本文章將介紹PCB導(dǎo)通孔及其用途，以及在PCB設(shè)計中如何使用導(dǎo)通孔。本文還將介紹一些關(guān)于焊盤尺寸和導(dǎo)通孔尺寸的制造規(guī)范要求。

導(dǎo)通孔介紹

首先，導(dǎo)通孔是如何產(chǎn)生的？很簡單，最初的PCB都是通孔元器件，即從PCB的一面到另一面，從上到下有電鍍孔。當(dāng)電路板密度越來越大時，從4引線元件、8引線元件，到12引線連接器等，全部采用通孔到變?yōu)楸砻姘惭b型元件或連接器，都是為了占用較少的電路板空間。因此，機械貫孔是導(dǎo)通孔的最初形式。

這類導(dǎo)通孔的工藝非常簡單。根據(jù)鉆孔圖上所標(biāo)的公差，導(dǎo)通孔（和元件通孔）的鉆孔比要求的成品孔尺寸大（通常大0.004”至0.005”）。如果電路板是簡單的雙層板，工藝如下圖所示（沒看到圖，排版時注意）。裁剪介質(zhì)物料并送到鉆孔部門。在鉆孔操作之前，CAM部門將指定要采用的正確鉆孔尺寸，鉆孔程序員將使用這些鉆孔尺寸為N/C鉆孔設(shè)備設(shè)置開始和停止代碼。

一旦完成鉆孔，電路板將經(jīng)過一系列的清洗和調(diào)整，然后在化學(xué)鍍銅階段之前進(jìn)入催化劑階段，在化學(xué)鍍銅階段完成化學(xué)鍍銅沉積?；瘜W(xué)鍍階段不像電鍍那樣是一種電沉積工藝，只能在孔壁內(nèi)和電路板表面沉積厚度約為0.4mil的化學(xué)銅。對于所附著的電鍍銅，化學(xué)鍍銅形成的銅層就像牙印。

然后，這些電路板被送到成像部門，在電路板上涂布光刻劑后對面板進(jìn)行成像。然顯影后并被送到電鍍部門，電鍍曝光走線和焊盤，因此在電鍍工藝前需要將孔補償?shù)酶?。電鍍后，它們最終會達(dá)到制造圖紙上標(biāo)出的在公差范圍內(nèi)的尺寸要求。

多層結(jié)構(gòu)稍有不同。芯材在干膜部門進(jìn)行裁剪和涂覆，并對電路板進(jìn)行成像。如果標(biāo)準(zhǔn)多層不存在盲孔或埋孔（稍后將詳細(xì)討論這兩種導(dǎo)通孔），電鍍部門的工藝是顯影、蝕刻和剝離工藝。圖像是負(fù)像，所以光線照射到的地方，抗蝕劑變硬，從而保護(hù)走線和平面層。

IPC標(biāo)準(zhǔn)

為什么要談?wù)勚圃焐倘绾渭庸そo定的孔？我們先來談?wù)処PC標(biāo)準(zhǔn)。但是，不涉及1級產(chǎn)品，因為大多數(shù)產(chǎn)品都是2級、3級甚至3A級。

IPC-6012對2級產(chǎn)品的要求是，如外部和內(nèi)部的孔破出有90度，仍然是可接受的（表1）。但對于3級和3A級產(chǎn)品，鉆孔和電鍍后，外層孔環(huán)必須至少達(dá)到0.002“，內(nèi)層孔環(huán)必須至少達(dá)到0.001”。

表1：IPC孔環(huán)驗收標(biāo)準(zhǔn)

這意味著，如果電路板需要滿足基于其功能和應(yīng)用的更高產(chǎn)品級別要求，要在設(shè)計電路板時，了解制造商是否會對制造圖紙上規(guī)定的孔尺寸過度鉆孔約0.004”至0.005”。帶有0.012”焊盤的0.008”孔是不可接受的，因為該部件將被過度鉆0.004”至0.005”；對于3級和3A級，電路板還必須有額外的0.002“孔環(huán)。此外，制造商既有實際位置公差，也有機械公差（通常為±0.003”），因此，IPC-6012中，如果是3級產(chǎn)品，焊盤尺寸應(yīng)考慮所有這些變量。這可行嗎？

