別讓孔偏毀了信號！PCB 背鉆的 XY 精準度如何做到分毫不差？
發布時間：2025-07-14 17:29:00
高速先生成員--王輝東
上期文章SI大神黃剛寫一篇在于背鉆STUB的文章《仿真結果天下無敵，板廠加工讓你一敗涂地》，十分火爆，講了一博PCB新工廠做出來的背鉆stub的效果特別好(2MIL左右)，一次就過了測試。
那么究竟這么短的STUB工廠是怎么加工出來的的呢，我們今天就深入鉆孔車間，從最基本的的原理和操作，來為大家揭謎。
背鉆的作用是什么
背鉆的核心作用：解決 Stub 對信號的負面影響
從上圖中我們可以看出，Stub 看似是 “無用的銅柱”，但在高速信號傳輸場景中，會成為嚴重的信號干擾源，具體影響如下：
1. 導致信號反射與損耗
- 高速信號（如 10Gbps 以上的以太網、DDR 信號）在傳輸時，Stub 相當于一段 “終端未匹配的傳輸線”。當信號到達 Stub 的末端時，會因阻抗不連續（Stub 的特性阻抗與主傳輸線不一致）發生信號反射，導致信號波形失真（如過沖、振蕩）。
- 反射信號與原始信號疊加后，會降低信號的信噪比（SNR），可能引發數據傳輸錯誤（如誤碼率上升）。
2. 增加信號延遲與串擾
- Stub 本身具有寄生電感和電容，會改變信號的傳輸延遲（Time Delay），尤其在高頻場景下，延遲可能超出時序要求（如高速芯片的 Setup/Hold 時間窗口）。
- 相鄰 Stub 之間會通過電磁耦合產生串擾（Crosstalk），即一個信號的能量干擾到相鄰信號，進一步惡化信號質量。
3. 影響 PCB 的散熱與可靠性
- 多余的 Stub 會增加 PCB 的銅層面積，在高密度板中可能導致局部散熱不暢（尤其大功率器件附近）。
- 若 Stub 長期處于高頻信號環境中，可能因焦耳熱積累導致銅層疲勞，降低 PCB 的長期可靠性。
為分析背鉆stub所帶來信號的影響，我們的黃老師做了下面的仿真分析，采用保留stub長度分別為，8、10、12、14、16mil, 進行研究。
分析結論：
1.短孔和長孔比較可知，長孔增加了電感效應，增加了信號的衰減，因此PCB采用薄的介質好些。
分析結論：
1.短孔和長孔比較可知，長孔增加了電感效應，增加了信號的衰減，因此PCB采用薄的介質好些。
2. 有無stub比較可知，stub增加了電容效應，增加了信號的衰減，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背鉆是用普通鉆機加工的呢，還是有其它的神器，我們這一期來講一講，背鉆的加工神器，CCD鉆機。
有很多工廠還是用普通鉆機去加工背鉆，結果XY方向有很大的偏移，如下圖所示;
孔偏導致孔銅鉆一半，看似工廠做了很多東西，又感覺什么也沒有做， 信號質量就更不用說了。
PCB CCD 鉆機的核心原理- “視覺定位引導機械運動”
CCD 鉆機是印制電路板（PCB）制造中用于高精度鉆孔的關鍵設備，其核心優勢在于通過CCD 視覺定位技術實現鉆孔位置的精準控制，滿足現代 PCB 對微小孔徑、高密度孔位的精度要求（通常定位精度可達 ±5μm 以內）。通過 CCD 視覺系統實時識別 PCB 的位置偏差，再由控制系統驅動機械結構動態補償，最終實現微米級精度的鉆孔。這一技術解決了傳統機械定位（依賴工裝夾具，易受 PCB 變形、上料誤差影響）的精度瓶頸，是現代高密度 PCB制造的必備設備。
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系統 |
核心部件 |
功能 |
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機械結構 |
工作臺（X/Y 軸）、主軸（Z 軸）、機架 |
承載 PCB 并實現三維運動；驅動鉆頭旋轉鉆孔 |
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CCD 視覺系統 |
CCD 相機、光學鏡頭、光源、圖像處理器 |
識別 PCB 上的基準點（Mark 點），計算位置偏差 |
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控制系統 |
運動控制器、PLC、工業電腦 |
