大尺寸高多层背板的开发与产业化

摘　要：

在以通讯为主的PCB 市场中，背板作为关键元件之一，向着高多层、大尺寸、高厚径比、多孔数、高可靠性方向发展，一方面推动及带动相关技术的发展，另一方面也带来许多工艺技术上的难点，本文针对这些工艺技术难点论述，简明陈述背板产品在关键技术上的开发与推广方式，其中以开发作为重点进行相关介绍。同时，深南电路经过多年的研发和推广，目前已具备了40 多层，板厚8.mm 高多层通讯背板的量产能力。

关键词：背板、通讯、高多层、高厚径比。

Abstract：With the development of Telecommunication industry, the backplane as a key component has high layer counts, huge panel size, high aspect ratio, high hole density and high reliability requirement. This paper trace out research profile of the backplane. Give the statement of development and generalization of the backplane. Based on the development of backplane project, Shennan Circuits Co,.Ltd developed a high layer count backplane with above 40 layers and 8mm thickness, and kept on mass production

　　Keywords：Backplane, Telecommunications, High Layer counts, High aspect ratio

一.前　　言：

背板作为关键元件之一，广泛应用于通讯、航天、超级计算机、医疗设备、军用基站等重要场合。随着集成电路等元件的集成度提高及其I/O 数的增加、电子组装技术的进步和信号传输的高频化和高速数字化的发展，以及电子设备高速发展的升级与换代需求，背板的功能渐渐走向承载功能子板、信号传输及电源传输等功能上，而其信号处理功能渐渐弱化。背板功能清晰后，其产品特征更为特殊，主要表现在层数（12 层～60 层）、厚度（3.5mm～12mm）、孔数（5,000～100,000 孔）、高可靠性要求及高频、高速下的的信号传输质量等方面。

背板作为高端产品之一，主要集中在发达国家进行生产。目前电路板制造业重心逐渐向亚洲转移，国际通讯设备制造商为寻求更低的制造成本，与亚太区同行进行竟争，开始与亚太区PCB 企业进行业务合作。深南电路依靠公司资源，组织人员并与国内外多家知名通讯设备商合作，对高多层通讯背板制造技术进行攻关，实现大尺寸高多层通讯背板的批量生产，多项技术达到国际级领先水平，与多家国际级企业形成了良好的合作关系。

二.背板技术的发展：

背板作为各功能子板的集成体，其主要功能需求为承载子板数量不断增加、信号损耗不断减小。按照背板的发展历程，我们将背板分为以下几种：前三代背板产品：混装背板，单面压接背板，双面压接背板。这三类传统背板产品以连接器插接为主，主要起子卡连接作用，工作频率较低，连接器插接的信号损失较大，为适应高频应用，引进了背钻、高频材料等方式。

埋盲孔结构背板，表贴连接技术背板，改变传统的插接方式，领用埋盲孔结构或表面压贴形式降低压接孔的信号损失，改善高频信号完整性。

目前背板主要为前三种，个别背板产品具有埋盲孔结构。表贴连接背板作为高信号保真产品，目前具有广阔的前景，但由于其技术出现时间较晚，未有被业界广泛接受，所以还未大量应用于产业中。随着通讯频率的增加，铜导体损耗已不能满足未来通讯产品的需求，第六代产品例如光导背板，Cabel 连接背板及其周边配套产品等尚在研发阶段，还需接受市场的考验。

　三.关键技术开发

背板产品的开发，关键在于产品的定位，业界前三代背板产品制造已成熟，实现批量生产，而第四代目前深南背板产品的开发工作主要定位在第五代应用型背板及国际市场接受度较高的产品，如埋盲孔结构背板、表贴连接背板、高可靠性高多层背板。

项目开发涉及供应链开发、技术攻关、市场推广等各方面，本文主要介绍关键技术攻关。技术攻关过程可简单表述为概念的形成、流程设计与技术验证三个相互影响的过程。对于工程技术人员来讲，核心在于技术概念即创新的理念与准确的技术定位。

3.1 技术概念

背板制造行业的制造流程长、顾客关注点多。欧美背板制造行业起步较早，目前纷纷将制造工厂往亚洲转移，行业竞争日益激烈，这就要求公司背板产品必须形成自主的核心竞争力，吸引顾客。现代高多层背板产品的特点表现为大尺寸厚度、高厚径比、高可靠性要求、高工作频率等，将这些特点进行工艺技术分解成20 多个主要工艺技术点，从中提出深南要形成的2 个技术核心：高通孔可靠性，高信号完整性。

　　高多层背板产品的板厚大、厚径比高、高可靠性要求，增加了层压、钻孔、电镀的工艺难度和对设备、生产管理上的高要求。对此进行的技术攻关，形成了深南自主开发的高多层背板制造技术。

3.1.1 高通孔可靠性

（1）厚背板钻孔技术
高多层背板由于板厚较厚（通常>5.0mm，最厚12.7mm），孔数多为钻孔带来一系列的困难与问题如：排屑不良、毛刺、孔位精度不佳、孔壁状况差等。我司根据背板厚度的不同，分别研发出了5.0mm～12.7mm 不同厚度的钻孔技术，以预钻、分步钻、正反钻等多种方式的组合，特殊毛刺处理技术的应用，保证孔位精度<0.075mm，孔壁凹凸度要求符合国际行业标准（IPC 标准）<0.03mm。

