100G以上骨干网用高速PCB孔损耗技术研究

摘要:在发送端，100G信号被分为10路或4路高速信号，加上0TN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、25Gbit／s的传输速率。文章主要以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。

1 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来越高，原有的40G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。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508 mm(20 in)到1016 mm(40 in)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⋯。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。

2 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，所多出的孔壁称为Stub。Stub越长寄生电容愈大而插入损耗S21也愈严重。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1。

图1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，得到对应插损表现如图2。

图2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1可知，实现10 GHz的速率传输至少需要STuB长度控制在0．30 mm(12 mil)以内。

表1谐振频率与STUB长度的对应关系表

目前背钻的设计由原来的通孔孔径0．5 mm以上逐步缩小到0．2 mm，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钴板件；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。

表2加工方案

2．2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。

2．3试验分析
(1)钻头结构：①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，排屑及刚性较好；②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；③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；
(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40 um以内，根据目前我司背钻孔径大于通孔150¨m，单边间距为75 um，可以保证背钻孔无残铜现象。

2．4小结
汇总试验结果如表6。

表6背钻试验结果

通过对以上三种钻头进行对比测试，只有钻头C可以满足小孑L背钻要求，目前已经实现批量稳定生产。

3．2工艺流程
跳孔工艺流程图如图3。

图3跳孔工艺流程图

3．3跳孔缺陷分析
3．4塞孔缺陷分析
跳孔工艺塞孔使用普通丝印方式存在孔内气泡无法排除导致塞孔，采用真空塞孔可有效改善塞孔气泡凹陷问题。两种塞孔效果如图5。

图4跳子L工艺底部残胶、偏盘缺陷图

图5跳孔工艺丝印塞孔、真空塞孔

3.5 小结
图4跳子L工艺底部残胶、偏盘缺陷图
图5跳孔工艺丝印塞孔、真空塞孔
跳孔工艺与与普通两阶盲孔叠孔工艺相比，可以，提高了PCB乃至电子产品的集成化程度，实现跨阶连接并且减少一次压合制作流程，降低PCB制作成本。

4. 总结
本文主要介绍了两种减少孔损耗、即减少STUB的技术，随着的速率越来越快，此类设计的应用也会越来越普遍，背钻工艺将成为普遍设计，跳孔也会逐步在高端产品上应用。

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