淺談背板制作及發(fā)展趨勢(shì)

Paper Code: A-093

李 邛 胡永栓 李金鴻 任保偉 葛 春

珠海方正科技高密電子有限公司

淺談背板制作及發(fā)展趨勢(shì)

Paper Code: A-093

李 邛 胡永栓 李金鴻 任保偉 葛 春

珠海方正科技高密電子有限公司

背板是近年來(lái)發(fā)展迅速的PCB產(chǎn)品，集多種PCB制作技術(shù)難點(diǎn)于一身，代表了PCB行業(yè)的先進(jìn)技術(shù)。目前，背板在通信技術(shù)、航空航天以及軍工技術(shù)等領(lǐng)域獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，眾多實(shí)力雄厚的PCB廠商為此展開(kāi)了激烈的技術(shù)與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。本文對(duì)PCB制造業(yè)中背板制作難點(diǎn)及技術(shù)市場(chǎng)進(jìn)行了分析，可供同行參考借鑒。

背板

1 前言

背板是PCB制造業(yè)中非常具有專業(yè)化性質(zhì)的產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)參數(shù)與其它大多數(shù)電路板有很大不同，生產(chǎn)中需要滿足一些苛刻的要求，在噪聲容限和信號(hào)完整性方面，背板設(shè)計(jì)也要求遵從特有的設(shè)計(jì)規(guī)則。背板的這些特點(diǎn)，導(dǎo)致其對(duì)于設(shè)備類型和設(shè)備加工要求特殊，與常規(guī)產(chǎn)品制造要求存在巨大差異。未來(lái)的背板尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且要求應(yīng)用于前所未有的高時(shí)鐘頻率和帶寬范圍，因此信號(hào)線路和節(jié)點(diǎn)數(shù)將會(huì)不斷增高，一塊背板經(jīng)常包含5萬(wàn)個(gè)以上節(jié)點(diǎn)。本文針對(duì)背板制作技術(shù)難點(diǎn)，以及在中國(guó)及世界的分布趨勢(shì)、技術(shù)市場(chǎng)進(jìn)行分析，可供同行參考借鑒。

2 背板分類及特性

2.1 背板的定義與用途

背板英文為Backplane，是一種承載底板，可分配電源至插于其上的系統(tǒng)PCB板或連通各插板，主要用于伺服器及通訊基站。背板主要用于承載功能板（也稱子板或卡板），數(shù)量一般為5-10塊，這些功能板是真正實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的部分。根據(jù)產(chǎn)品功能不同，背板設(shè)計(jì)也有區(qū)別。出于可靠性考慮，背板大多是無(wú)源背板，負(fù)責(zé)各功能板之間傳輸信號(hào)數(shù)據(jù)。

2.2 背板特性

背板層數(shù)、尺寸、板厚等相關(guān)信息：

表1 背板信息表

3 背板制作難點(diǎn)分析

相比其他常規(guī)電路板，背板具有更大、更重、更厚的特性，也具有更多的層數(shù)和過(guò)孔，此外，線寬和公差更趨精細(xì)，內(nèi)層空間及層間對(duì)位公差要求也較為苛刻。

3.1 背板尺寸和重量對(duì)輸送系統(tǒng)的要求[1]

PCB制造設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為典型的450 mm×600 mm、525 mm×600 mm，而背板設(shè)計(jì)尺寸則更大（600 mm×914 mm、914 mm×1220 mm），特別是電信用戶的伺服器或者基站系統(tǒng)板，尺寸比普通的PCB板尺寸要大很多，由此推動(dòng)了對(duì)大尺寸板輸送工具的確認(rèn)和購(gòu)置需求。在PCB制造過(guò)程中為獲得更好的PCB線路，使電鍍均勻性更好，設(shè)計(jì)人員會(huì)加大PCB板的排版尺寸，這使得背板的尺寸在客戶設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)會(huì)變得更大。

客戶一方面要求背板內(nèi)層芯板更薄、另一方面又要求其層數(shù)、板厚更高，這帶來(lái)了輸送系統(tǒng)截然相反的兩方面的要求。傳送帶和輸送裝置必須能夠毫無(wú)損傷地拾取并輸送厚度小于0.050 mm（0.002 in）的大規(guī)格薄板片，同時(shí)還必須能夠輸送10 mm（0.394 in）厚、25 kg（56 bnl）重的板而不出現(xiàn)掉板、卡板情況。

內(nèi)層芯板的板厚0.050 mm（0.002 in）與最終完成的背板的厚度10 mm（0.39 in）間相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)，意味著輸送系統(tǒng)必須做到足夠結(jié)實(shí)，可以安全地將板件移送通過(guò)加工區(qū)。

