单板背钻PCB设计方法 - bbshwrfcomcn

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单板背钻PCB设计方法

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2012-10-01

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Huawei Technologies Co., Ltd.

华为技术有限公司

LPUE 的PCB 设计内部公开

作者 2012-02-23 初稿完成

LPUE的PCB设计内部公开

3，Total 17 第3页，共17页

LPUE 的PCB 设计内部公开

关键词：Backdrill 、背钻深度、STUB

摘要：本文对背钻相关技术以及PCB 设计要求做了介绍，并说明了使用二次开发工具完成背钻板设计的步骤。

缩略语清单：

目前我司背钻设计已经在背板中大规模应用，随着信号速率不断提升，走线过孔或者连接器过孔对信道传输特性的影响越来越显著，背钻（Backdrill ）技术在单板的PCB 设计中应用会越来越普遍。

背钻技术重点关注剩余孔壁长度、背钻深度控制、线到背钻孔间距、背钻孔径要求、背钻孔焊盘设计要求、PCB 表面处理工艺要求等6个方面。

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背钻，英文名为Backdrill 或Backdrilling ，也称CounterBore 或CounterBoring 。

背钻技术就是利用控深钻孔方法，采用二次钻孔方式钻掉连接器过孔或者信号过孔的stub 孔壁。

图1 BackDrill 剖面示意图

上图为通孔Back Drill 剖面示意图：左边为正常的信号通孔；右边为Backdrill 后的通孔示意图，表示从Bottom 层一直钻到Trace 所在的信号层。

背钻技术可以去掉孔壁stub 带来的寄生电容效应，保证信道链路中过孔处的阻抗与走线具有一致性，减少信号反射，从而改善信号质量。Backdrill 是目前性价比最高的、提高信道传输性能最有效的一种技术。使用背钻技术，会对PCB 制成成本会有一定的增加。

2 背钻设计规则

2.1 单板背钻分类

背钻分为单面背钻和双面背钻两种。单面钻可以分为从TOP 面开始背钻或从BOTTOM 面开始背钻。连接器插件管脚的PIN 孔只能从与连接器所在面相反的一面开始背钻，当PCB 的TOP 面和BOTTOM 面都布置了高速信号连接器时，就需要进行双面背钻，如下图所示。

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Remaining plated hole barrel

Backdrill from Bottom side

Backdrill from Top side

Signal Line

图2 双面背钻示意图

按照背钻对象主要有连接器通孔背钻和信号过孔背钻。

2.2 背钻设计要求

压接工艺要求的剩余孔壁长度

图3给出了连接器压接针脚和背钻孔的剖面示意图，图中给出了3种长度L 、L1和L2，具体含义参见图中的说明。

为保证连接器压接刃部分与PCB 剩余孔壁能够可靠接触，必须保证连接器引脚的压接刃部分与背钻后的剩余孔壁完全接触，即L ≥L1 。需要注意的是，对于板内走线分布在距器件面L 深度内的走线层来说，如果需要考虑背钻，其背钻孔深度只能钻到距器件面L 深度以下。所以确定布线方案时，最好把高速信号都放在距器件面L 深度以下的走线层。

因为背钻深度控制精度方面，业界目前能力可以达到±4mil ，国内供应商的能力可以达到±6mil 。为了提高可靠性，设计时最好保留一定的冗余，建议满足下述设计要求。

【设计要求1】：L ≥L1＋12mil 。

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图3 连接器Pin/背钻孔剖面图

根据上述关系，可以得出不同连接器过孔的最小剩余孔壁要求，具体请参见表2。

需要说明的是，因为2mm 连接器的压接刃长度L1公差要稍大一些，在确定L 长度时稍微放宽了一些。

表1 不同连接器过孔的最小孔壁要求列表连接器系列连接器类型针脚长度 L2（mm ）压接刃长度 L1（mm ）压接孔最小孔壁长度

L （mm ）

1.8 1.3 1.6

2.5 1.3 1.6

直公 3.7 1.3 1.6

弯母

2.2 1.3 1.6 直公

1.8 1.3 1.6 AIRMAX 弯母

1.8 1.3 1.6 弯母

2.1 1.3 1.6 HS3 直公

3.7 1.3 1.6 弯母

2.1 1.6 2.0 2mm 直公

3.7 1.6 2.0

背钻深度控制

背钻深度控制建议至少保留8mil 的Stub 。

在层叠设置的时候需要考虑介质厚度，避免出现走线被钻断的情况。

表2 背钻深度公差基线

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业界最高能力国内厂家能力华为要求

背钻深度公差（mil ）

±4 ±6 ±

背钻孔深度控制建议在两层之间，两层之间厚度要求≥12mil 。

图4 背钻孔深度控制示意图

线到背钻孔间距

PCB 走线到背钻孔边缘距离≥10mil 。

图5 走线到背钻孔的间距示意图

背钻孔的孔径尺寸要求

背钻孔径（D ）＝钻孔直径（d ）＋10mil 。

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背钻孔距内层图形推荐≥0.25mm ，距外层图形推荐≥0.3mm 。

背钻孔到背钻孔的距离≥0.25mm 。

图6 背钻孔的截面示意图

背钻孔焊盘设计要求

过孔焊盘背钻后无铜环剩余。

为了推荐背钻孔焊盘按照要求如下设计：

（1）背钻面的焊盘≤背钻孔直径；

（2）内层焊盘推荐设计成无盘工艺。

背钻PCB 表面处理工艺

背钻PCB 的表面处理工艺要求采用OSP 或化学沉锡，禁用HASL ；

PCB 内层非功能焊盘设计为无盘。

在Smartdrill 层添加文字：NO FUNCTIONAL PADS ON INTERNAL SIGNAL LAYERS MUST BE REMOVED.

