输速度如表一所示：

表一：信号在3种PCB材料中的传输速度

PCB材料(板材)	FR-4	HitachiE-65(K)	Getek ML-200D	PolycladLD-621
					介电常数(1GHz)	4.2	3.6	3.7	3.2
信号传输速度	0.1464m/ns	0.1581m/ns	0.1560m/ns	0.1677m/ns
					与FR-4比较	1	1.08	1.07	1.145

由表一和公式可见，材料的介电常数愈低，相应地信号传输速度愈快。

衡量信号传输的另一个指标是信号的质量，对传输质量的主要影响因素有3个：信号能量在传输过程中的损失、信号形成的杂波相互干扰、信号传输表面缺陷过多造成较大杂波干扰。

缩短信号传输线的长度、减少介质的介电损耗角正切值，均可以有效地减少信号能量在传输过程中的损失；减少介质层的厚度，让信号传输线更接近地电层，这样在高速高频信号通过传输线时，所发出的杂波就会被地电层吸愈多，对其他传输线上的信号干扰相对就减少许多；减少线条边的不良程度，得到的杂波干扰就会愈少。

因此从可控的角度出发，实现PCB高速信号尽量选择Df小的材料，同时减小介质厚度，降低线条的铜层厚度，减轻蚀刻时的侧蚀状况，是最有效的方法。

另外过孔对高速信号传输的产生影响。

过孔是多层PCB设计中的一个重要因素，过孔主要由三部分组成，一是孔；二是孔周围的焊盘区；三是POWER层隔离区，过孔的工艺过程是在过孔的孔壁圆柱面上用化学沉积的方法镀上一层金属，用以连通中间各层需要连通的铜箔，而过孔的上下两面做成普通的焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，也可不连。过孔可以起到电气连接，固定或定位器件的作用。过孔结构示意图如图1所示：

过孔一般又分为三类：盲孔、埋孔和通孔。

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通孔。过孔的分类如下图2所示。

过孔本身存在着对地的寄生电容，若过孔在铺地层上的隔离孔直径为D₂，过孔焊盘的直径为D₁，PCB的厚度为T，板基材介电常数为ε，则过孔的寄生电容大小近似于：C＝1.41εTD₁/(D₂-D₁)

过孔的寄生电容会给电路造成的主要影响是延长了信号的上升时间，降低了电路的速度，容值越小则影响越小。信号线上的过孔影响信号传输速度，增大了信号传输延迟。

过孔本身就存在寄生电感，在高速数字电路的设计中，过孔的寄生电感带来的危害往往大于寄生电容的影响。过孔的寄生串联电感会削弱旁路电容的作用，减弱整个电源系统的滤波效用，引起转换噪声，噪声是由电流的瞬态变化和电源、地分布的有限阻抗最终导致的。随着器件中电源或地的电流的变化，当芯片逻辑开关或一个I/O驱动器开关时，使得互连的电感上有一个压降通过。这个压降降低了芯片的电源电压，使得它们的门延缓慢下来，从而降低了可工作的最高频率，电源和地的分布电感是取得高时钟频率的必要组成部分。

若L指过孔的电感，h是过孔的长度，d是中心钻孔的直径，过孔的寄生电感近似于：L＝5.08h[ln(4h/d)+1]

从式中可以看出，过孔的直径对电感的影响较小，而对电感影响最大的是过孔的长度。

现有使用印制板HDI工艺技术。HDI：High Density Interconnect，高密度互连，也称BUM(Build-up Multilayer或Build-up PCB)，即积层法多层板。积层互联通常采用微孔技术。下图3是HDI印制板结构示意图。

芯层，HDI印制板中用来做内芯的普通层。

积层，叠积于芯层表面的高密互联层，通常采用微孔技术。

微孔底部对应Capture Pad：微孔顶部对应Pad。

埋孔，没有延伸到PCB表面的导通孔。

HDI关键技术是微孔的成孔，常用的成孔方式主要有三种：等离子成孔、感光成孔、激光成孔。

其中激光成孔是目前HDI印制版工业中采用最多的成孔技术，它是利用材料对激光能量的吸收性能，将介质材料汽化、炭化，或者打破有机材料的分子长链；然后清洗、金属化的过程。

目前国内激光成孔技术采用的激光源一般有两种：UV-YAG激光和CO₂激光，其中UV-YAG激光光谱范围在紫外光部分，而CO₂激光光谱则落在红外部分。两者的成孔外在表现区别在于前者可以打穿铜箔，而后者则不能打穿铜箔。

