一、什麼是 PCB 微孔？
微孔是指 PCB 上用於連接各層的微小孔洞。微孔的尺寸通常在 0.1 毫米到 0.15 毫米 之間，焊盤尺寸約小於 0.35 毫米。微孔有助於在高密度 PCB 中建立高效的訊號和電源路徑。微孔可以在不增大 PCB 尺寸的情況下增加 PCB 上的連接數量，這是滿足高性能設備需求的關鍵。
1. 微孔的核心優勢
在 HDI PCB 中使用微孔帶來多重效益，是實現小型化和高性能的基石。
- 尺寸更小、重量更輕： 微孔有助於縮小 PCB 尺寸，使電路板更薄、更輕，更容易安裝到更小的設備中。這對於智慧型手機和筆記型電腦等必須輕巧緊湊的設備尤其重要。微孔的緊湊特性使其可以在相同的面積上安裝更多元件。
- 提高性能： 微孔比標準孔更小，有助於縮短 PCB 上的電路路徑，提高整個電路的效率。微孔可以提高傳輸速度、傳輸更準確的數據。
- 增強的訊號完整性： 微孔可以縮短信號通信路徑，從而改善整體信號通信和穩定性，尤其是在 5G 或高速應用中。它們還可以減少電路板結構中不必要的電感和電容，這些電感和電容可能會影響信號質量。
- 機械穩定性： PCB 板上的微孔分佈均勻，可以減少應力不均勻造成的損壞。微孔通過與層間連接更牢固，提高 PCB 的抗壓能力，使其即使在嚴苛的環境下也不會出現故障。
- 優化成本： 改用微孔可以減少材料浪費，從而降低 PCB 成本。由於微孔有助於減少層數，設計也更簡單，簡化組裝流程，提高整體效率。它能夠降低總成本，尤其是在大規模生產的情況下。
二、微孔的類型與製造工藝
根據設計需求，微孔可以分為不同的類型。了解這些微孔類型對於優化 HDI PCB 設計至關重要。
1. 微孔的類型
| 微孔類型 | 定義與連接方式 | 關鍵優勢 |
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| 埋入式微孔 (Buried Via) | 用於連接 HDI PCB的內層，完全包裹在內層中。 | 實現小型化電路板，在表面提供更大的布線空間。減少訊號損耗（如 EMI 干擾）並提升 PCB 的整體性能。 |
| 盲微孔 (Blind Via) | 將 PCB外層與內層互連，但並非貫通孔。 | 節省空間，與埋孔類似具有一系列增強訊號完整性的優勢。 |
| 堆疊微孔 (Stacked Via) | 微孔層層疊加，用於連接 PCB中不同的層。通常使用銅填充確保導電性和堅固性。 | 實現複雜且節省空間的多層設計，提供更大的設計靈活性。 |
| 交錯微孔 (Staggered Via) | 非線性排列的微孔，彼此錯開。 | 最大限度地降低分層的可能性，增強 PCB的機械穩定性。交錯佈局有助於分散組裝過程中的應力。 |
2. 微孔的製造工藝
微孔的製造通常需要使用雷射鑽孔，因此可以製作出節省空間又可靠的電路板。微孔也可以是盲孔、埋孔或堆疊孔等不同類型。
三、微孔設計中的挑戰與考量
在設計帶有微孔的 HDI PCB 時，必須審慎處理一些挑戰，這些挑戰會影響 PCB 的性能和可靠性。
1. 縱橫比控制 (Aspect Ratio)
微孔設計中的縱橫比是指微孔的深度與直徑之比。
- 問題： 過高的縱橫比會導致裂紋、鍍銅不良或機械應力等問題。
- 標準： 必須限制縱橫比以避免這些問題。根據 IPC 標準，理想的縱橫比為 1:1。正確的縱橫比可以確保更高的可靠性和更長的使用壽命。
2. 熱管理 (Thermal Management)
熱管理對於 HDI PCB 至關重要，尤其是在使用微導通孔的情況下。
- 問題： 緊密封裝的元件佈局會產生熱量，而微導通孔可能成為熱量的產生源，導致 PCB 產生應力和損壞。
- 解決方案： 必須使用合適的 PCB 材料並設置散熱導孔。安裝散熱器也有助於散熱，實現最佳性能。
3. 材料選擇
對於使用微孔的 HDI PCB，必須精心選擇材料。由於微孔是通過激光加工的，因此所選材料應具備良好的熱性能和電性能。
- 陶瓷填充 PTFE (例如 Rogers R03003): 具有極低的介電損耗 (Df 約 0.0013 到 0.004) 和良好的熱導率，非常適合 5G 天線和微波波導 等射頻外殼。
- 低熱膨脹陶瓷複合材料 (例如松下 Megtron 6): 具有極低的 CTE (熱膨脹係數) 和 Dk 約 2.6 到 2.7，非常適合高可靠性多層 HDI 結構。
4. 過孔類型與 HDI 堆疊設計
- 過孔類型的選擇取決於具體應用。堆疊微孔節省空間，但製造起來更複雜且成本更高。交錯微孔則具有更好的機械穩定性。
- HDI 疊層的設計對於微孔的良好功能至關重要。必須選擇符合要求的疊層中不同層的微孔。層厚度、介電材質質量和微孔數量是主要考慮因素。
四、何時應採用微孔技術？
微孔有助於節省空間並增強 PCB 設計，但成本和製造複雜性也會隨之增加。您必須權衡何時有必要在設計中使用它們。
1. 適合採用微孔的情境
- 高密度 BGA 佈局： 當 BGA 的密集要求使得標準孔無法滿足佈線時，尤其是在焊球間距受限的情況下。微孔結構通常遵循 BGA 佈局，可以連接 BGA 焊盤，從而提高密度，同時兼顧性能。
- 縮小過孔尺寸： 透過減小過孔焊盤尺寸，可以使功能元件之間的間距更緊湊。這為元件排列之間釋放了空間，這些通道原本是無法存在的。
- 提高電氣性能： 微孔導孔可消除電源層和接地層的阻塞，從而消除電感和熱點。交錯微孔可將鑽孔位置從焊盤移開，從而消除擁堵。
2. 微孔與貫通孔的區別 (常見問題)
- 微孔是位於電路板中央的小而密集的通孔。用於連接相鄰層，適用於高密度設計。
- 盲孔和埋孔則適用於高密度設計。
- 常規通孔（貫通孔） 則位於電路板的頂部或底部，並貫穿所有層。
3. 微孔的尺寸決定
微孔尺寸取決於縱橫比、介電層厚度和焊盤尺寸。尺寸計算方法如下：
- 選擇所需的 HDI 堆疊。
- 確定最緊密布線區域的最大鑽頭尺寸。
- 計算所需的層厚度。
- 選擇滿足厚度的雷射可鑽孔預浸料。
- 驗證微孔是否滿足縱橫比限制和材料要求。
結論
對於 HDI PCB 而言，微孔有助於節省空間、提升設計性能並提高 PCB 的可靠性。但是，微孔尺寸、所用材料以及預熱方面存在諸多挑戰。設計合適的過孔結構和堆疊結構可以幫助您充分發揮微孔的優勢，避免遇到任何問題。
