背景

与上一代产品相同功能的设备相比，现今消费者对小型化提出了更高的要求，PCB正朝着更小的特征尺寸、更小的焊盘和钻孔间距方向发展，这导致了PCB层数的增加，以及镀覆孔到内层走线和平面的间距减少。在自动化测试设备市场尤其如此，此类PCB串联了测试仪、探针或插座与待测器件。最终会测试手机、平板电脑、笔记本电脑、智能汽车和许多其他类型便携式电子产品中芯片的所有功能。该市场的客户正在将PTH间距减小至0.40 mm，PTH到内层走线和平面的间距减小至0.0035英寸，所有这些PCB的层数都高达40层以上。这使得钻孔的厚径比通常都大于35∶1，大大增加了钻孔和电镀的难度。正如这一证据所表明的，这个市场开始需要设计属性远远超过传统制造工艺能力的PCB。

Integrated Test Corporation公司为了应对这一挑战，除了使用板与板连接器的工艺外，还使用导电膏的内部设计和制造工艺。这些工艺的设计可使更紧密的间距区域扇出到具有更易于管理的钻孔间距的区域，以此连接到另一个PCB。这样允许在较小的PCB上对较难处理的紧密间距区域进行多次处理，以减少PCB层数，并且由于较小的面板尺寸，可以更好地控制诸如PTH与层、层与层对准之类的操作。另一个优点是，可以完全通过制造过程完成PCB的生产，并在连接到同样经过全面测试的简单PCB上。除了上述优势外，还可降低成本、减少处理时间，同时可提高良率。另一个显著的优势是，由于所有的部件都完全经过了测试，制程最后不会出现意外的良率问题，不会对终端客户造成严重的延误。最后，利用带有专用子模块的通用主板，客户可以减少成本和缩短上市时间。

我们认为需要更好地了解这些互连方法在电气和机械方面对客户终端产品产生的影响。因此，决定对测试载体进行处理，描述每种互连类型的电气特征。这将使我们能够根据产品属性及期望更好地建议客户采用哪种互连类型。在我们的测试中，我们决定使用高厚径比的贯穿导通孔作为基准，并将其与烧结导通孔、Samtec Z-Ray©连接器、 Plastronics连接器、回流的焊料球套件和ISC International弹性体连接的导通孔进行比较。

 

测试载体和导通孔结构类型

测试载体由Probe Test Solutions公司完成。在我们的研究中，对照设计为0.160英寸厚的PCB，其上有0.006英寸的机械PTH（厚径比为27∶1）。导通孔连接到PCB顶部和底部表面的50欧姆阻抗控制的外层走线。然后，将每个走线连接到射频连接器（图1和图2）。这种导通孔结构代表了传统的通孔制造工艺，应该可实现最佳的电气性能。应该注意的是，在我们的测试中，放弃了设计仿真（包括导通孔阻抗），因为该测试只是为了比较互连方法。

图1：测试载体顶层及底层Gerber布局

图2：实际通孔测试载体

其余的测试载体设计为两块独立的0.080英寸厚PCB，每个PCB都有一个0.006英寸的机械PTH。顶部的PCB在顶层有50欧姆的阻抗控制走线，只有底层有焊盘。底部的PCB将是一个镜像，顶层只有焊盘，底层有50欧姆的阻抗控制走线。然后，通过各种方法（烧结、Samtec Z-Ray©连接器、Platronics连接器、回流的焊料球套件和ISC International弹性体）连接到配对的部件。对于所包括的每种互连类型的具体情况，在下面的段落中有详细说明和对应的剖面视图。

烧结连接在两个完成的PTH之间添加b阶介质和烧结膏。烧结膏和周围的b级电介质在层压周期中一同固化。这将导致PCB之间的永久性结合。由于这种结合是通过与每个已完成的PCB中包含的物质类似的b阶介质一起完成的，因此通常将形成热稳结合。图3显示了这种导通孔连接的剖面图示例。图4显示了在此工艺中完成的PCB。

图3：烧结结合横截面

图4：烧结PCB

本研究中所使用的Samtec Z-Ray©连接器由组装在0.040“FR-4基板上的铍铜接触点组成。这些接触点的设计间距与测试载体顶部和底部的间距相同，当被压缩时，实现电气连接。由于这是一个连接器，这种解决方案不会形成永久性的结合；因此，它是可移动的。图5和图6分别显示了Plastronics连接器采用了其HPin技术，该技术由BeCu组成，然后镀金，用不锈钢弹簧进行压缩。将其组装到0.040英寸基板上，每侧表面上有0.10mm至0.15mm长的销钉。这种解决方案也不会形成永久的结合。其俯视图和仰视图如图7和8所示。

图5: Samtec Z-Ray©连接器 Z轴视图

图6：Samtec Z-Ray©连接器剖面示意图

图7：Plastronics 400 T033 HPin连接器， 俯视图

图8：Plastronics 400 T033 HPin连接器， 仰视图

对于回流的焊料球测试载体，采购了与测试载体相同间距的焊料球套件，然后将2个测试载体一起回流。这种结构的剖面如图9所示。令人惊讶的是，这恰好是我们测试中成本最高的解决方案之一。

图9：回流焊后的焊料球剖面

使用的ISC International弹性体是由一种专用的硅橡胶组成的。这种专用的硅橡胶形成接触点，填充有导电材料。当被压缩时，这些与我们的测试载体有相同间距设计的接触点，在其顶部和底部之间形成电气连接。Z轴视图和两个剖面视图分别如图10、图11和图12所示。弹性体解决方案和连接器解决方案的一个优势是，由于它们不形成永久性结合，主体PCB可以是通用的，并且可设计用于连接和附加到许多其他PCB，每个PCB可具有不同的设计和功能。

图10：ISC International弹性体的Z轴视图

图11：ISC International弹性体剖面图1

图12：ISC International弹性体剖面图2

作者简介：

Brand Sherrieb 目前担任位于德州达拉斯的Integrated Test Corporation公司工艺工程经理。拥有机械工程学位， 有15 年的制造行业工艺工程经验，重点研究机械和热工艺。
Steve Karas 有10 年以上的制造经验，曾在多个市场领域工作。他一直担任多种PCB 流程的工艺工程师，以及新产品发布的产品工程师。Steve 目前担任负责产品开发的工程经理，职责涉及计划、技术客户服务、NPI、NTI，以及路线图开发。他拥有巴法罗大学的化学学位，接受过各种制造方法（如精益六西格码）的高级培训。

由于篇幅有限，本文节选刊登，更多内容可点击在线阅读，本文发表于《PCB007中国线上杂志》7月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。   

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