別讓孔偏毀了信號(hào)！PCB 背鉆的 XY 精準(zhǔn)度如何做到分毫不差？

高速先生成員--王輝東

上期文章SI大神黃剛寫(xiě)一篇在于背鉆STUB的文章《PCB仿真結(jié)果天下無(wú)敵，板廠加工讓你一敗涂地》，十分火爆，講了一博PCB新工廠做出來(lái)的背鉆stub的效果特別好(2MIL左右)，一次就過(guò)了測(cè)試。

那么究竟這么短的STUB工廠是怎么加工出來(lái)的的呢，我們今天就深入鉆孔車間，從最基本的的原理和操作，來(lái)為大家揭謎。

背鉆的作用是什么

背鉆的核心作用：解決 Stub 對(duì)信號(hào)的負(fù)面影響

從上圖中我們可以看出，Stub 看似是 “無(wú)用的銅柱”，但在高速信號(hào)傳輸場(chǎng)景中，會(huì)成為嚴(yán)重的信號(hào)干擾源，具體影響如下：

1. 導(dǎo)致信號(hào)反射與損耗

? 高速信號(hào)（如 10Gbps 以上的以太網(wǎng)、DDR 信號(hào)）在傳輸時(shí)，Stub 相當(dāng)于一段 “終端未匹配的傳輸線”。當(dāng)信號(hào)到達(dá) Stub 的末端時(shí)，會(huì)因阻抗不連續(xù)（Stub 的特性阻抗與主傳輸線不一致）發(fā)生信號(hào)反射，導(dǎo)致信號(hào)波形失真（如過(guò)沖、振蕩）。

? 反射信號(hào)與原始信號(hào)疊加后，會(huì)降低信號(hào)的信噪比（SNR），可能引發(fā)數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤（如誤碼率上升）。

2. 增加信號(hào)延遲與串?dāng)_

? Stub 本身具有寄生電感和電容，會(huì)改變信號(hào)的傳輸延遲（Time Delay），尤其在高頻場(chǎng)景下，延遲可能超出時(shí)序要求（如高速芯片的 Setup/Hold 時(shí)間窗口）。

? 相鄰 Stub 之間會(huì)通過(guò)電磁耦合產(chǎn)生串?dāng)_（Crosstalk），即一個(gè)信號(hào)的能量干擾到相鄰信號(hào)，進(jìn)一步惡化信號(hào)質(zhì)量。

3. 影響 PCB 的散熱與可靠性

? 多余的 Stub 會(huì)增加 PCB 的銅層面積，在高密度板中可能導(dǎo)致局部散熱不暢（尤其大功率器件附近）。

? 若 Stub 長(zhǎng)期處于高頻信號(hào)環(huán)境中，可能因焦耳熱積累導(dǎo)致銅層疲勞，降低 PCB 的長(zhǎng)期可靠性。

為分析背鉆stub所帶來(lái)信號(hào)的影響，我們的黃老師做了下面的仿真分析，采用保留stub長(zhǎng)度分別為，8、10、12、14、16mil, 進(jìn)行研究。

分析結(jié)論：

1.短孔和長(zhǎng)孔比較可知，長(zhǎng)孔增加了電感效應(yīng)，增加了信號(hào)的衰減，因此PCB采用薄的介質(zhì)好些。

2.有無(wú)stub比較可知，stub增加了電容效應(yīng)，增加了信號(hào)的衰減，因此盡量在頂 層走線換層，如果中間層換層去掉stub最好。

背鉆的加工流程

那么PCB背鉆是用普通鉆機(jī)加工的呢，還是有其它的神器，我們這一期來(lái)講一講，背鉆的加工神器，CCD鉆機(jī)。

有很多工廠還是用普通鉆機(jī)去加工背鉆，結(jié)果XY方向有很大的偏移，如下圖所示;

