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

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

背板是近年來發(fā)展迅速的PCB產(chǎn)品，集多種PCB制作技術(shù)難點于一身，代表了PCB行業(yè)的先進技術(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)域獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，眾多實力雄厚的PCB廠商為此展開了激烈的技術(shù)與市場競爭。本文對PCB制造業(yè)中背板制作難點及技術(shù)市場進行了分析，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，在噪聲容限和信號完整性方面，背板設(shè)計也要求遵從特有的設(shè)計規(guī)則。背板的這些特點，導(dǎo)致其對于設(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鐘頻率和帶寬范圍，因此信號線路和節(jié)點數(shù)將會不斷增高，一塊背板經(jīng)常包含5萬個以上節(jié)點。本文針對背板制作技術(shù)難點，以及在中國及世界的分布趨勢、技術(shù)市場進行分析，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)計也有區(qū)別。出于可靠性考慮，背板大多是無源背板，負責(zé)各功能板之間傳輸信號數(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)和過孔，此外，線寬和公差更趨精細，內(nèi)層空間及層間對位公差要求也較為苛刻。

3.1 背板尺寸和重量對輸送系統(tǒng)的要求[1]

PCB制造設(shè)備的標準尺寸為典型的450 mm×600 mm、525 mm×600 mm，而背板設(shè)計尺寸則更大（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，由此推動了對大尺寸板輸送工具的確認和購置需求。在PCB制造過程中為獲得更好的PCB線路，使電鍍均勻性更好，設(shè)計人員會加大PCB板的排版尺寸，這使得背板的尺寸在客戶設(shè)計的基礎(chǔ)會變得更大。

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）間相差兩個數(shù)量級，意味著輸送系統(tǒng)必須做到足夠結(jié)實，可以安全地將板件移送通過加工區(qū)。

3.2 層間對準度要求

由于客戶端設(shè)計PCB板的層數(shù)越來越高，同時對PCB板層間對準度要求也越來越高，層間對位要求公差在±75 μm內(nèi)，背板設(shè)計幾乎為單PCS/PNL設(shè)計且尺寸也較大，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，為達到此精度要求，圖形轉(zhuǎn)移制作須采用LDI機CCD對位。

圖1 PEP沖孔機

圖2 LDI直接成像機

層壓制作采用Pin LAM 壓合方式，PEP沖孔機沖出Pin LAM定位孔（PEP沖孔精度須達到±25 mm），對PEP沖孔機的CCD對位精度存在很大挑戰(zhàn)，層壓設(shè)備采用博可Pin LAM壓機，確保在壓合時層間不移動，以便控制壓合后層間對位精度在±50 mm內(nèi)，用X-RAY檢測PCB板靶位空間距離來檢測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。

圖3 博可Pin LAM壓機

圖4 X-RAY自動打靶機

鉆孔制程采用日立高精度鉆孔機制作，制作過程中管控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空間的貢獻度，因背板選材均為高Tg，低Z-CTE材料，其材料的剛性較強，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

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（除了信號線，阻抗線），外層表面主要為孔與信號屏蔽銅面，而PTH孔主要為壓件孔，對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)，而電鍍過程由于大規(guī)格背板的獨有特征，夾具和輸送設(shè)備必須能夠同時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到25千克（56磅），PCB板必須能在輸送和加工過程中安全抓牢，另外電鍍槽的設(shè)計必須足夠深，以將PCB板完全容納進去，并且還須保證PCB板的電鍍均勻性及電鍍深鍍能力。

3.3 圖形檢測及電性能檢測

因背板在外層主要為信號線、阻抗線、屏蔽層，其線路傳導(dǎo)主要在內(nèi)層，為確保在內(nèi)層蝕刻圖形后進行缺陷檢測，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檢測及確保制作圖形與設(shè)計數(shù)據(jù)匹配一致，若管控更為嚴格的阻抗線則會測量內(nèi)層芯板阻抗線的低阻來確保外層阻抗OK。

背板上鉆孔數(shù)目的增大意味著裸板測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試時間。為縮短生產(chǎn)流程和原型制造時間外層裸板電性能測試可采用雙面飛針方式，用設(shè)計原始數(shù)據(jù)與實際電性能測試進行比較，確保與用戶設(shè)計要求一致性，而此類PCB板層數(shù)非常之高，飛針測試機均采用高電壓飛針測試（500 V），確保內(nèi)層空間的電性能測試可以滿足客戶設(shè)計要求，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，推進了在PCB板進行元件裝填之前對裸板進行嚴格檢驗。

圖7 線寬測量儀

圖8 TDR阻抗測試儀

圖9 飛針測試機

圖10 回流焊機臺

3.4 可靠性測試

傳統(tǒng)上為考慮PCB板的可靠度，傾向于在背板上使用無源元件，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)計上來。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)︻~外的硅封裝元件進行操作。此外，背板的大規(guī)格化要求安裝設(shè)備的操作臺面要大，同時，重背板可進行精細移位。

