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PCB背板制造技术的探索 摘 要背板一直是PCB制造业中具有专业化性质的产品。其设计参数与其它大多数电路板有很大不同,生产中需要满足一些苛刻的要求,噪声容限和信号完整性方面也要求背板设计遵从特有的设计规则。因此，本文正是基于背板的这种特性，对PCB背板制造技术进行了探索，首先对背板的定义做了阐述，对背板的特点进行了分析，其次对PCB背板在制造过程中的一系列问题进行了阐述，最后对PCB背板制造问题进行了追踪研究。关键词：PCB，背板， 目录一、背板概述1（一）背板的定义1（二）背板的特性1（三）PCB的背板设计所涉及到的能力分析2二、PCB背板在制造过程中问题阐述3（一）设备3（二）尺寸稳定性3（三）背板尺寸和重量对输送系统的要求3（四）热吸收问题4（五）控制特性阻抗导线4（六）层的对位4三、对PCB背板制造问题的追踪6（一）电镀6（二）检测7（三）组装7参考文献8致谢9一、背板概述一、背板概述背板向来是PCB工业中技术含量很高的东西。它的设计要求近乎苛刻，尤其是噪声容限和信号完整性这两个指标，甚至有它自己独特的设计规则。背板的这种独有的高技术性使得它在常规设备规范以及设备加工上并不能完全符合要求。未来社会，随着经济跟文化的发展，背板这一必不可缺的技术硬件会变得更复杂、更精密。信号线路（track）数和节点数将会不断增高：一块背板包含5万个以上节点将变得不再稀奇。（一）背板的定义背板这个概念，其实是一种印制板，大多数来说，它的背面都会加上电子电路板，只是有时候背板上的大多数电子原件都会要求能与其他就像印制板那样的电子器件相连接。与上面说的相同，能与插件板连接的背板更容易与简单的操作系统相连。但是为什么要费这么大的劲儿去组合呢？好处有两点：（1）假如你需要一个先进的系统，这种结构的灵活性完全能适应；（2）这种结构易于调整，也能更方便地去解决一些不常见的问题。与背板相连的印制板也就是插件板可以根据需要去选择，可以相同也可以不同。（二）背板的特性背板有好多与众不同的特性（与普通PCB相比）：尺寸。因为对于背板的使用者来说，背板很大一部分是用于连接接线柜的背面使其以直角跟其他的一些板件相连接的。这就要求背板与常规PCB相比要大很多，有些背板甚至达到了762mmx1066.8mm。层数。就拿最最普通的背板来说吧，它的层数已经是处于1628之间了，这个数字对于普通的PCB来说简直是天文数字。厚度。从背板本身的结构来说，为了能承受更多的机械应力，它就不得不被设计的比普通PCB厚很多。在大多数情况下，设计者要增加它的厚度，典型的背板厚度是2mm4mm，它可高达4mm6mm之厚。随着科技的不断发展，用户对带宽的要求也日趋严苛，这就要求背板的设计要足够精密、足够严谨才行，普通PCB的生产工艺已经远远不能满足现代生产的需要。为了能生产出满足各种条件的背板，不得不淘汰一些原有的常规设备，更换成混合总线结构和组装技术。（三）PCB的背板设计所涉及到的能力分析PCB的背板设计涉及到的能力包含以下方面：1. 板材，由于背板的厚度、尺寸与常规板不一样，其对板材的性能要求也不一样，所以特殊板材的制成能力需要关注。2. 厚度，背板的厚度比常规板要厚一些，这也是需要关注的地方。3. 尺寸，背板的尺寸要大很多，对于生产也有这一定影响。4. 钻孔，由于厚度的上升和压接器件的使用，对钻孔的精度和镀铜的能力有着特殊的要求。5. 层数，目前背板的层数也向高层数发展,10层以上的设计也比较普遍。6. 布线，背板布线密度相对较小，不过对于阻抗要求和内层线路分别有特别要求。7. 表面处理，由于背板的厚度、尺寸比较大，有些表面处理工艺比较难实现。8. 特殊工艺，由于背板本身的特性，背板有时会用到一些特殊的工艺。