HDI專題 - 從通孔到微孔：HDI 盲孔與埋孔的完整設計邏輯

盲孔與埋孔的結構差異與角色

通孔 (Through-Hole Via)

• 定義： 最常見的銅鑽孔，貫通PCB的所有層，連接上下層並提供元件支撐。
• 缺點： 佔用板上大量空間，並在高速信號下增加大量寄生效應。

盲孔 (Blind Via)

• 定義： 只從板的一側（外層）鑽至板內層而不穿透整板，只露出於外層一面。
• 應用： 常用於BGA扇出和高密度佈線，可將訊號直接送到目標內層而不浪費底層面積。

埋孔 (Buried Via)

• 定義： 完全隱藏於內層之間，連接兩個或多個內層銅箔，不接觸外層。
• 應用： 可在不影響外層元件佈局的情況下大幅增加層間連接，常見於需大量內層電源平面或高層板中。

HDI板分類與結構

HDI板通常依據使用盲孔/埋孔的層次結構分類：

• Type I HDI板： 採用單層盲孔結構（1+N+1堆疊）且無埋孔。
• Type II HDI板： 在Type I基礎上增加埋孔（例如在核心板上設埋孔）以提升連接彈性。
• Type III 或更高階HDI結構： 有多層盲孔，需多次壓合並結合盲／埋孔混合使用，才能支援超高密度BGA佈線。

總結： 盲孔主要用來連接外層與緊鄰內層，而埋孔則用於內層之間的橋接，以實現多層次的3D互連。

深徑比的限制與可靠性考量

盲孔/埋孔可靠性高度依賴微導孔（通常孔徑≤0.15mm）的電鍍品質，而「深徑比」（深度：孔徑之比）是關鍵參數。

技術標準與業界經驗

• IPC標準： 微導孔的深徑比上限為 1:1，即孔深不超過孔徑，實際深度一般≤0.25mm。
• 業界建議： 設計時深徑比保持在 0.8:1以下以獲得高可靠度。

風險與後果

深徑比過高（如>1:1）將導致：

• 孔壁銅層變薄
• 重工電鍍困難
• 回流焊高溫時易使銅層開裂或脫落

2019年IPC警告： 大深徑比的微導孔在回流循環中易失效。

設計要點

• 可使用公式：微孔深徑比 = (外層介質厚度＋覆銅箔厚度) / 微孔直徑
• IPC指出理想微導孔深徑比為 1:1，常見設計則以 0.75:1 為標準。
• 保持低深徑比是確保電鍍完整、提升孔徑機械強度及最終可靠性的關鍵。

製程順序對設計的影響

HDI板製造涉及盲孔和埋孔不同的生產流程順序。

製程流程差異

• 埋孔： 必須在層壓前於內層核心板上完成鑽孔和電鍍，然後再將有埋孔的子板與其他層層壓壓合。
• 盲孔： 通常以雷射鑽孔在外層直接鑽孔，而埋孔則在內層（核心板）施行鑽孔（視孔徑用雷射或機鑽）。

壓合方法

• 埋孔板： 需採用分段壓合（Sequential Lamination），即先將已含埋孔的內層兩兩壓合成子板，再與外層一起最終壓合。
• 盲孔： 通常在完成一層或多層板材後，以激光鑽在外層打通至內層（也可在局部層壓後再鑽孔）。

製程注意事項

• 直徑較大的孔（如通孔或埋孔）常以機械鑽孔，而微小孔徑則以紫外或CO₂雷射鑽孔。
• 若設計中同時包含盲孔與埋孔，需事先規劃各孔的層次與鑽孔時機，避免設計與製造順序衝突。

孔徑大小對訊號與電氣性能的影響

孔徑大小與微導孔結構對信號完整性（SI）有顯著影響。

寄生參數影響

1. 寄生電容： 主要來自銅柱與鄰近參考平面的平行板電容效應

   • 受孔徑大小、與平面間距及介電常數影響
   • 較大的孔徑和較窄的間隔會提高寄生電容，導致信號上升時間變慢

2. 寄生電感： 主要與孔深（層數或介質厚度）成正比

   • 孔徑對感抗的影響極其有限
   • 微導孔（短且細）主要透過減少孔深來降低感抗

設計優勢與建議

• 相較於傳統粗長的通孔，HDI微導孔因尺寸更小且多僅跨鄰層，對高速訊號提供了更短的傳播路徑和較小的寄生負載，有助於減少反射與損耗。
• 在設計上，應盡量減少過長的盲孔殘留段（via stub），並在關鍵高速線路上使用微導孔或背鑽盲孔等方法來維持阻抗連續。

HDI設計常見誤區與建議

設計HDI板時常見的錯誤及對策包括：

1. Via-in-Pad未填孔

• 問題： 若不使用金屬或環氧樹脂填孔，回流焊時極易產生空洞或焊料缺陷。
• 建議： 與製造商確認在Via-in-Pad情況下使用填充/覆銅技術，確保孔內無氣泡並鍍銅平整。

2. 盲孔疊堆設計

• 問題： 將多層微孔直接堆疊（頂對頂）會使上方微孔承受下方孔的熱機械應力累加，容易造成孔洞裂縫或與焊盤分離。
• 建議： 如果需要跨多層連接，優先考慮交錯式微孔（錯孔）來分散壓力。只有在空間緊迫且製程允許的情況下，才嘗試局部堆疊，並與廠商充分溝通可行性。

3. 介質層厚度與阻抗

• 問題： 設計時若忽略基板介質的厚度公差，可能導致實際阻抗偏差。
• 建議： 選用低介電常數（Low-ε）的材料（如Rogers、Megtron等）並與PCB廠商協商嚴格的厚度公差，以便在設計階段進行阻抗匹配補償。

4. 微孔間距與SMD區域

• 問題： 將微孔鑽於貼片元件密集的SMD區域可能影響回流焊接品質，易產生虛焊。
• 建議：
  • 避免在非焊盤區域上放置微孔
  • 若必須放置，應盡量設於焊盤區並確實填銅
  • 微孔之間與盲孔、埋孔之間應保持適當間距（一般≥0.30mm），以避免上層孔侵入下層孔造成電鍍不良

5. 版圖定位與層壓對位

• 問題： 忽略多層壓合過程中材料形變及鑽孔偏移可能導致短路或開路。
• 建議： 在設計工具中做層間對位補償、並在打樣階段進行對位檢驗是必要的，確保實際製程中保持高精度對位。

總結

HDI盲孔與埋孔技術是將毫米級概念轉化到微米級產品的橋梁。透過合理的結構規劃、嚴格控制深徑比與孔徑，以及深入理解製程順序，設計師可以在高密度佈線中兼顧訊號完整性與製造可靠度。

正如業界所指出，傳統通孔在高階應用中已無法滿足需求，而HDI的隱形通道則是實現小尺寸、大連接密度的關鍵。專業的設計師必須精通上述原則與注意事項，才能在兼顧效能、可靠度與成本的前提下，成功實現高密度互連板的設計目標。