雙面壓接背板可靠性研究

作者簡介：齊丹（1999—），女，檢測技術(shù)研究，質(zhì)量工程師；劉彥強(qiáng)（1994—），男，失效分析，助理工程師；施清清（1982—），男，可靠性研究，中級(jí)工程師。三人主要從事家用電器安規(guī)檢測工作。

0   引言

從3G 通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到4G 網(wǎng)絡(luò)，全球移動(dòng)通信數(shù)據(jù)流量每年約增加50%，在全球互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流量中的占比從3G 網(wǎng)絡(luò)的0.9% 上漲到4G 網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的32%?？梢灶A(yù)見，隨著國內(nèi)5G 通信行業(yè)的快速發(fā)展，持續(xù)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，5G 通信網(wǎng)絡(luò)勢必將承載更大的流量。5G 承載網(wǎng)是一個(gè)集寬帶、移動(dòng)通信、云專線架構(gòu)于一體的綜合承載移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，需要具備1~2 倍站點(diǎn)帶寬演進(jìn)、10G~100G 承載、極低時(shí)延、高精度時(shí)鐘架構(gòu)基礎(chǔ)的能力，支持寬帶、移動(dòng)通信、云專線綜合承載靈活演進(jìn)能力，同時(shí)末梢設(shè)備具備即插即用的部署能力。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展和全國范圍內(nèi)的5G 市場布局，設(shè)備供應(yīng)商需要不斷應(yīng)對(duì)5G 業(yè)務(wù)的低時(shí)延、大流量、大帶寬的挑戰(zhàn)。

在通信設(shè)備中，背板作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信基站中面積最大的線路板，用于連接、插接多塊單元板，承擔(dān)著連接、支撐各功能模塊的物理和電氣互連、實(shí)現(xiàn)各子板信號(hào)傳輸?shù)墓δ?。隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及用戶對(duì)大帶寬、大流量、高速率、高效率需求的激增，越來越多的數(shù)據(jù)鏈路要求通過背板布局走線，導(dǎo)致交換卡與線卡之間數(shù)據(jù)鏈路傳輸速率越來越高，同時(shí)背板中需要使用一定數(shù)量的高密連接器連接線卡和交換卡，導(dǎo)致現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率已接近于背板傳輸速率。因此背板印制電路板的高速材料用量和層數(shù)也在不斷增加，集成度要求越來越高，要求信號(hào)損耗不斷減少，使高速背板的設(shè)計(jì)和工藝難度越來越大^[1]。

1   高速背板概述

背板本身是一種較為特殊的電路板（PCB），主要為設(shè)備系統(tǒng)中各子板提供數(shù)據(jù)互連通道，包括信號(hào)傳輸、電氣互連、接口管理等，在物理結(jié)構(gòu)上起到對(duì)子卡的支撐作用。高速背板與普通背板的區(qū)別在于，高速背板上信號(hào)互連數(shù)據(jù)傳輸速率較高，PCB 材料及高速背板連接器都是高速傳輸信號(hào)相關(guān)的。

常見的高速背板按照物理形態(tài)可以分為兩種：Backplane 和Midplane，也就是單面插接背板和雙面插接背板。

單面插接背板與其他電子硬件模塊的接口僅位于背板PCBA 的單面，如圖1 所示。

圖1 單面高速背板

雙面插接背板與其他電子硬件模塊的接口連接器位于背板PCBA 的上下兩面，且雙面插接背板需安裝于整機(jī)柜機(jī)框中間，方便安裝前后子卡或模塊，如圖2 所示。

正面

反面

圖2 雙面高速背板

在雙面插接背板中，存在一種特殊形態(tài)的“正交背板”，即前后插板通過正反兩面壓接的正交連接器互連，不需要背板PCB 布局走線，能夠大幅降低高速信號(hào)傳輸鏈路長度，如圖3 所示。