背钻孔背钻面不能同时用作ICT 测试。

3 背钻板设计过程

3.1 投板前后与PCB 加工厂家的沟通

背钻深度需要根据PCB 层压结构设置，因此对于背钻PCB ，建议提前与投板厂家进行层叠设置的沟通，避免投板后层叠设置有较大的修改，影响背钻的加工。

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3.2 背钻板设计过程及交付件的生成

背钻板设计过程就是设定背钻参数并生成交付给PCB 加工厂家的钻带文件的过程。首先需要确定背钻的位置，孔径，深度，以及从PCB 的哪一面开始背钻，然后按照设定的参数生成钻带文件，交付给PCB 厂家。

步骤1：确定背钻孔径，设定铜皮和走线到背钻孔的距离。（这个步骤需要在布线前确定。）根据连接器孔径或过孔孔径选择合适的背钻孔径，一般选择二次钻孔直径比原始钻孔直径大10mil 。背钻影响区域要求走线、铜皮到背钻孔边缘的距离保持≥10mil 。注意规则管理器中设定的是走线和铜皮到孔的焊盘的距离，设定时需要根据焊盘尺寸、背钻孔尺寸、走线到背钻孔的距离计算出走线到焊盘的距离。根据以上规则在规则管理器中需要设置走线、铜皮到过孔焊盘的距离9mil 即可满足要求。

步骤：先画背钻区域，再附背钻规则。设置时需要将背钻层下面的层修改为背钻规则。

图7 背钻规则设置

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图8 修改背钻规则

步骤2：确定STUB 长度范围。

最长剩余STUB 长度：根据信号速率、孔类型、板材等参数确定过孔允许的最长STUB ，精确的STUB 范围需要仿真确定。

最小剩余STUB 长度：根据目前国内国内供应商的加工能力，考虑一定的设计冗余，建议保留至少8mil 的STUB 。

步骤3：确定需要几种背钻深度。

如果简单的要求过孔背钻后冗余的STUB 长度为工程可实现的最小长度，其结果是每一层高速线对应一种背钻深度，会增大工程实现复杂度和加工成本。因此，设计时一般将出线层分组，在信号质量允许的范围内，每组内的几层对应一种背钻深度。以目前国内PCB 厂家的加工能力，同一背

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步骤：点选

弹出如下菜单：

在列出的层中选择背钻深度相同的层为一种背钻，例如3、5、7、9层选择同一种被钻深度BackDrill1.然后选择Add Properities ，弹出如下菜单：

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将符合BackDrill1的网络添加进来。会弹出如下菜单：

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All rights reserved 版权所有，侵权必究 Page 14，Total 17 第14页，共17页在左边选择Back_Drill ，Value 中选Ture 。Ok 就行了。最后点选Creat Drill File 就生成了背钻文件。辅助工具将会自动输出需要的文件，分为2部分：说明的LOG 文件和PCB 加工用的TAP 文件。 LOG 文件内容是列出每个Drill 文件中的相关孔的信息，包括：孔径、所在器件Refdes 和Pin Number 、坐标、网络名和LLC 。

图9 LOG 文件内容示例

另外，辅助工具还提供了高亮BackDrill 文件的功能，用于检查Backdrill 的网络是否符合要求。注意：

1．BackDrill 辅助工具有个BUG ：如果PCB 图纸的坐标原点不在板框的左下角，需要手工调整坐标原点后再生成钻带文件，否则得到的背钻孔坐标位置是错误的。

2．本程序支持5种背钻深度，如果需要设置双面背钻（此时同一出线层可能对应两种背钻深度）或者需要设置5种以上的背钻深度，可以在生成钻孔文件之后，重新运行BackDrill 辅助工具，再次生成钻孔文件。由于每次生成新的文件时都会把上次生成的文件删除，PCB 文件目录下的TAP 文件一定是最新的。因此如果要保留先前的文件需要将其改名或者移至其他目录下。

附：Backdrill

辅助工具使用说明：背板BackDrill 工具说明.ppt

步骤5：修改生成的背钻钻带的文件名及注释说明。

修改tap 文件的文件名及注释说明，增加文件可读性。

1．辅助工具生成的钻带文件的命名为：Backdrill1.tap ——Backdrill5.tap ，文件的命名可读性较差，可以手工修改文件名，增加对Backdrll 的要求的描述。

例如：将文件命名为Backdrill_BOTTOM-L8.tap 。表示此文件内的钻孔深度为从BOTTOM 层钻到（但不包括）第8层。

2．根据需要修改文件的“; File : ……”后的说明。

3．程序生成的tap 的“; Holesize 1. ＝ 20.000000 NON_PLATED MILS ”为原始钻孔的孔径，

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文件的内容类似于以下格式。

图10 钻带文件内容示例

最后，将最终版本的一个或多个tap 文件和drl 文件一起放在光绘文件压缩包中，投板前需要将CAM 文件和所有的tap 文件和drl 文件调入CAM350中检查背钻孔的位置和数量是否正确。