假設(shè)IPC-6012中3級導(dǎo)通孔尺寸為0.008“，公差為±0.003”。如果確實如此，需要鉆0.0138”的孔，機械公差加上±0.003”的實際孔位置公差意味著需要在標(biāo)稱孔尺寸上增加0.016英寸至0.018英寸（再次表示為±0.003”）。因此，焊盤尺寸需要為0.026”。在存在板面積問題的電路板設(shè)計中，這是不可行的。

這讓我想到了我首先提出孔制造工藝的原因。如果這些孔僅僅是簡單的導(dǎo)通孔，那么多年來，我一直告訴我們的客戶（我以前在制造電路板公司工作），要求整個孔尺寸不考慮±0.003英寸的公差。這樣，0.008“的導(dǎo)通孔可鉆為0.008”的孔，且無需補償或過度鉆孔。這就意味著，對于一個焊盤尺寸而言，IPC-6012中3級產(chǎn)品焊盤可能僅為0.016英寸至0.018英寸，如果制造商對其機器和實際的位置公差有良好的控制，則與制造商協(xié)商后的尺寸甚至可能更小。

很多年前有人告訴我一件事，如果把所有的公差加起來，我們就永遠(yuǎn)無法制作出PCB。幸運的是，許多公差可相互抵消。

淚滴焊盤

淚滴焊盤的用途是什么？它就是走線與焊盤連接處的填充。這樣做的目的是使孔不會從走線與焊盤連接處破出，導(dǎo)致連接斷開。如果電路板設(shè)計有足夠的空間，一種減輕在制造環(huán)境中發(fā)生的鉆頭漂移的方法是使用淚滴焊盤。圖1中給出了各種淚滴焊盤的一些實例。

圖1：左邊是雪人淚滴焊盤（原因很明顯）；右邊是填充式淚滴焊盤

導(dǎo)通孔類型

下面我將詳細(xì)介紹各種導(dǎo)通孔類型，包括（1）貫穿導(dǎo)孔，（2）盲孔，（3）埋孔，以及（4）堆疊及交錯排布導(dǎo)通孔（圖2）。

圖2：PCB導(dǎo)通孔類型

1）貫穿導(dǎo)孔

這類導(dǎo)通孔很簡單，從最頂層到最底層，是電鍍的貫穿孔。它們用于將信號從電路板的一面?zhèn)鬟f到另一面，或者實現(xiàn)多層互連。

2）盲孔

這類導(dǎo)通孔是從電路板的頂部或底部開始并終止于指定內(nèi)層。它們通常用于電路板空間較大的地方。例如， 第1層至第2層的盲孔、第1層至第5層的盲孔和第3層至第6層的盲孔（第6層是底層）。注意，對于每個盲孔方案，需要一個單獨的NC鉆孔文件。

這類導(dǎo)通孔工藝通?？梢宰?次至3次，但對于指定面，通常不超過2次至3次。限制由外層的電鍍循環(huán)數(shù)決定。一個10層的電路板看起來可以實現(xiàn)從頂層到第2層、從頂層到第3層、從頂層到第4層、從底層到第9層、從底層到第8層、從底層到第7層的盲導(dǎo)通孔。為了實現(xiàn)14層、16層或18層板的更多層連接，可將埋孔與盲孔結(jié)合使用。

盲孔類型

• 順序盲孔

端接內(nèi)層在芯材上進(jìn)行處理，使相關(guān)的外層作為銅片僅在層壓后成像。

• 控制深度或背鉆導(dǎo)通孔

所有的內(nèi)層都按正常的多層加工，然后正常層壓。與內(nèi)層的連接是通過控制深度的機械鉆孔完成的。鉆孔可部分鉆入層間芯材，但不得通過盲端接層連接至該層。

• 激光盲孔

使用激光器，無論是Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石）還是Nd:YLF（釔鋰氟），都只能通過非常薄的基板。紅外激光器本身可以穿透更深的地方，但不能用所發(fā)射的較長波長去除銅。

• 激光微導(dǎo)通孔

它們通常用于高密度互連（HDI）設(shè)計。由于激光微導(dǎo)通孔的物理形狀，給定微導(dǎo)通孔的深度通常為兩層或更少的連續(xù)層深，這是由于鍍銅的限制，即必須去除激光器產(chǎn)生的燒蝕灰。它們可以堆疊或交錯排布，兩者都是通過加成法工藝實現(xiàn)。微導(dǎo)通孔用于在較小的空間內(nèi)實現(xiàn)更強的功能，如手機或平板電腦。

