112G高速PCB的過孔阻抗設(shè)計和加工制作

來源：市場資訊

（來源：明陽電路）

目前，印制電路板（PCB）廠商已經(jīng)開始量產(chǎn)112G產(chǎn)品，作為當(dāng)前階段量產(chǎn)的傳輸速率最高的PCB產(chǎn)品。其在以下幾個方面有特殊要求：首先，由于112G交換機(jī)產(chǎn)品使用的信號調(diào)制方式從不歸零編碼（non-return-to-zero，NRZ）轉(zhuǎn)變?yōu)樗碾娖矫}沖幅度調(diào)制（pulse amplitude modulation 4-level，PAM4），PAM4在一個周期內(nèi)傳輸4個碼元00，01，10，11，在相同帶寬下，數(shù)據(jù)傳輸速率翻倍。但因為電平間的幅度差變小了導(dǎo)致其抗噪聲能力差，信噪比要求高，所以在傳輸路徑中一點(diǎn)微小的變化都有可能導(dǎo)致信號失真，誤碼率急劇上升，接收端無法解碼出正確信號。

因此對于112G產(chǎn)品而言，阻抗控制是重中之重，阻抗公差從±10%提升至±7%，孔阻抗從原來的無要求，到如今和線阻抗公差一樣的要求。孔阻抗要求的提出，意味著PCB制造商們無法和之前產(chǎn)品一樣通過增大引腳焊盤（(Pin pads英文全稱 ，PAD）的方式來減小對位難度，因為底PDA的增大，必然導(dǎo)致孔阻抗的下降。

除此之外，112G產(chǎn)品的奈奎斯特帶寬來到了28 GHz，芯板預(yù)留PCB產(chǎn)品的損耗大約為1 dB/inch（0.039 37 dB/mm），這也就意味著產(chǎn)品要在28 GHz的情況下滿足上述損耗要求；另一方面，PCB制作商們?yōu)榱斯?jié)省制作時間，減少制作工步，廣泛采用深微孔技術(shù)，激光從L1層直接擊穿到L3層，甚至L4層，這對PCB的激光加工和沉銅電鍍帶來了新的挑戰(zhàn)。

| 112 G高速信號傳輸路徑分析

高速信號從光模塊接口位置通過L1到L3的盲孔傳導(dǎo)到內(nèi)層L3層，L3層經(jīng)過一小段差分傳輸線后通過雙面背鉆孔傳導(dǎo)至L14層，L14經(jīng)過很長一段差分傳輸線后，通過單面背鉆孔傳導(dǎo)至球柵陣列（Ball Grid Array英文全稱，BGA）位置。至此，信號傳輸完成。

| 孔阻抗測試

為測試底PAD對孔阻抗的影響，設(shè)計了2組對照實(shí)驗，具體參數(shù)見表1。

通過模擬軟件進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖1所示。由底PAD設(shè)置為0.4 mm，則過孔阻抗為95 Ω與后端線阻抗的要求值93 Ω相匹配；當(dāng)其他條件不變，過孔底PAD設(shè)置為0.55 mm時，過孔阻抗則會下降至85 Ω，遠(yuǎn)小于93 Ω的傳輸線要求阻抗。由此帶來的信號反射將導(dǎo)致接收端誤碼率的急劇上升，最終無法解碼信號。因此，對于112 G產(chǎn)品，需在前期的設(shè)計中進(jìn)行孔阻抗仿真，保證孔阻抗與線阻抗的一致性。

圖1 不同底PAD大小模擬阻抗

| 對位能力測試

由前期研究可知，為保證孔阻抗和線阻抗的一致性，在底PAD的補(bǔ)償基礎(chǔ)上，不能過多的加大補(bǔ)償，造成PCB制造過程中對位精度的提高。通常，我司為了確保對位準(zhǔn)確，將最小焊環(huán)設(shè)置為0.15 mm，由前期的孔阻抗仿真數(shù)據(jù)可知，0.25 mm孔徑，焊環(huán)0.15 mm，則底PAD大小為0.55 mm，阻抗僅為85 Ω，不符合要求，需要減小焊環(huán)大小。將焊環(huán)大小改為0.075 mm，這意味著盲孔與PAD的對位精度要控制在0.075 mm以內(nèi)。一般情況下，盲孔對位有兩種形式：抓綜合靶標(biāo)對位或抓盲孔底PAD所在層對位；兩種對位形式的優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

如圖2所示，采用抓盲孔底PAD的對位方式，可確保盲孔居中對齊，因此，需解決可能存在的通孔與盲孔不匹配的問題。一般情況下，外層曝光系數(shù)抓取的為通孔的漲縮系數(shù)，制作通孔時，需抓取的綜合靶標(biāo)，因此，外層曝光系數(shù)是每一層偏移量的綜合系數(shù)；而盲孔抓取的為單層靶標(biāo)，就是某一層的偏移量，當(dāng)整體的偏移量與單層的偏移量差距過大時，會導(dǎo)致外層的通孔PAD與盲孔對不上。