激光成孔相对于传统通孔印制板加工，加工流程复杂。以1+4+1的激光成孔6层HDI板为例。加工流程如下图4示：需要经过裁板、蚀刻L3+L4层线路，其次冲定位孔、AOI检查，再次加铜泊、PP、并于其上进行压板，在进行钻孔、蚀刻L2、L5层线路，并将孔金属化、塞孔等，再叠加RCC、钻CONFORMAL孔、与机械定位孔，然后CONFORMAL、钻镭射孔、钻通孔，最后进行镀孔、蚀刻外层线路，完成后制程，同多层板作业。

微孔成孔工艺控制复杂，良品率较低：因为微孔钻孔较小，则PCB板厚与成孔径比不能过大，一方面介质太厚，则孔壁质量形成不好，残胶量较大；另一方面由于表面张力原因，药水流动困难，孔金属化困难。

另外对大量埋孔塞孔工艺难以控制，塞孔质量不好出现塞孔凸起或内缩。这类埋孔在环境实验后极有可能出现断裂或者使线路断开。对常用的激光成孔工艺，其激光源一般有两种：CO₂激光和UV激光。CO₂激光波长10.6和9.4um(9.4um能量更高)，属于红外线区域。其特点是：可以打穿介质，不能打穿铜箔，在成孔前，必须先在铜箔开窗；成孔的机理是烧蚀，因而在孔壁和孔底形成“焦化”和残留物，金属化前必须做好去焦渣处理。随孔深增加，烧蚀的能量需加强，易引起更多焦渣，并易引起底部铜箔与介质分层，因此不适合做小孔深孔(一般孔径≥80um)；对玻璃纤维布比较难烧蚀。

UV激光采用固态光源(如Nd:YAG)，波长0.355um或0.266um，属于紫外线区域。其特点是：可以加工铜、介质和玻璃布，因此不需在铜箔先开窗，对1080等加工能力较好；成孔机理是破坏物质的结构键成孔，因而孔壁和孔底光洁，活性高，可直接金属化；对比CO₂激光，可加工孔径更小(一般≤100um)，深度更深；但孔径≥100um时，加工效率低，成本高，因此目前最常用的依然是CO₂激光。

加工成本比较高昂：HDI PCB成本所受影响因数和普通刚性PCB一致外(如PCB层数、尺寸、板材利用率等)，还受积层层数、埋孔结构、微孔结构等因素影响。如对于一个8层HDI板来讲，其不同的结构成本差异如下(此数据仅供参考)：

(1)1+6+1(有2～7的机械埋孔)：成本基数1

(2)2+4+2(错开孔，有3～6的机械埋孔)：1.5

(3)2+4+2(错开孔，有3～6、2～7的机械埋孔)：1.7

(4)2+4+2(微叠孔，有3～6的机械埋孔)：1.9

(5)2+4+2(微叠孔，有3～6、2～7的机械埋孔)：2.1

另外使用HDI工艺的装配成品板信号测试覆盖率也相对较低，如对细间距面阵列器件区域内的测试点无法采用通孔测试点。

基于以上缺陷，从业界统计来看，目前HDI印制板主要应用于手机板和封装基板，在大尺寸的系统级高可靠复杂印制板中应用较少。

发明内容

本发明的一个目的在于，针对现有复合印制电路板的不足，提供一种可实现高速信号传输的印制电路板，降低成本；本发明的另一个目的在于，还提供一种制作上述电路板的的方法。

本发明提供的技术方案如下：提供一种可实现高速信号传输的印制电路板，由多层板复合构成，构成所述印制电路板的两个外层是能传输高速信号的板材层，内层是普通板材层。

一种制作上述可实现高速信号传输的印制电路板的方法，采用层压的方式在普通板材层外侧形成能传输高速信号的板材层，然后钻通孔，金属化，最后形成多层的印制电路板。

具体步骤包括如下：

1)、对所述普通板材层进行黑化或棕化处理；

2)、加入半固化片与外层铜箔与内层普通板材层进行叠合与压合，形成能传输高速信号的外层板材层；

3)、对上述2)步骤形成的多层板，进行钻孔，镀通孔、在各内

层板上通过底片成像与蚀刻，作出所需的导通线路及外层线路，进而制得印刷电路板。

本发明具有如下优点：将多层结构的印刷电路板采用特殊板材与普通板材混压后制得复合印刷电路板，既可以实现高速信号传输，又可以降低电路板的成本，板材混压技术不但可以降低成本，而且可以解决高速特殊板材的局限性，如部分材料厚度规格少、后续PCBA组装难度高等问题；