孔偏導(dǎo)致孔銅鉆一半，看似工廠做了很多東西，又感覺(jué)什么也沒(méi)有做， 信號(hào)質(zhì)量就更不用說(shuō)了。

PCB CCD 鉆機(jī)的核心原理- “視覺(jué)定位引導(dǎo)機(jī)械運(yùn)動(dòng)”

CCD 鉆機(jī)是印制電路板（PCB）制造中用于高精度鉆孔的關(guān)鍵設(shè)備，其核心優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)CCD 視覺(jué)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)鉆孔位置的精準(zhǔn)控制，滿足現(xiàn)代 PCB 對(duì)微小孔徑、高密度孔位的精度要求（通常定位精度可達(dá) ±5μm 以內(nèi)）。通過(guò) CCD 視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)識(shí)別 PCB 的位置偏差，再由控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，最終實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精度的鉆孔。這一技術(shù)解決了傳統(tǒng)機(jī)械定位（依賴工裝夾具，易受 PCB 變形、上料誤差影響）的精度瓶頸，是現(xiàn)代高密度 PCB制造的必備設(shè)備。

二、工作原理（核心流程）

PCB CCD 鉆機(jī)的工作過(guò)程可概括為 “上料→視覺(jué)定位→偏差補(bǔ)償→鉆孔→下料” 的閉環(huán)流程，其中CCD 視覺(jué)定位與實(shí)時(shí)補(bǔ)償是區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械定位鉆機(jī)的核心。

1. PCB 上料與固定

? 待加工 PCB送至工作臺(tái)，通過(guò)真空吸附或機(jī)械夾具固定，避免鉆孔時(shí)因振動(dòng)導(dǎo)致的位移。

? 工作臺(tái)通常為大理石材質(zhì)（低膨脹系數(shù)），保證運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性（減少溫度 / 振動(dòng)對(duì)精度的影響）。

CCD鉆機(jī)使用用大理石底座，有如下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1. 9 噸質(zhì)量實(shí)現(xiàn)減震

2. 花崗巖熱膨脹系數(shù)為 6μm/m°C， 通過(guò)大理石低熱膨脹系數(shù)實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定性。

3. 無(wú)需特殊的地面基礎(chǔ)

機(jī)床置于特殊設(shè)計(jì)的減震元件上。

2. CCD 視覺(jué)定位（核心步驟）

? 基準(zhǔn)點(diǎn)（Mark 點(diǎn)）識(shí)別：PCB 設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)預(yù)先在板邊或內(nèi)部設(shè)置特殊圖案的 Mark 點(diǎn)（多為圓形、十字形或方形，直徑 0.5-2mm），作為定位基準(zhǔn)（類似 “地圖上的坐標(biāo)原點(diǎn)”），除了光標(biāo)點(diǎn)定位，我司也用工具孔定位，雙重保證，精度更高。

? 圖像采集：CCD 相機(jī)（通常為工業(yè)面陣相機(jī)，分辨率 1200 萬(wàn)像素以上）通過(guò)光學(xué)鏡頭（焦距根據(jù) Mark 點(diǎn)大小匹配）對(duì) PCB 表面拍照，同時(shí)配合同軸光源（避免反光干擾）照亮 Mark 點(diǎn)，確保圖像清晰。

? 圖像處理與偏差計(jì)算：圖像處理器對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理（灰度化、降噪、邊緣檢測(cè)），提取 Mark 點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)（像素位置）；再結(jié)合 PCB 設(shè)計(jì)文件中的理論坐標(biāo)（CAD 數(shù)據(jù)），計(jì)算出實(shí)際位置與理論位置的偏差值（ΔX、ΔY、Δθ，θ 為旋轉(zhuǎn)偏差）。

3. 實(shí)時(shí)偏差補(bǔ)償

? 控制系統(tǒng)接收視覺(jué)系統(tǒng)輸出的偏差值（ΔX、ΔY、Δθ），通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型換算為工作臺(tái)（X/Y 軸）的調(diào)整量。