圖3 正交背板

2   雙面壓接背板設(shè)計(jì)過程

雙面壓接背板一直是PCB 制造中具有專業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品。其設(shè)計(jì)與制造工藝與其他大多數(shù)電路板有著很大區(qū)別，制造工藝中需要滿足一些定制化的苛刻要求，在噪聲容限和信號(hào)完整性方面也要求雙面壓接背板的設(shè)計(jì)遵從特有的設(shè)計(jì)規(guī)則。雙面壓接背板的這些特點(diǎn)導(dǎo)致其在設(shè)計(jì)之初以及設(shè)備規(guī)范和設(shè)備加工等制造要求方面與普通常規(guī)PCB 存在巨大差異。未來的高速背板尺寸更大、更復(fù)雜，且工況要求相比以往工作時(shí)鐘頻率更高，帶寬范圍更廣，與此同時(shí)，信號(hào)線路（track）數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)將會(huì)不斷增高。

因此完整的雙面壓接背板設(shè)計(jì)流程除了需要考慮客戶的定制化需求和遵循雙面壓接背板產(chǎn)品集成開發(fā)流程之外，還應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品硬件系統(tǒng)的完整架構(gòu)考慮設(shè)計(jì)流程和制備工藝，主要是因?yàn)殡p面壓接背板與產(chǎn)品硬件架構(gòu)強(qiáng)相關(guān)，除了與系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)硬件模塊都存在信號(hào)接口外，與整機(jī)機(jī)框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也關(guān)系緊密。

雙面壓接背板的設(shè)計(jì)流程主要包含下列設(shè)計(jì)階段：關(guān)鍵技術(shù)論證→硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)→總體方案設(shè)計(jì)→ PINMAP 設(shè)計(jì)→原理圖設(shè)計(jì)→ PCB 設(shè)計(jì)→ UT 測試→系統(tǒng)集成測試^[2]。

3   雙面壓接背板制作流程

目前隨著5G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)電子元器件集成度要求的提高，采用雙面插接背板擴(kuò)展背板槽位接口數(shù)量已成為背板技術(shù)發(fā)展的前沿趨勢。雙面背板上槽位數(shù)目的倍增使硬件架構(gòu)系統(tǒng)業(yè)務(wù)在背板上的配置更加均衡，直接帶來PCB 布局設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性，同時(shí)也為多硬件系統(tǒng)集成提供了可能性。

雙面壓接高速背板主要制作流程如下：L1（第1 層線路）-Ln/2（第n/2 層線路）：前期處理→沉銅→蝕刻→表面處理→；L1-Ln（第n 層線路）：層壓→鉆孔→沉銅/ 加厚銅→背鉆→蝕刻→阻焊→；Ln/2+1（第n/2+1 層線路）-Ln：前期處理→沉銅→蝕刻→表面處理→；雙面壓接高速背板：表面處理→銑板→開蓋（成型盲孔壓接區(qū)）→電子測試→終檢→后期封裝^[3]。

4   雙面壓接背板的可靠性研究

背板作為電子系統(tǒng)的“大動(dòng)脈”，負(fù)責(zé)承載各種電子元器件并傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)，其質(zhì)量和可靠性與整個(gè)電子封裝產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性息息相關(guān)。而隨著5G 通信網(wǎng)絡(luò)的興起，電子產(chǎn)品勢必會(huì)向著小型化、輕量化和多功能化要求邁進(jìn)；無鉛，無鹵等環(huán)保因素的推動(dòng)，對(duì)背板質(zhì)量和可靠性的要求也會(huì)愈來愈高，因此如何快速定位

雙面插接背板可靠性的問題并提升其可靠性將成為新的技術(shù)難點(diǎn)。

以下將結(jié)合用戶的需求、雙面插接背板的結(jié)構(gòu)要求和制造封裝工藝等方面探究雙面壓接背板的可靠性。

4.1 用戶需求

用戶對(duì)能夠在復(fù)雜工況下正常工作的雙面背板的需求不斷增長，要求背板制備設(shè)備加工能力需與時(shí)俱進(jìn)。尤其是要求雙面背板尺寸更重、更厚，比標(biāo)準(zhǔn)PCB 要求有更多的層數(shù)和穿孔。此外，雙面倍面所要求的線寬和公差更趨精細(xì)，需要采用混合總線結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)。