3.2 層間對(duì)準(zhǔn)度要求

由于客戶端設(shè)計(jì)PCB板的層數(shù)越來(lái)越高，同時(shí)對(duì)PCB板層間對(duì)準(zhǔn)度要求也越來(lái)越高，層間對(duì)位要求公差在±75 μm內(nèi)，背板設(shè)計(jì)幾乎為單PCS/PNL設(shè)計(jì)且尺寸也較大，考慮到圖形轉(zhuǎn)移工序溫度及濕度環(huán)境因素的影響，圖形轉(zhuǎn)移PE值須控制在±50 mm，為達(dá)到此精度要求，圖形轉(zhuǎn)移制作須采用LDI機(jī)CCD對(duì)位。

圖1 PEP沖孔機(jī)

圖2 LDI直接成像機(jī)

層壓制作采用Pin LAM 壓合方式，PEP沖孔機(jī)沖出Pin LAM定位孔（PEP沖孔精度須達(dá)到±25 mm），對(duì)PEP沖孔機(jī)的CCD對(duì)位精度存在很大挑戰(zhàn)，層壓設(shè)備采用博可Pin LAM壓機(jī)，確保在壓合時(shí)層間不移動(dòng)，以便控制壓合后層間對(duì)位精度在±50 mm內(nèi)，用X-RAY檢測(cè)PCB板靶位空間距離來(lái)檢測(cè)PCB板壓合后層間偏移狀況，滿足PCB板高要求內(nèi)層空間設(shè)計(jì)。

圖3 博可Pin LAM壓機(jī)

圖4 X-RAY自動(dòng)打靶機(jī)

鉆孔制程采用日立高精度鉆孔機(jī)制作，制作過(guò)程中管控RUN OUT≤15 mm，鉆孔精度要求CPK≥1.33以上，以確保鉆孔工序?qū)娱g空間的貢獻(xiàn)度，因背板選材均為高Tg，低Z-CTE材料，其材料的剛性較強(qiáng)，鉆孔參數(shù)優(yōu)化仍為PCB制造廠商的一大難題。

圖5 日立鉆孔機(jī)

圖6 龍門式電鍍線

電鍍前去除Bur屑及披鋒非常重要，背板制作外層幾乎很少線路（除了信號(hào)線，阻抗線），外層表面主要為孔與信號(hào)屏蔽銅面，而PTH孔主要為壓件孔，對(duì)孔型要求精度之高可想而知（壓件孔電鍍后按照±2 mil控制），對(duì)電鍍深鍍能力及鍍銅均勻性也是一大挑戰(zhàn)，縱橫比2:1時(shí)深鍍能力須大于70%，均鍍能力要求COV值須在5%以內(nèi)，而電鍍過(guò)程由于大規(guī)格背板的獨(dú)有特征，夾具和輸送設(shè)備必須能夠同時(shí)傳送大尺寸板和重板。1092×813 mm（43×32英寸）的大規(guī)格原材料基板重量可達(dá)到25千克（56磅），PCB板必須能在輸送和加工過(guò)程中安全抓牢，另外電鍍槽的設(shè)計(jì)必須足夠深，以將PCB板完全容納進(jìn)去，并且還須保證PCB板的電鍍均勻性及電鍍深鍍能力。

3.3 圖形檢測(cè)及電性能檢測(cè)

因背板在外層主要為信號(hào)線、阻抗線、屏蔽層，其線路傳導(dǎo)主要在內(nèi)層，為確保在內(nèi)層蝕刻圖形后進(jìn)行缺陷檢測(cè)，蝕刻線寬線距、線銅厚度及公差管控成為關(guān)鍵指數(shù)，采用AOI檢測(cè)及確保制作圖形與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)匹配一致，若管控更為嚴(yán)格的阻抗線則會(huì)測(cè)量?jī)?nèi)層芯板阻抗線的低阻來(lái)確保外層阻抗OK。

背板上鉆孔數(shù)目的增大意味著裸板測(cè)試夾具將變得十分復(fù)雜，盡管采用專用夾具可大大縮短單位測(cè)試時(shí)間。為縮短生產(chǎn)流程和原型制造時(shí)間外層裸板電性能測(cè)試可采用雙面飛針?lè)绞?，用設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)與實(shí)際電性能測(cè)試進(jìn)行比較，確保與用戶設(shè)計(jì)要求一致性，而此類PCB板層數(shù)非常之高，飛針測(cè)試機(jī)均采用高電壓飛針測(cè)試（500 V），確保內(nèi)層空間的電性能測(cè)試可以滿足客戶設(shè)計(jì)要求，PCB板尺寸大，鉆孔孔數(shù)多的背板以及在背板上放置有源回路設(shè)計(jì)，推進(jìn)了在PCB板進(jìn)行元件裝填之前對(duì)裸板進(jìn)行嚴(yán)格檢驗(yàn)。