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，回流焊爐的長度須加長，還需要在出口處添加強制空氣冷卻，使背板溫度降低到可安全操作的程度。

4 背板市場分布及發(fā)展趨勢

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)嚴重兩級分化，個人消費類朝線路細密、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)域為主的背板技術(shù)則向高多層、尺寸大、高頻高速方向發(fā)展。背板設(shè)計參數(shù)與普通PCB板存在很大差異，在生產(chǎn)過程中必須滿足背板技術(shù)的要求，噪聲容限和信號完整性方面也要求遵從特有的設(shè)計規(guī)則。

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

未來的背板尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，且要求應(yīng)用于前所未有的高時鐘頻率和帶寬范圍。信號線路數(shù)和節(jié)點數(shù)將會不斷增高，一塊背板常包含5萬個以上節(jié)點。終端產(chǎn)品要求背板在更高時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，背板尺寸更大、更重、更厚，比標準PCB板件要求有更多的層數(shù)和過孔，正是由于存在這些難點，國內(nèi)背板制作水平還處于初步發(fā)展階段。

4.2 國內(nèi)背板技術(shù)發(fā)展趨勢

國內(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)驗積累也很重要，同時客戶認證手續(xù)繁瑣，進入門檻較高，客戶往往會經(jīng)過長期認證后方與供應(yīng)商建立合作關(guān)系。隨著中國電信設(shè)備市場的復(fù)蘇，國內(nèi)廠商的機會增大，產(chǎn)品的市場前景較為樂觀。

國內(nèi)主要背板廠主要分布在華南與華東區(qū)域，近年來，國內(nèi)及亞洲區(qū)域低成本制作對于歐美背板廠家有相當大的沖擊，許多知名通信設(shè)備采購商開始轉(zhuǎn)向中國背板供應(yīng)商。與此同時，隨著3G牌照的發(fā)放，目前中國通信設(shè)備制造業(yè)發(fā)展相對迅速，為中國背板市場提供了前所未有的挑戰(zhàn)與機遇，不少PCB廠家紛紛投資擴廠，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年產(chǎn)15億元的背板新廠，淮安富士康擴建3期工程轉(zhuǎn)型制作高層板及背板等。

圖11 背板市場在全球區(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 背板市場性價比分析

4.3.1 背板產(chǎn)品性價比

背板產(chǎn)品為高性價比產(chǎn)品，其銷售價格均在500～3000美元，純利潤可高達300%～500%不等，制作一塊26層，228 mm×305 mm小型背板，其售價高達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，如此性價比高的產(chǎn)品在終端一旦出現(xiàn)異常，其索賠價格也是很多PCB廠家非常敏感的問題。

4.3.2 背板需求領(lǐng)域

背板產(chǎn)品的主要需求來自海外廠商，其中包括Cisco、HP、Google、Polycom、Siemens、IBM、DotHill、RedBack、DDI等，國內(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50%，所以背板的需求量也很集中。在一些細分領(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“價高量少、集中度高”等特點，背板的營銷策略是“鎖定大客戶”，如中興、華為，以國內(nèi)通信設(shè)備制造商為突破口，積極開拓海外市場，逐步擊破國際一流通信設(shè)備制造商。從2012年國內(nèi)市場背板應(yīng)用領(lǐng)域的分析情況來看，2012年～2016年的背板市場會存在上升趨勢，其中高多層背板將會有一個新的里程碑。

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)方面來看，背板技術(shù)涉及領(lǐng)域非常寬，制作難度相對較高，其相關(guān)制作技術(shù)、檢測設(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，須充分考良市場與技術(shù)的強強結(jié)合，才能在其市場中占有相對優(yōu)勢，在中國及周邊一些發(fā)展中國家的市場需求相對來說是比較搶勢的。

根據(jù)行業(yè)專家的分析，2008年經(jīng)濟危機的硝煙已經(jīng)接近尾聲，5年的經(jīng)濟低迷低潮即將過去，即將迎來PCB產(chǎn)業(yè)的市場復(fù)蘇，無論是國外還是國內(nèi)市場的客戶反映來看，2012年P(guān)CB市場前景不錯，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，在中國乃至全球PCB行業(yè)形勢逐漸走好的趨勢下，發(fā)展背板產(chǎn)業(yè)不失為重拾PCB商機的重大決策。

[1] 丁志廉. HKPCA會刊 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">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2012）增刊-0388-07

李邛，新產(chǎn)品開發(fā)部高級研發(fā)工程師，主要負責(zé)新產(chǎn)品研發(fā)，E-mail：liqiong@founder.com。