4.2 背板尺寸和重量對(duì)輸送系統(tǒng)的要求

雙面背板與背板間的最大不同在于前者需正反插接連接器，要求兩面板子使用厚尺寸以及大而重的原材料基板，由此推動(dòng)了對(duì)大尺寸板輸送工具的確認(rèn)和購置需求。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員為解決插接連接器的走線問題不得不額外增加銅層，使背板層數(shù)增加。另一方面，苛刻的EMC 和阻抗條件也要求在設(shè)計(jì)中增加層數(shù)以確保充分的屏蔽作用，降低串?dāng)_，同時(shí)增進(jìn)信號(hào)完整性。

4.3 層的對(duì)位

為了滿足用戶應(yīng)用的要求，雙面背板層數(shù)也越來越多，層間的對(duì)位變得十分重要。層間對(duì)位要求公差收斂。板尺寸變大使這種收斂要求更為苛刻。蝕刻以后，使用鉆孔系統(tǒng)設(shè)備對(duì)雙面背板層板穿孔。除了對(duì)鉆孔要求電鍍層厚度均勻外，雙面背板設(shè)計(jì)工程師一般對(duì)外層表面上銅的均勻性有著不同的要求。一些設(shè)計(jì)在外層上要求蝕刻很少的信號(hào)線路。另一方面，面對(duì)高速數(shù)據(jù)率和阻抗控制線路的需求，外部層設(shè)置近乎固態(tài)的銅薄片將變得十分必要，以作EMC 屏蔽層之用^[4-5]。

4.4 檢測

由于用戶的需要雙面背板有更多的層數(shù)，因而確保在粘合前對(duì)層間刻蝕層進(jìn)行缺陷識(shí)別和隔離至關(guān)重要。為實(shí)現(xiàn)雙面背板阻抗有效且可重復(fù)控制，蝕刻線寬度、厚度和公差成為關(guān)鍵指標(biāo)。大尺寸多鉆孔的雙面背板以及在雙面背板上放置有源回路，共同推進(jìn)了在進(jìn)行電子元件裝填之前對(duì)光板進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)的需求。

另一方面，雙面背板上鉆孔數(shù)目的增大意味著光板測試夾具將變得十分復(fù)雜，采用專用工裝夾具可大大縮短單位測試時(shí)間。如采用雙面飛針探測夾具，用原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編程，可確保與用戶設(shè)計(jì)要求的一致性，并降低成本，縮短上市時(shí)間。

4.5 封裝

傳統(tǒng)上，出于可靠性考慮，傾向于在背板上使用無源元件。但是，為保持有源板的固定成本，目前越來越多的源器件已設(shè)計(jì)出來并應(yīng)用到雙面背板上。此外，雙面背板的大規(guī)格化要求封裝設(shè)備的臺(tái)床要大，且對(duì)重的雙面背板也能以精細(xì)的位置公差進(jìn)行移位。雙面背板較常規(guī)的PCB 更厚更重，熱容也較大。鑒于雙面背板冷卻速度較慢，因此回流焊爐的長度要加長。此外，還需要對(duì)回流焊爐出口處進(jìn)行強(qiáng)制空氣冷卻，以使雙面背板溫度降低到可安全操作的程度。

5   結(jié)束語

從雙面壓接高速背板的主要制作流程可以發(fā)現(xiàn)，一般的雙面插接背板有一個(gè)難以克服的缺點(diǎn)，即前、后槽位的單板不能通用，本質(zhì)上類似于兩框背靠背集成；其系統(tǒng)制作工藝較為復(fù)雜，可靠性要求也比較高，相信隨著制備工藝技術(shù)的積累，雙面壓接面板的可靠性會(huì)得到極大提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高曉峰.通訊信背板設(shè)計(jì)[J].中國新通信,2014,16(13):89-91.

[2] 鄔文.一種IC測試儀的背板模塊設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2020.

[3] 任堯儒,王小平.雙面壓接背板可靠性研究[J].印制電路信息,2018,26(04):35-44.

[4] 孟凡義.背板加工技術(shù)簡述[J].印制電路信息,2014(04):169-174.

[5] 敖四超,鐘宇玲,劉建輝,等.大尺寸背板制作技術(shù)研究[J].印制電路信息,2016,24(04):17-22+66.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）