雙面壓接背板可靠性研究

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

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)通信數據流量每年約增加50%，在全球互聯(lián)網(wǎng)數據流量中的占比從3G 網(wǎng)絡(luò )的0.9% 上漲到4G 網(wǎng)絡(luò )時(shí)代的32%?？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)國內5G 通信行業(yè)的快速發(fā)展，持續加強網(wǎng)絡(luò )擴容，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(zhuān)線(xiàn)架構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)鐘架構基礎的能力，支持寬帶、移動(dòng)通信、云專(zhuān)線(xiàn)綜合承載靈活演進(jìn)能力，同時(shí)末梢設備具備即插即用的部署能力。隨著(zhù)5G 技術(shù)的發(fā)展和全國范圍內的5G 市場(chǎng)布局，設備供應商需要不斷應對5G 業(yè)務(wù)的低時(shí)延、大流量、大帶寬的挑戰。

在通信設備中，背板作為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信基站中面積最大的線(xiàn)路板，用于連接、插接多塊單元板，承擔著(zhù)連接、支撐各功能模塊的物理和電氣互連、實(shí)現各子板信號傳輸的功能。隨著(zhù)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展以及用戶(hù)對大帶寬、大流量、高速率、高效率需求的激增，越來(lái)越多的數據鏈路要求通過(guò)背板布局走線(xiàn)，導致交換卡與線(xiàn)卡之間數據鏈路傳輸速率越來(lái)越高，同時(shí)背板中需要使用一定數量的高密連接器連接線(xiàn)卡和交換卡，導致現有的數據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也在不斷增加，集成度要求越來(lái)越高，要求信號損耗不斷減少，使高速背板的設計和工藝難度越來(lái)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），主要為設備系統中各子板提供數據互連通道，包括信號傳輸、電氣互連、接口管理等，在物理結構上起到對子卡的支撐作用。高速背板與普通背板的區別在于，高速背板上信號互連數據傳輸速率較高，PCB 材料及高速背板連接器都是高速傳輸信號相關(guān)的。

常見(jiàn)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柜機框中間，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(guò)正反兩面壓接的正交連接器互連，不需要背板PCB 布局走線(xiàn)，能夠大幅降低高速信號傳輸鏈路長(cháng)度，如圖3 所示。

圖3 正交背板

2   雙面壓接背板設計過(guò)程

雙面壓接背板一直是PCB 制造中具有專(zhuān)業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品。其設計與制造工藝與其他大多數電路板有著(zhù)很大區別，制造工藝中需要滿(mǎn)足一些定制化的苛刻要求，在噪聲容限和信號完整性方面也要求雙面壓接背板的設計遵從特有的設計規則。雙面壓接背板的這些特點(diǎn)導致其在設計之初以及設備規范和設備加工等制造要求方面與普通常規PCB 存在巨大差異。未來(lái)的高速背板尺寸更大、更復雜，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)，信號線(xiàn)路（track）數和節點(diǎn)數將會(huì )不斷增高。

因此完整的雙面壓接背板設計流程除了需要考慮客戶(hù)的定制化需求和遵循雙面壓接背板產(chǎn)品集成開(kāi)發(fā)流程之外，還應該結合產(chǎn)品硬件系統的完整架構考慮設計流程和制備工藝，主要是因為雙面壓接背板與產(chǎn)品硬件架構強相關(guān)，除了與系統內的各個(gè)硬件模塊都存在信號接口外，與整機機框結構設計也關(guān)系緊密。

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

3   雙面壓接背板制作流程

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

雙面壓接高速背板主要制作流程如下：L1（第1 層線(xiàn)路）-Ln/2（第n/2 層線(xiàn)路）：前期處理→沉銅→蝕刻→表面處理→；L1-Ln（第n 層線(xiàn)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(xiàn)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(kāi)蓋（成型盲孔壓接區）→電子測試→終檢→后期封裝^[3]。

4   雙面壓接背板的可靠性研究

背板作為電子系統的“大動(dòng)脈”，負責承載各種電子元器件并傳輸信號數據，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(zhù)5G 通信網(wǎng)絡(luò )的興起，電子產(chǎn)品勢必會(huì )向著(zhù)小型化、輕量化和多功能化要求邁進(jìn)；無(wú)鉛，無(wú)鹵等環(huán)保因素的推動(dòng)，對背板質(zhì)量和可靠性的要求也會(huì )愈來(lái)愈高，因此如何快速定位

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

以下將結合用戶(hù)的需求、雙面插接背板的結構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(hù)需求

用戶(hù)對能夠在復雜工況下正常工作的雙面背板的需求不斷增長(cháng)，要求背板制備設備加工能力需與時(shí)俱進(jìn)。尤其是要求雙面背板尺寸更重、更厚，比標準PCB 要求有更多的層數和穿孔。此外，雙面倍面所要求的線(xiàn)寬和公差更趨精細，需要采用混合總線(xiàn)結構和組裝技術(shù)。

4.2 背板尺寸和重量對輸送系統的要求

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)了對大尺寸板輸送工具的確認和購置需求。同時(shí)，設計人員為解決插接連接器的走線(xiàn)問(wèn)題不得不額外增加銅層，使背板層數增加。另一方面，苛刻的EMC 和阻抗條件也要求在設計中增加層數以確保充分的屏蔽作用，降低串擾，同時(shí)增進(jìn)信號完整性。

4.3 層的對位

為了滿(mǎn)足用戶(hù)應用的要求，雙面背板層數也越來(lái)越多，層間的對位變得十分重要。層間對位要求公差收斂。板尺寸變大使這種收斂要求更為苛刻。蝕刻以后，使用鉆孔系統設備對雙面背板層板穿孔。除了對鉆孔要求電鍍層厚度均勻外，雙面背板設計工程師一般對外層表面上銅的均勻性有著(zhù)不同的要求。一些設計在外層上要求蝕刻很少的信號線(xiàn)路。另一方面，面對高速數據率和阻抗控制線(xiàn)路的需求，外部層設置近乎固態(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(hù)的需要雙面背板有更多的層數，因而確保在粘合前對層間刻蝕層進(jìn)行缺陷識別和隔離至關(guān)重要。為實(shí)現雙面背板阻抗有效且可重復控制，蝕刻線(xiàn)寬度、厚度和公差成為關(guān)鍵指標。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光板進(jìn)行嚴格檢驗的需求。

另一方面，雙面背板上鉆孔數目的增大意味著(zhù)光板測試夾具將變得十分復雜，采用專(zhuān)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，用原始設計數據進(jìn)行編程，可確保與用戶(hù)設計要求的一致性，并降低成本，縮短上市時(shí)間。

4.5 封裝

傳統上，出于可靠性考慮，傾向于在背板上使用無(wú)源元件。但是，為保持有源板的固定成本，目前越來(lái)越多的源器件已設計出來(lái)并應用到雙面背板上。此外，雙面背板的大規格化要求封裝設備的臺床要大，且對重的雙面背板也能以精細的位置公差進(jìn)行移位。雙面背板較常規的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(cháng)度要加長(cháng)。此外，還需要對回流焊爐出口處進(jìn)行強制空氣冷卻，以使雙面背板溫度降低到可安全操作的程度。

5   結束語(yǔ)

從雙面壓接高速背板的主要制作流程可以發(fā)現，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(lèi)似于兩框背靠背集成；其系統制作工藝較為復雜，可靠性要求也比較高，相信隨著(zhù)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：

[1] 高曉峰.通訊信背板設計[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計[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(jiǎn)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年5月期）