圖7 線寬測(cè)量?jī)x

圖8 TDR阻抗測(cè)試儀

圖9 飛針測(cè)試機(jī)

圖10 回流焊機(jī)臺(tái)

3.4 可靠性測(cè)試

傳統(tǒng)上為考慮PCB板的可靠度，傾向于在背板上使用無(wú)源元件，而今為保持有源板的固定成本,BGA等有源器件也逐漸添加到背板設(shè)計(jì)上來(lái)。元件安裝設(shè)備必須不僅能夠安放較小規(guī)格的電容器和電阻器，還必須能夠?qū)︻~外的硅封裝元件進(jìn)行操作。此外，背板的大規(guī)格化要求安裝設(shè)備的操作臺(tái)面要大，同時(shí)，重背板可進(jìn)行精細(xì)移位。

由于背板較常規(guī)的PCB板更厚、更重，相應(yīng)地其熱容也較大。鑒于背板冷卻速度較慢，回流焊爐的長(zhǎng)度須加長(zhǎng)，還需要在出口處添加強(qiáng)制空氣冷卻，使背板溫度降低到可安全操作的程度。

4 背板市場(chǎng)分布及發(fā)展趨勢(shì)

4.1 背板技術(shù)發(fā)展分析

全球PCB制造技術(shù)發(fā)展方向呈現(xiàn)嚴(yán)重兩級(jí)分化，個(gè)人消費(fèi)類朝線路細(xì)密、板厚薄、體積小、重量輕的HDI技術(shù)方向發(fā)展，而航空、通訊及軍事等領(lǐng)域?yàn)橹鞯谋嘲寮夹g(shù)則向高多層、尺寸大、高頻高速方向發(fā)展。背板設(shè)計(jì)參數(shù)與普通PCB板存在很大差異，在生產(chǎn)過(guò)程中必須滿足背板技術(shù)的要求，噪聲容限和信號(hào)完整性方面也要求遵從特有的設(shè)計(jì)規(guī)則。

與日本及歐美發(fā)展國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)相比，我國(guó)的生產(chǎn)技術(shù)仍在起步階段，在高端產(chǎn)品領(lǐng)域與國(guó)外相比存在很大差距，背板技術(shù)的難點(diǎn)在于可靠性、信號(hào)完整性要求更高，它涉及工藝流程、產(chǎn)品研發(fā)、測(cè)試等各個(gè)階段，我國(guó)PCB企業(yè)研發(fā)能力較弱也制約了背板的發(fā)展。

未來(lái)的背板尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且要求應(yīng)用于前所未有的高時(shí)鐘頻率和帶寬范圍。信號(hào)線路數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)將會(huì)不斷增高，一塊背板常包含5萬(wàn)個(gè)以上節(jié)點(diǎn)。終端產(chǎn)品要求背板在更高時(shí)鐘頻率和帶寬范圍內(nèi)工作，這是超越常規(guī)PCB制造線設(shè)備加工能力的需要，同時(shí)，背板尺寸更大、更重、更厚，比標(biāo)準(zhǔn)PCB板件要求有更多的層數(shù)和過(guò)孔，正是由于存在這些難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)背板制作水平還處于初步發(fā)展階段。

4.2 國(guó)內(nèi)背板技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)印刷電路板廠家很多能夠生產(chǎn)具有可靠度高的多層板，但可生產(chǎn)特種材料板及背板的廠家較少，而背板的生產(chǎn)需要較高的技術(shù)和設(shè)備投入，技術(shù)人員及生產(chǎn)工人的經(jīng)驗(yàn)積累也很重要，同時(shí)客戶認(rèn)證手續(xù)繁瑣，進(jìn)入門檻較高，客戶往往會(huì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期認(rèn)證后方與供應(yīng)商建立合作關(guān)系。隨著中國(guó)電信設(shè)備市場(chǎng)的復(fù)蘇，國(guó)內(nèi)廠商的機(jī)會(huì)增大，產(chǎn)品的市場(chǎng)前景較為樂(lè)觀。

國(guó)內(nèi)主要背板廠主要分布在華南與華東區(qū)域，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)及亞洲區(qū)域低成本制作對(duì)于歐美背板廠家有相當(dāng)大的沖擊，許多知名通信設(shè)備采購(gòu)商開(kāi)始轉(zhuǎn)向中國(guó)背板供應(yīng)商。與此同時(shí)，隨著3G牌照的發(fā)放，目前中國(guó)通信設(shè)備制造業(yè)發(fā)展相對(duì)迅速，為中國(guó)背板市場(chǎng)提供了前所未有的挑戰(zhàn)與機(jī)遇，不少PCB廠家紛紛投資擴(kuò)廠，其中特別引人注目的是珠海方正科技投資10多億元在重慶建立了月產(chǎn)30萬(wàn)平方尺的背板新廠，深南電路投資10億在深圳龍崗建立一個(gè)年產(chǎn)15億元的背板新廠，淮安富士康擴(kuò)建3期工程轉(zhuǎn)型制作高層板及背板等。