3）埋孔

埋孔是機械鉆或激光鉆內(nèi)層實現(xiàn)的，但不會延伸到表層（如盲孔）。鉆孔和填充（激光或機械鉆孔）。通常在層壓過程中用半固化片填充埋孔。

各種導(dǎo)通孔的使用

• Via in Pad和VIPPO

隨著精細(xì)間距器件和更小PCB的廣泛使用，出現(xiàn)了焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)。焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔實際上是焊盤內(nèi)部的導(dǎo)通孔。首先是鉆孔、電鍍或閃鍍，填充環(huán)氧樹脂或銅環(huán)氧樹脂，并進(jìn)行平整化，使表面平坦，以便于組裝。這種技術(shù)的優(yōu)點是更緊密的封裝元器件放置，改善熱管理，并消除寄生電感和電容，因為這些導(dǎo)通孔減少了信號路徑的長度。

電鍍的焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔（Via-in-pad plated over，簡稱VIPPO）與焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔基本上是一樣的，差別是VIPPO是在SMT焊盤內(nèi)，不是普通焊盤，如盲孔的焊盤。此外，VIPPO還可用于背鉆（控制深度鉆孔），從內(nèi)層端接下的孔中去除多余的金屬。

• 散熱導(dǎo)通孔

它們將熱量從電路板的一面散發(fā)到另一面，通常放置在產(chǎn)生大量熱量的加熱部件或元件的正下方（或盡可能靠近）。通過電路板導(dǎo)熱比通過介質(zhì)導(dǎo)熱的效果更好。

如果走線只出現(xiàn)在外層，那么大部分的熱量被側(cè)向（水平）傳遞，內(nèi)部的芯材平面可能溫度更低。通過增加將表面特征連接到內(nèi)部平面的散熱縫合導(dǎo)通孔，形成更好的傳導(dǎo)性，將熱量散發(fā)到核芯，可更有效地降低整體溫度。

• 縫合導(dǎo)通孔

導(dǎo)通孔縫合采用接地耦合。平面上的縫合導(dǎo)通孔最常見的用途是確保信號的返回路徑較短或幫助保持恒定的接地。一旦任何電流開始流動，它就會在流過的銅上產(chǎn)生電壓，既可以分散電流，也可導(dǎo)致接地反彈。導(dǎo)通孔縫合是有效且省力的方法，可以更緊密地耦合PCB上的接地。

• 屏蔽導(dǎo)通孔或?qū)讎鷻?/strong>

閱讀了大量關(guān)于屏蔽導(dǎo)通孔的文獻(xiàn)之后，就可以解釋我發(fā)現(xiàn)的問題。導(dǎo)通孔圍欄，也被稱為“尖樁圍欄”，是用來改善元件之間隔離的結(jié)構(gòu)，以免被電磁場耦合。該結(jié)構(gòu)包含一排、兩排，甚至三排的導(dǎo)通孔，間距足夠近到可以形成電磁波屏障。

導(dǎo)通孔圍欄可以用來屏蔽微帶線和帶狀線傳輸線或功能電路，也可以用在電路板周圍，以防止其他設(shè)備的電磁干擾。然而，圍欄與被保護(hù)的走線太近會降低走線/電路的隔離度。

4）堆疊和交錯排布導(dǎo)通孔

如前所述，堆疊和交錯排布的微導(dǎo)通孔是用激光（Nd:YAG或Nd:YLF）完成的。堆疊導(dǎo)通孔實際上是通過加成法工藝堆疊在一起的，導(dǎo)通孔是交錯的，這樣它們就不會直接位于彼此之上。

堆疊導(dǎo)通孔的優(yōu)點是可實現(xiàn)非常密集的電路板設(shè)計，例如在緊密間距的BGA占位內(nèi)的焊盤內(nèi)導(dǎo)通孔結(jié)構(gòu)。為此，需用激光鉆導(dǎo)通孔，然后電鍍、填充和平面化以形成互連。下一層是通過在前一個導(dǎo)通孔上層壓另一層來完成。通常反復(fù)進(jìn)行3次至4次（或更多，具體取決于制造商）。然后，表層平整化，以便PCB在組裝時不會發(fā)生“部件搖擺”。