? 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（伺服電機(jī) + 滾珠絲杠）實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償偏差（例如：若 Mark 點(diǎn)實(shí)際偏右 0.01mm，工作臺(tái)則向左移動(dòng) 0.01mm），確保鉆孔位置與設(shè)計(jì)坐標(biāo)一致。

4. 高精度鉆孔

? 定位補(bǔ)償完成后，主軸（Z 軸）帶動(dòng)鉆頭（高速鋼、硬質(zhì)合金或金剛石材質(zhì)）高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速通常 10,000-150,000rpm），根據(jù)設(shè)定的鉆孔參數(shù)（孔徑、深度）向下進(jìn)給，完成單個(gè)孔的加工。

? 單孔加工后，工作臺(tái)根據(jù)下一個(gè)孔的坐標(biāo)自動(dòng)移動(dòng)，重復(fù) “視覺(jué)二次定位（若板內(nèi)孔位密集，需多次補(bǔ)正）→補(bǔ)償→鉆孔” 流程，直至完成所有孔位加工。

5. 下料與檢測(cè)

? 鉆孔完成后，工作臺(tái)將 PCB 送至下料區(qū)，同時(shí)設(shè)備可聯(lián)動(dòng) AOI（自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)）系統(tǒng)，對(duì)孔位精度、孔徑尺寸進(jìn)行抽檢，確保符合工藝要求。

核心技術(shù)：CCD 視覺(jué)定位的關(guān)鍵邏輯

CCD 視覺(jué)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高精度的核心，其定位邏輯可拆解為 3 步：

1. 圖像特征提取

Mark 點(diǎn)設(shè)計(jì)為高對(duì)比度圖案（如銅層與基材的顏色差異），圖像處理器通過(guò) “邊緣輪廓提取” 算法（如 Canny 算子）識(shí)別 Mark 點(diǎn)的幾何中心（像素級(jí)精度），轉(zhuǎn)化為物理坐標(biāo)（通過(guò) “像素 - 毫米” 標(biāo)定系數(shù)換算）。

2. 多 Mark 點(diǎn)聯(lián)合校準(zhǔn)

單塊 PCB 通常設(shè)置 2-4 個(gè) Mark 點(diǎn)（分布在板的不同位置），通過(guò)多個(gè)點(diǎn)的偏差計(jì)算，可同時(shí)補(bǔ)償平移偏差（ΔX、ΔY）、旋轉(zhuǎn)偏差（Δθ）和縮放偏差（因 PCB 熱脹冷縮導(dǎo)致的比例誤差），進(jìn)一步提升定位精度。

3. 動(dòng)態(tài)定位與運(yùn)動(dòng)同步

為避免工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的 “拍照位置與實(shí)際鉆孔位置偏差”，系統(tǒng)采用 “飛拍技術(shù)”：CCD 相機(jī)在工作臺(tái)高速移動(dòng)時(shí)同步拍照（曝光時(shí)間≤1ms），通過(guò)圖像匹配算法消除運(yùn)動(dòng)模糊，確保定位與運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性（響應(yīng)延遲≤10ms）。

工廠通常在發(fā)EQ時(shí)，總是建議要用更大的背鉆頭，背鉆孔到線的距離太近等問(wèn)題，我們要問(wèn)下你所在的加工廠有沒(méi)有用CCD鉆機(jī)。

有的工廠背鉆名頭選用D+8mil甚至更大，還有偏移。

背鉆孔到線的原稿間距在12mil以上，還要改設(shè)計(jì)。

這一期先講CCD鉆機(jī)的原理，如何精準(zhǔn)的控制XY方向的偏移，下一期我們講如何精準(zhǔn)的控制Z方向的深度，大家如果感興趣，可以砸單來(lái)鼓勵(lì)。

本期提問(wèn)

關(guān)于背鉆的加工，大家是否有聽(tīng)說(shuō)過(guò)CCD鉆機(jī)，工廠是否有做出過(guò)案例和品質(zhì)異常，大家一起來(lái)聊聊。