接收視覺系統數據，實時調整機械運動軌跡 |
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驅動系統 |
伺服電機（X/Y/Z 軸）、滾珠絲杠 |
將控制信號轉化為高精度機械運動（速度 / 位置） |
二、工作原理（核心流程）
PCB CCD 鉆機的工作過程可概括為 “上料→視覺定位→偏差補償→鉆孔→下料” 的閉環流程，其中CCD 視覺定位與實時補償是區別于傳統機械定位鉆機的核心。
1. PCB 上料與固定
- 待加工 PCB送至工作臺，通過真空吸附或機械夾具固定，避免鉆孔時因振動導致的位移。
- 工作臺通常為大理石材質（低膨脹系數），保證運動時的穩定性（減少溫度 / 振動對精度的影響）。
CCD鉆機使用用大理石底座，有如下幾點優點：
1. 9 噸質量實現減震
2. 花崗巖熱膨脹系數為 6μm/m°C， 通過大理石低熱膨脹系數實現溫度穩定性。
3. 無需特殊的地面基礎
機床置于特殊設計的減震元件上。
分析結論：
1.短孔和長孔比較可知，長孔增加了電感效應，增加了信號的衰減，因此PCB采用薄的介質好些。
2. 有無stub比較可知，stub增加了電容效應，增加了信號的衰減，因此盡量在頂 層走線換層，如果中間層換層去掉stub最好。
- 圖像采集：CCD 相機（通常為工業面陣相機，分辨率 1200 萬像素以上）通過光學鏡頭（焦距根據 Mark 點大小匹配）對 PCB 表面拍照，同時配合同軸光源（避免反光干擾）照亮 Mark 點，確保圖像清晰。
- 圖像處理與偏差計算：圖像處理器對采集的圖像進行預處理（灰度化、降噪、邊緣檢測），提取 Mark 點的實際坐標（像素位置）；再結合 PCB 設計文件中的理論坐標（CAD 數據），計算出實際位置與理論位置的偏差值（ΔX、ΔY、Δθ，θ 為旋轉偏差）。
3. 實時偏差補償
- 控制系統接收視覺系統輸出的偏差值（ΔX、ΔY、Δθ），通過運動學模型換算為工作臺（X/Y 軸）的調整量。
- 驅動系統（伺服電機 + 滾珠絲杠）實時驅動工作臺運動，補償偏差（例如：若 Mark 點實際偏右 0.01mm，工作臺則向左移動 0.01mm），確保鉆孔位置與設計坐標一致。
4. 高精度鉆孔
- 定位補償完成后，主軸（Z 軸）帶動鉆頭（高速鋼、硬質合金或金剛石材質）高速旋轉（轉速通常 10,000-150,000rpm），根據設定的鉆孔參數（孔徑、深度）向下進給，完成單個孔的加工。
- 單孔加工后，工作臺根據下一個孔的坐標自動移動，重復 “視覺二次定位（若板內孔位密集，需多次補正）→補償→鉆孔” 流程，直至完成所有孔位加工。
5. 下料與檢測
- 鉆孔完成后，工作臺將 PCB 送至下料區，同時設備可聯動 AOI（自動光學檢測）系統，對孔位精度、孔徑尺寸進行抽檢，確保符合工藝要求。
核心技術：CCD 視覺定位的關鍵邏輯
CCD 視覺系統是實現高精度的核心，其定位邏輯可拆解為 3 步：
- 圖像特征提取
Mark 點設計為高對比度圖案（如銅層與基材的顏色差異），圖像處理器通過 “邊緣輪廓提取” 算法（如 Canny 算子）識別 Mark 點的幾何中心（像素級精度），轉化為物理坐標（通過 “像素 - 毫米” 標定系數換算）。 - 多 Mark 點聯合校準
單塊 PCB 通常設置 2-4 個 Mark 點（分布在板的不同位置），通過多個點的偏差計算，可同時補償平移偏差（ΔX、ΔY）、旋轉偏差（Δθ）和縮放偏差（因 PCB 熱脹冷縮導致的比例誤差），進一步提升定位精度。 - 動態定位與運動同步
為避免工作臺運動導致的 “拍照位置與實際鉆孔位置偏差”，系統采用 “飛拍技術”：CCD 相機在工作臺高速移動時同步拍照（曝光時間≤1ms），通過圖像匹配算法消除運動模糊，確保定位與運動的實時性（響應延遲≤10ms）。
工廠通常在發EQ時，總是建議要用更大的背鉆頭，背鉆孔到線的距離太近等問題，我們要問下你所在的加工廠有沒有用CCD鉆機。
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，還要改設計。
這一期先講CCD鉆機的原理，如何精準的控制XY方向的偏移，下一期我們講如何精準的控制Z方向的深度，大家如果感興趣，可以砸單來鼓勵。
