高速PCB设计中的背钻技术解析

光著貔股的猫

那么在进行本文解析前，大家需要带着以下两个问题思考：
1、为什么PCB要做Backdrill设计？
2、究竟多高速率的信号需要在PCB设计时应用Backdrill技术？
一、为什么要做Backdrill设计呢？

首先，高速互连链路的组成要素：

①发送端芯片（封装与PCB过孔）
②子卡PCB走线
③子卡连接器
④背板PCB走线
⑤对侧子卡连接器
⑥对侧子卡PCB走线
⑦AC耦合电容
⑧接收端芯片（封装与PCB过孔）

下图所示是一个典型的高速信号互连链路：



典型的高速信号互连链路

可以看出，实际电子产品的高速信号互连链路是比较复杂的，而且通常在不同部件连接点处是会产生阻抗失配的问题、从而造成信号的发射。
高速互连链路常见的阻抗不连续点：

（1）芯片封装：通常芯片封装基板内的PCB走线线宽会比普通PCB板细很多，阻抗控制不容易；
（2）PCB过孔：PCB过孔通常为容性效应，特征阻抗偏低，PCB设计最应该关注与优化；
（3）连接器：连接器内铜互连链路的设计要同时受到机械可靠性与电气性能的双重影响，在两者之间寻求平衡；

如上面图片所示，PCB的过孔通常为通孔设计（从Top表层贯通到Bottom底层），当连接过孔的PCB走线比较靠近TOP层时，就会在PCB互连链路的过孔处产生“Stub”分叉，造成信号的反射、影响信号质量，这种影响对于越高速的信号影响越大。



高速互连链路的S参数曲线

上图是一个高速互连链路的S参数曲线，绿色标识No Backdrill的曲线为互连链路的插损，可以看到在4.0~4.5GHz频点存在明显的最大谐振，这种谐振从2.5GHz频点已经开始显现。PCB通孔的Stub影响，一方面体现在阻抗连续性的破坏，另一方面体现在链路高频损耗的恶化。因此，需要想办法把PCB通孔的Stub去除，Backdrill就是这样一种PCB加工技术。
二、Backdrill的加工方法简介

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。
如下图所示，通孔成型后，通过从“背面”的二次钻孔，去除PCB通孔的多余Stub，当然Backdrill钻头的直径要大于通孔的孔直径，而且要根据加工钻孔的深度工艺公差水平在“不能破坏PCB孔与走线连接”的基础上保证“剩余Stub长度尽可能小”，即所谓的“控深钻孔”。



通孔BackDrill剖面示意图

上图为通孔BackDrill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层一直钻到走线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。
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



双面背钻

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。
三、BackDrill在PCB设计中的规则

（1）压接连接器PCB孔的“剩余孔壁长度”

下图中，要求：L≥L1+12mil


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1。
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。



（2）Backdrill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。背钻孔深度控制建议在两层之间，两层之间厚度要求≥12mil


举例说明：背钻孔1，当相邻两层（如L12/L13、L13/L14）间距不满足≥12mil，而L12/L14层间距≥12mil时，推荐背钻孔深控制在L12/L14之间；背钻孔2/3，当L9/L10层间距≥12mil时，推荐背钻孔深控制在L9/L10之间。
（3）PCB走线到背钻孔的间距

PCB走线到背钻孔边缘距离≥10mil。


（4）背钻孔的孔径尺寸

背钻孔径（D）＝钻孔直径（d）＋10mil


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。
（5）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。
（6）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.
Tips:背钻孔背钻面不能同时用作ICT测试。
四、究竟多高速率的信号需要在PCB设计时应用Backdrill技术？

通常的认识：≥5Gbps速率的信号需要考虑增加Backdrill设计。
当然，高速互连链路的设计是个系统工程，如果芯片驱动能力足够强，亦或系统互连链路不那么长，也许不做Backdrill设计信号质量同样能过关。所以最靠谱的做法还是通过系统互连链路仿真的方法来确定是否需要Backdrill。
笔者曾经遇到过这样一个案例：ATCA架构系统的高速互连链路，高速Serdes信号速率3.125Gbps，链路互连总长度40inch，不幸的是芯片驱动能力偏弱，信号会偶发误码，尝试多种整改手段无效。最后尝试了对Backplane背板的连接器通过做Backdrill处理，误码小时、问题解决。也许此案例中的芯片驱动能力就差Backdrill对链路性能改善那么一点点效果吧。

伤心的稻草人

元芳你怎么看？