在制作这种结构的电路板时，可对高速信号过孔使用背钻工艺，以去掉过孔端部的无连接无属性的STUB；实现低成本、高可靠性的高速信号印制电路板设计方案，传统多层板的制作工艺，由于只需一次层压、一次钻孔，因此工序比较简单，PCB制作良品率及高速信号的传输质量均可得到保证。

附图说明

图1是多层电路板中过孔示意图；

图2是图1所示各种过孔结构示意图；

图3是本发明方法中多层电路板的结构示意图；

图4是本发明方法中多层电路板制作流程图；

图5是图4所示制作流程图中背钻工艺示意图；

图6是采用背钻完成的微孔短导通孔长度使得接地电感降低，有效地改善了开关噪声的对比示意图。

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6，一般PCB上高速信号的传输线只是局部的，PCB的部分层可以不使用高档材料，而使用价格相对较低，并且传输信号的性能较普通的普通材料板材如FR4构成电路板的多个内层，综合信号质量要求、仿真结果及成本、厂商工艺成熟度各方面因素，可采用板材混压技术，混压结构相比于通常结构，在成本、性能、可获得性等方面具有更多的灵活性和适应性，如图3所示，为实现高速信号的特殊板材ROGERS4350与普通板材FR4的八层板混压结构：两个外层采用是能传输高速信号的ROGERS4350特殊板材，6个内层板采用FR4普通板材；可大大降低电路板的材料成本。

使用传统多层板制作方法完成PCB板的加工，传统多层板的制作方法是层压内层来形成多层板，然后钻通孔，金属化并制作外层线路。其流程可以概要为以下几步：

在各内层芯板上通过底片成像与蚀刻，作出所需的导通线路如焊盘(Pad)；

对内层芯板进行黑化/棕化处理(Black/Brown Oxide Treament)，完成各内层板；

加入半固化片与外层铜箔进行叠合与压合，形成多层半成品板；

再进行钻孔，镀通孔(PTH)、底片成像(Image Transfer，正片法或负片法)以及蚀刻得到外层线路并完成多层板之成品。详细步骤如图4所示；

对部分高速信号过孔使用背钻(Back Drill)工艺

采用背钻方式钻孔(Back Drill)是将过孔端部的无连接属性的STUB钻掉；由于信号线上的过孔总体表现为容性，使得阻抗降低。背钻(Back Drill)完成的微孔对阻抗的影响较通孔要小。

参照图6，背钻(Back Drill)完成的微孔短导通孔长度使得接地电感降低，可有效地改善开关噪声。

除上述方法外，还可以通过下列方法来实现高速信号传输：

改变过孔背钻深度来实现高速信号传输；

通过改变过孔背钻剩余孔壁的长度也可以实现高速信号传输；

通过改变过孔背钻孔径也可以实现高速信号传输；

通过改变距离背钻孔径最近的走线层距离也可以实现高速信号传输。

Claims (9)

1、一种可实现高速信号传输的印制电路板，由多层板复合构成，其特征在于：构成所述印制电路板的两个外层是能传输高速信号的板材层，内层板是普通板材层。

2、根据权利要求1所述可实现高速信号传输的印制电路板，其特征在于，所述印刷电路板共有8层，所述内层板有6层。

3、根据权利要求1或2所述可实现高速信号传输的印制电路板，其特征在于，所述印刷电路板的外层是采用能传输高速信号的ROGERS4350板材。

4、根据权利要求1或2所述可实现高速信号传输的印制电路板，其特征在于，所述印刷电路板的所述内层板采用的是FR4普通板材。

5、一种制作权利要求1所述的可实现高速信号传输的印制电路板的方法，其特征在于：采用层压的方式在普通板材层外侧形成能传输高速信号的板材层，然后钻通孔，金属化，最后形成多层的印制电路板。

6、根据权利要求5所述印制电路板的制作方法，其特征在于：具体步骤包括如下：

1)、对所述普通板材层进行黑化或棕化处理；

2)、加入半固化片与外层铜箔与内层普通板材层进行叠合与压合，形成能传输高速信号的外层板材层；

3)、对上述2)步骤形成的多层板，进行钻孔，镀通孔、在各内层板上通过底片成像与蚀刻，作出所需的导通线路及外层线路，进而制得印刷电路板。

7、根据权利要求5或6所述印制电路板的制作方法，其特征在于：所属普通板材层采用的是FR4板材。

8、根据权利要求5或6所述印制电路板的制作方法，其特征在于：所述能传输高速信号的板材层采用的是ROGERS4350板材。

9、根据权利要求5或6所述印制电路板的制作方法，其特征在于：进一步包括如下步骤；对高速信号过孔采用背钻工艺钻孔，以去掉过孔端部的无连接、无属性的STUB。

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