為了解決這一現(xiàn)象，我司采用了一種稱為梅花孔的外層圖形的對位靶標(biāo)。制作過程為：制作盲孔時在板的四角分別鉆一圈盲孔；制作通孔時，在一圈盲孔的中間位置鉆一個通孔，作為通孔靶標(biāo)，如圖3所示；進(jìn)行外層曝光時，需抓取每個角的盲孔靶標(biāo)和通孔靶標(biāo)來完成制作。這表明外層的曝光系數(shù)為通孔和盲孔的平均系數(shù)，這一操作可有效防止盲孔偏離外層PAD。

| 激光鉆孔能力測試

關(guān)于盲孔的加工，為了節(jié)省加工流程，加快制作時間，本產(chǎn)品將2次壓合的制作方式改為一次壓合，這也就意味著在制作盲孔時要同時完成L1到L2層和L1到L3層的盲孔制作。這樣的制作方式，帶來的挑戰(zhàn)主要是兩方面：盲孔制作難度的加大和電鍍制作難度的加大。在盲孔制作方面：為了滿足L1到L3層的孔徑為盲孔制作，首先將對應(yīng)的盲孔上方的L2層掏隔離環(huán)，其次，為了保證上下孔徑比，采用擴(kuò)孔的方式制作，激光小孔疊孔排列繞燒，先燒外圍再燒內(nèi)部，小孔重疊率按85%設(shè)計，盲孔設(shè)計如圖4所示。

關(guān)于盲孔的加工，為了節(jié)省加工流程，加快制作時間，本產(chǎn)品將2次壓合的制作方式改為一次壓合，這也就意味著在制作盲孔時要同時完成L1到L2層和L1到L3層的盲孔制作。這樣的制作方式，帶來的挑戰(zhàn)主要是兩方面：盲孔制作難度的加大和電鍍制作難度的加大。在盲孔制作方面：為了滿足L1到L3層的孔徑為盲孔制作，首先將對應(yīng)的盲孔上方的L2層掏隔離環(huán)，其次，為了保證上下孔徑比，采用擴(kuò)孔的方式制作，激光小孔疊孔排列繞燒，先燒外圍再燒內(nèi)部，小孔重疊率按85%設(shè)計，盲孔設(shè)計如圖4所示。

| 背鉆孔加工能力測試

對孔阻抗的管控，需管控信號過孔的背鉆殘樁，殘樁的存在不僅會導(dǎo)致孔阻抗降低，還會導(dǎo)致信號損失增加，管控背鉆殘樁長度是控制高速信號完整性的一大重點(diǎn)措施[5]。客戶通過前期的仿真測試，發(fā)現(xiàn)預(yù)留0.2 mm的殘樁長度可滿足信號傳輸?shù)囊蟆Ｒ虼耍宜颈炽@殘樁按照小于0.2 mm管控。為滿足整板任意位置滿足背鉆殘樁的需求，我司采用分堆分區(qū)制作，具體制作流程如下：

（1）全測背鉆孔位置的板厚，將同一位置，板與板之間極差大于0.1 mm的板進(jìn)行分堆，每一堆的板都分別用不同的背鉆參數(shù)。

（2）針對同一塊板，對板厚差異大于0.1 mm的孔進(jìn)行分區(qū)域背鉆處理。每個區(qū)域采用不同的背鉆控深參數(shù)，并確認(rèn)首件的切片。

基于以上加工方式，隨機(jī)取不同位置的背鉆切片，如圖6所示，均滿足小于0.2 mm的管控要求。

| 結(jié)論

本文對112G產(chǎn)品的孔阻抗展開研究，112 Gbps高速產(chǎn)品在設(shè)計與制造過程中需滿足如下管控要點(diǎn)：

（1）進(jìn)行孔阻抗設(shè)計時，需開展仿真工作，以確保孔阻抗與線阻抗保持一致。

（2）加工激光盲孔時，鑒于減小了盲孔底PAD的補(bǔ)償值，需確保盲孔對位精準(zhǔn)。此外，因盲孔加工方式為L1到L3層的激光盲孔，因此，需重點(diǎn)管控盲孔孔銅。

（3）背鉆stub的長度也需要進(jìn)行仿真，從而得出合適的背鉆stub管控要求，制造時需按照要求對所有背鉆孔實(shí)施管控。

參考文獻(xiàn)

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[8]羅煒艷,曹子鯤,上官昌平,等.新型激光加工微盲孔能力研究[J].印制電路信息,2024,32(10):1-10.