二、PCB背板在制造过程中问题阐述二、PCB背板在制造过程中问题阐述（一）设备包含在背板生产过程中的所有设备，如加工的传送装置、抗蚀干膜的贴膜机、曝光机、湿法加工槽、电镀生产线、层压机、检验设备、阻焊掩膜与元件的标志符合热风整平机等都必须调整到背板独特要求的尺寸的处理上来。这种超厚板的厚度大于多数水平加工机械的传送装置的处理厚度，因此，传送装置应改造成能自由传送生产的产品。在某种情况下，背板要求有特殊设计的设备，因为常规的处理设备不能提起或移动这样大而重的背板。同时，处理设备的开槽（s1ots）和电镀的V型凹槽上的尖部接头（tips）都必须作相应的调整。这里最好加一两张图进行辅助说明（二）尺寸稳定性背板基材的尺寸稳定性也影响着背板的可靠性。尺寸偏离程度是相对于在制板的尺寸，越大的在制板尺寸，其尺寸偏离也就越大。在层压过程中，背板每一层的介质厚度和留下的铜含量也影响着尺寸变化。因此建议，每一层上尽可能多的保持些铜，可以采用虚假的连接盘以平衡各层的铜覆盖程度，这将有助于保证层之间相对尺寸稳定性。粘结片（Prepreg）叠加数量及其Reology特性和层压参数隋别是升温速率与压力大小）也影响着尺寸稳定性。采用减小粘接片的叠片数及其树脂流动度等级可以达到改善的结果。一旦介质厚度确定之后，不允许对粘接片采用最佳的叠加层数及其类型了。事实上，设计者可以要求特定的材料，在这种情况下，其尺寸稳定性分析应重新开始进行。（三）背板尺寸和重量对输送系统的要求与常规PCB生产不同，背板与众不同的特性要求生产设备要世界领先。PCB的生产设备普通的是24x24英寸，但是对于当今用户尤其是电信用户来说，背板的普通尺寸也已经不能满足需求，这种需求的产生大大推动了大尺寸板生产工艺的发展。工程师们绞尽脑汁，为了满足人们的需求，解决存在的各种问题，在普通背板的基础上增加了背板的层数。 背板中铜层厚度的增加是为了保证有大功率的应用卡插入卡槽时，有足够的电流来保证应用卡的正常工作。这就导致背板的质量约来越大，在生产背板时，用于运输背板原材料的输送带之类的东西必须能保证安全。在厚度和层数这两方面，对传送系统的要求近乎苛刻，要求其不但能毫发无损的传送厚度小于0.10mm的大规模板片，而且还能转送10mm、25kg的板，传送期间还不能出任何的问题。层中板的厚度为0.1m，但是成品背板的厚度是10mm，两者相差100倍，这就是说，传送系统必须有足够大的强度来保证各个部件的绝对安全。由于背板在厚度和钻孔数方面远远大于普通PCB，极其容易造成加工液的流出。举个例子来说，30000个钻孔10m厚的背板能毫不费力地把少许仅靠表面张力吸附在导孔中的加工液带出。故，采取高压冲洗和空气送风机法来清洗钻孔是非常重要也是极为重要的。（四）热吸收问题由于背板有较大的尺寸和较多的层数，因而在层压过程中背板比起常规PCB具有吸收更多的热量。因此，为了生产出完全固化的背板，应当修改其层压周期以满足树脂制造商建议的固化之条件。（五）控制特性阻抗导线当设计控制特性阻抗线时，则生产过程将变为更加复杂了。在这种状态下，减少导线宽度误差规定和严格介质层厚度误差将提出了要求。因此在图像转移和蚀刻的加工窗口应更严格。底片上线宽的补偿，光敏抗蚀剂的曝光均匀性，为了达到更好线宽均匀性，特别是在制板的周边与中心部位之间的导线均匀性，应调整蚀刻机结构。蚀刻机的调整，包括喷嘴结构，对每排喷射不同的压力或流动等级（程度）的编组（setups）和摆动。（六）层的对位为了满足用户对背板层数的需求，毫无疑问，层数增加了，但是层与层之间的对位就是一个非常大的难题了。层层对位要求满足公差收敛。但是又一个难题出现了，板的尺寸也在发展中不断变大。在一定的环境中，要求前图和后图对位公差波动为上下0.0125mm，就是通常说的0.0005英寸。我相信，除了CCD摄像机能满足这一需求，再没有什么摄像机能在如此的精密度下工作了。在利用一些特殊的技术对板件“塑形”以后，就要穿孔了，这又是有特殊要求的，要用四钻孔系统。