圖11 背板市場(chǎng)在全球區(qū)域分布狀況分析

圖12 背板應(yīng)用領(lǐng)域分布狀況分析[2][3]

4.3 背板市場(chǎng)性價(jià)比分析

4.3.1 背板產(chǎn)品性價(jià)比

背板產(chǎn)品為高性價(jià)比產(chǎn)品，其銷售價(jià)格均在500～3000美元，純利潤(rùn)可高達(dá)300%～500%不等，制作一塊26層，228 mm×305 mm小型背板，其售價(jià)高達(dá)500～1000美元。鑒于其制作難度要求，許多PCB廠家只能望洋興嘆，但是，如此性價(jià)比高的產(chǎn)品在終端一旦出現(xiàn)異常，其索賠價(jià)格也是很多PCB廠家非常敏感的問(wèn)題。

4.3.2 背板需求領(lǐng)域

背板產(chǎn)品的主要需求來(lái)自海外廠商，其中包括Cisco、HP、Google、Polycom、Siemens、IBM、DotHill、RedBack、DDI等，國(guó)內(nèi)主要廠商有華為，中興。

通信設(shè)備行業(yè)的企業(yè)數(shù)量近幾年來(lái)穩(wěn)中有升，該行業(yè)前10名收入占全行業(yè)收入比例已達(dá)50%，所以背板的需求量也很集中。在一些細(xì)分領(lǐng)域，集中度更高，甚至出現(xiàn)某種程度上的壟斷。

表2 背板應(yīng)用產(chǎn)品類型表

由于背板的“價(jià)高量少、集中度高”等特點(diǎn)，背板的營(yíng)銷策略是“鎖定大客戶”，如中興、華為，以國(guó)內(nèi)通信設(shè)備制造商為突破口，積極開(kāi)拓海外市場(chǎng)，逐步擊破國(guó)際一流通信設(shè)備制造商。從2012年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)背板應(yīng)用領(lǐng)域的分析情況來(lái)看，2012年～2016年的背板市場(chǎng)會(huì)存在上升趨勢(shì)，其中高多層背板將會(huì)有一個(gè)新的里程碑。

圖13 2012年背板應(yīng)用領(lǐng)域[2][3]

5 總結(jié)

從生產(chǎn)技術(shù)方面來(lái)看，背板技術(shù)涉及領(lǐng)域非常寬，制作難度相對(duì)較高，其相關(guān)制作技術(shù)、檢測(cè)設(shè)備以及專業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)是背板產(chǎn)業(yè)的核心，須充分考良市場(chǎng)與技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合，才能在其市場(chǎng)中占有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，在中國(guó)及周邊一些發(fā)展中國(guó)家的市場(chǎng)需求相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較搶勢(shì)的。

根據(jù)行業(yè)專家的分析，2008年經(jīng)濟(jì)危機(jī)的硝煙已經(jīng)接近尾聲，5年的經(jīng)濟(jì)低迷低潮即將過(guò)去，即將迎來(lái)PCB產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)復(fù)蘇，無(wú)論是國(guó)外還是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的客戶反映來(lái)看，2012年P(guān)CB市場(chǎng)前景不錯(cuò)，特別值得關(guān)注的是：軟硬結(jié)合板、高頻高速板、鋁基板、混壓板、系統(tǒng)HDI板等市場(chǎng)，在中國(guó)乃至全球PCB行業(yè)形勢(shì)逐漸走好的趨勢(shì)下，發(fā)展背板產(chǎn)業(yè)不失為重拾PCB商機(jī)的重大決策。

[1] 丁志廉. HKPCA會(huì)刊 第三期,2002/01.

[2] 印制電路資訊. http://www.pcbtimes.com.

[3] PCB信息網(wǎng). http://www.pcbinfo.net.

The Analysis Report of Backplane Production And Developed Tendency

LI Gong HU Yong-shuan LI Jin-hong REN Bao-wei GE Chun

Backplane was the PCB production that developed very fast for the past years, which had lots of diff i cult and particular technology in PCB manufacture, stood for the leading technology in PCB manufacture. at present, Backplane used widely in Communication technology, Aerospace technology, Military technology, and so on, lots of PCB manufacture had much intense competition in the technology and market areas. Based on the PCB manufacture, this paper is to analysis the backplane production and development tendency, to give references and suggestions for the PCB industry.

Backplane

TN41 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

1009-0096（2012）增刊-0388-07

李邛，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部高級(jí)研發(fā)工程師，主要負(fù)責(zé)新產(chǎn)品研發(fā)，E-mail：liqiong@founder.com。