（2）负压式紊流电镀理论
高多层背板的板厚（3.5mm-12.0mm），孔小（一般为0.7mm），厚径比一般在8:1 以上，最高甚至达16:1，深孔、小孔的电镀一直是PCB 制造的核心技术之一。我司独立研发的负压式紊流电镀技术建立在流体力学基础上，并通过自行设计的电镀设备实现对该技术的验证。负压式紊流电镀技术可有效提高高厚径比孔的深镀能力，如制备厚度8.4mm，钻孔孔径为0.7mm 的42 层通讯背板，深镀能力可达80%。

3.1.2 高信号完整性

(1)高频材料应用
随着信号传输的高频化和高速数字化的发展，高频高速材料以其优异的介电性能、吸水率低，介质均匀特性逐渐替代传统FR4 材料用于高频通讯背板制造，如：PTFE、陶瓷填充类板材、PI、BT 等。其高多层背板加工工艺因其材料特殊性而增加了许多困难，如PTFE材质软、钻孔性能差；化学惰性高难进行活化，化学镀铜孔铜结合力低，需引进等离子去钻污活化设备等；目前的产品有陶瓷填充类材料18 层高频背板，板厚5.0mm；PTFE 类18 层高频背板；混压类PTFE（陶瓷填充类）+FR4 背板等。

　　（2）背钻技术
数字运算的速度越来越快，信号频率越来越高，对影响信号完整性因素进行研究变得尤其重要。研究表明：影响信号系统信号完整性的主要因素除设计、板材料、传输线、连接器、芯片封装等因素外，导通孔对信号完整性有较大影响。

在线路板设计中常常有信号线自第1 层接受信号，然后通过导通孔传到第3 层的情况，如果背板为20 层，该孔自第3 层到第20 层的金属化孔就是没有任何用处，相反，由于无用部分的容抗和感抗影响较高，在信号传输过程中会影响信号的完整性。在信号系统中，背板由于信号频率高，通孔长度较长，因此金属化孔无用部分较长，对信号的完整性影响更大，同时对最大可走线长度有重大影响。

如图所示采用背钻技术将这部分负面影响因素去除，可以得到良好的信号完整性，能够低成本地满足高频、高速性能。

深南在国内率先开发出背钻技术，并迅速实现批量生产。

（3）设计流程
在开发背板产品或高多层背板技术攻关阶段，做好流程设计能降低产品开发风险，提升项目进度，降低研发成本。引入项目管理理念，从产生技术概念起对项目科学的引导与控制，在试验论证阶段事事以“数据说话”，对重要产品启动APQP 流程，监控工艺生产，并对重要参数进行记录，使整套工艺具备可追溯性。其主要流程如下：

（4）验证技术
业界亦有通过自行设计或客户设计测试板来考查公司的工艺能力。目前背板测试板较少，仅有欧美的专业认证公司或个别通讯设备厂家设计背板测试板，如IPC PCQRR（与Microtek 试验室合作）制程能力测试，检测方法之一是HATS 快速冷热循环测试系统。更为常见的做法是以某款背板产品板作为测试评估的媒介。我司主要通过PDPC 设计产品工艺流程，在试研阶段通过建立标准测试板，进行产品可行性验证。工艺验证完成后，转入样品及小批量生产流程。同时以可靠性做为重点验证手段，主要方式有：冷热循环加速老化测试、IST 测试、HATS 快速冷热循环测试、漂锡（热油）热冲击测试、ANTI-CAF 测试等，分析手段以金相微切片为主。

四. 结束语：

随着中国印制电路板（PCB）制造技术的进步和中国市场的崛起，中国在2003 年已超越欧洲、台湾、美国等国家和地区，成为全球第二大PCB 生产国。据CPCA 的预测，未来的五年内，中国大陆PCB 的产值将以15％的年复合增长率（CAGR）快速增长。过去中国PCB 行业未能涉足高层数、大尺寸背板，自2002 年起逐步从以欧美向亚洲转移，这将给拥有高端背板制造技术的企业带来商机。

2006 年开始，3G 市场的启动将必然直接带动全新的电信设备投资。2008 年IPV6（互联网协议第6 版）的正式推行，也将极大的促成互联网的普及，增加运营商对传输设备的投资，这就意味着PCB 背板需求也将不断增长。因此，高多层通讯背板制造技术将有非常良好的市场推广前景。目前的推广方向主要向国外通讯设备的配套厂商，通过技术交流的方式与国外厂商进行相关的推广。而国内的推广方向主要是通讯设备制造商，通过技术交流及协作进行推广。

深南高多层通讯背板制造技术项目取得了大量的创造性成果，在高厚度层压、钻孔技术、高厚径比的电镀技术及其它一系列技术上取得了突破，并集成了高频材料应用、混压、埋盲孔、埋容等技术，形成了鲜明的特点。目前已经建立了大型背板生产线，月产数百个品种、四千多平方米的背板，形成了背板产品的批量生产能力。产品广泛应用于通讯、军品、医疗械、工业控制、航空航天、巨型计算机等领域。

五. 参考文献

[1] Happy Holden, Multilayer Layer Reduction - Adapting To Lead-Free Assembly, TBA Presentation, 2005.
[2] Zeng Ping, Kong Lingwen, Backdrilling Technology for Backpanel

　　六. 作者信息

　　作者：孔令文、曾平、刘宇、王成勇
　　单位：深圳深南电路有限公司
　　职务：技术中心副经理
　　毕业院校：华中理工大学

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