穿过芯板时，其位置的精密度在上下0.025mm，可重复能力为上下0.0125mm。取用适当大小的针销，用于“塑形”后的内层对位，也用于将内层粘合在一起。一开始的时候，“塑形”后用针销穿孔完全能满足对钻孔与板对准的需求。后来随着用户要求的提高，到了现在，用户要求在PCB走线方面能在更小的面积内完成更多的线路，这中间要考虑的是成本问题，为了使板子成本不变，铜板的尺寸就要尽量缩小，以达到层间铜板更好的对位。实现这一梦想，购置X光钻孔机是必不可缺的，它能在1092x813m的板子上钻一个孔，使其精确度达到上下0.025mm。对于购置X光钻孔机，用法有以下两种：1、用x光机认证分析计算每层上的铜板，利用已有的钻孔来寻找最佳位置。2、记录统计数据，分析对位数据相对于理论值所产生的偏差跟发散的程度。将这种SPC数据上传到之前的加工步骤，如选择原材料、加工参数和布图绘制等方面，用于减小不必要的误差，促进生产工艺的不断发展进步。虽然电镀这一工艺与所有的标准镀工艺都相似，但是对于背板的独有的特性来说，不可忽视的点有两个。夹具和传送设备要能在同一时间传送大尺寸板和大质量板。1092x813mm尺寸的原材料板的质量为25kg，。在传送时，板件必须保证能够被严格地抓牢。加工箱要足够深，以至于能够将板件整个容纳进去而不影响原有的均匀的电镀特性，保持原有的属性。以前，很多用户都为背板配置指定的压配连接器，造成过度依赖电镀均匀性的现状。背板厚度产生定量变化时，即产生0.8mm到10.0mm的变化量，宽高比的改变以及板件的规格的变大，造成电镀均匀性的指标变得空前重要。只有使用周期性反向电镀控制设备，即“脉冲”，才能达到人们对于电镀均匀性的要求，与此同时，搅拌无疑会帮助增加电镀的均匀性。设计背板的工程师们除了对钻孔要求电镀均匀外，还对外层的铜板的均匀性有着不同的看法和要求。其中有一部分人在外层上几乎不设计信号线路，而有的人，几乎是大多数人，为了满足对高速数据率和阻抗控制线路的需求，外层上的近乎固态的铜板设计是非常必要的，以作EMC屏蔽层之用。三、对PCB背板制造问题的追踪三、对PCB背板制造问题的追踪比起常规PCB尺寸大得多的背板要求有特别的内行才行，这是由于需要比常规技术规范和其它因素要多，同时制造背板要求有特殊的设备，特别的专门技术和严格的检查和校验的机器，才能保证高质量成品的背板。因此，本文接下来将对PCB背板在制造过程中可能存在的问题进行了追踪，现将相关情况如下进行描述：（一）电镀背板的主体元件是它的连接器（connectors）。因此，对背板采用波峰焊接是困难的，甚至是不可能的，因为背板尺寸大而厚，焊接工艺有种特殊的要求，它需要很大的热容量。焊接过程中，在用于焊接的材料充满通孔以前，早已经固化了，这种情况会造成接插件的引脚也就是通常说的插件无法正常形成焊接点儿。背板上有很多的连接器，它的组装采用的是压插技术，插件用电气连接至没有焊接材料的电镀孔中。插件的形体与平常所认识的插件不同，大多数情况下它是采用的锐边的多边形的结。在插接的时候，有时候为了突出这种差异，在普通PCB时电镀铜厚度一般是0.001英寸，而且最终的孔径误差为上0.10mm、下0.05mm。背板与普通PCB相比，导通孔电镀铜厚度将是普通电镀铜厚度的2倍甚至是3倍，但是最终的孔径误差缩小到了上下0.05mm，有时候甚至是更小。如果采用常规的电镀工艺，要想达到这种误差基本是不可能的，况且这种普通的电镀工艺要想达到这种厚度是非常困难的。依照理论的电化学说法，制板边缘处相比于中心位置会有更多的电镀沉积，这是因为电场线在控制镀液中铜离子的转移和沉积方面会或多或少的受到其他无法避免的偶然或者必然因素的影响。这种“边缘效应”是由于远离阳极的电力线形成聚集于边缘的实际结果而引起的。这些电力线使铜离子流向在制板边缘，因而在边缘沉积而具有更厚的镀铜层。因此，在制板上边缘区域的孔比起中心区域的孔镀有较厚的铜层。人们通常所说的狗骨效应指的是在电镀时因制板位置所在平面与两个阳极排所在平面平行，导致制板上的孔的法线与阳极排所在的平面垂直，从而造成在孔的入口处镀层相对于孔内中心处镀层较厚的现象。通常来说，制板的厚径比增加的时候，狗骨现象也会相应的加剧。这种现象造成在一些甚至说是不在少数的孔上镀层的厚度和最终的孔径会很难符合技术规范的规定。解决这种狗骨现象的方法一直没有很好的办法，假如减小电路密度，没错，能减轻狗骨现象，但是生产率会大打折扣。近些年，很多制造背板的厂家在周期性反向脉冲电镀法上投入了大量的人力、财力、物力以便能够在改变改变制板表面和孔内镀层厚度均匀度上取得技术性的突破。但是这种电镀技术难度实在是太大，不但镀液和电源要特质，还需要专业的技术人员甚至是工程师来亲自选定最佳的脉冲电镀参数。（二）检测为了满足用户需求，背板层数增加了，这就要求在粘合之前对内层的各个刻蚀层进行精密的检查，存在缺陷的给予改正或者直接淘汰。在控制背板阻抗和重复性时，蚀刻线的宽度和厚度还有公差这些参数是很重要的。目前最好的方法是采用AOI法去匹配蚀刻图案与设计数据。利用AOI对线宽公差设定后，通过阻抗模型，影响和改变阻抗对线宽变化的反应强度。背板发展到了现在的大尺寸多钻孔阶段，包括其身上的有源回路，两者促成了元件装填前的严格检验工序，包括裸板和元件，这是十分重要的。随着背板上钻孔的数量增多，裸板测试夹具的复杂程度也在不断增加，虽然通过使用专用夹具可以尽可能的减少单位测试所需要的时间。现代工业中，通常采用双面飞针探测夹具以便能简化生产流程和减少制造原型所需要的时间，通过对原始数据的编程来保证满足用户的需求，节约成本，尽快上市，获得最大利益。（三）组装 传统上，有时候为了提升所设计产品的可行性，多数都会选择不使用有源元件。为了满足用户的需求，有源元件已经很普遍的应用到了背板上。这就造成元件安装设备的不配套，它不单单要能够安放小的元件，而且还要能够对不常见的硅封装元件进行安装。现代的背板规格大，这就要求安装设备的台床要大而且稳，能对背板进行精确、精密的移位和操作。由于背板较常规的PCB板要厚和重，相应地其热容也较大。鉴于背板冷却速度较慢，因此回流焊炉的长章要加长。还需要在出口处对其进行强制空气冷却，以使背板温度降低到可安全操作的程度。参考文献参考文献1张攀科,裴昌幸,蔡文晖.一种高速大容量背板的设计与实现J.电子科技.2004(10)2丁志廉.背板特性对生产工艺的影响J.印制电路信息.2003(04)3K.TaKSahima.,丁志廉.背板的钻孔技术J.印制电路信息.2002(08)4JockTomlinson.从并行到串行背板的设计J.电子设计应用.2005(05)5J.Reachen. 背板制造技术J. 世界电子元器件. 2002(07)致谢致谢经过几个月的忙碌，本次论文已经接近尾声，但由于经验的匮乏，难免有许多不足之处，如果没有老师的督促和指导，以及同班同学的支持，想要完成这个论文是很困难的。首先我要感谢我的论文指导的老师，如果没有他悉心的指导本次论文是很难完成的，老师平日里工作繁忙，还要指导我们的论文，但在我做论文的每个阶段，从查阅资料，论文开题报告的修改，中期检查，到后期写论文注意的各个问题等整个过程中都给予了我悉心的指导。他严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，他每项工作都做到前面，使我们有充足的时间来安排我们的论文写作计划。同时，他对我们的论文都是当面指导，细心解说，从而使我们一个一个的过关。其次要感谢和我一起做论文的所有同学，你们向我及时传达了老师的安排和计划，此外平时还帮助我整理一些资料，如果没有你们的帮助，我的毕业论文也不会这么顺利的完成。然后还要感谢所有的老师，为我们打下了专业基础知识，从而才会使此次论文如此顺利完成。
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