PCB上的孔分類、目的及作用

在印刷電路板（Printed?Circuit?Board，簡稱?PCB）技術發(fā)明出來之前，電子設備已經存在了很長的一段時間，1904年11月16日，英國科學家約翰·安布羅斯·弗萊明為自己發(fā)明的電子管弗萊明閥(英語：Fleming valve)申請了專利，它標志著人類歷史上第一只電子管的誕生，世界也從此進入到了電子時代。

早期的電子設備的制造，就是把電子管等電子元器件固定在鐵盒子或者鐵架子上，然后用導線進行手工焊接（俗稱搭棚焊），以實現(xiàn)電路的互聯(lián)，但其生產效率低下，而且容易出錯。

時間到了1947年，美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組發(fā)明了晶體管，電子電路開始向小型化方向發(fā)展，電子元器件變小變得輕量化之后，就可以安裝在PCB上了，自20世紀50年代起，體積小發(fā)熱量更低的晶體管開始大量取代電子管的地位，這也使得印刷電路板技術開始被廣泛采用。

此時，PCB有兩個主要的作用，其一是在覆銅的層上蝕刻出互聯(lián)電路圖形，避免需要大量的人工焊線操作，只需要人工擺放元器件以及將器件引腳焊接固定即可，生產效率以及可靠性都大大提高。PCB的第二個作用是作為元器件支撐固定的載體，在1950年代，元器件都是有引腳的直插式的封裝，所以元器件如要安裝到PCB上，就必須在PCB上鉆出對應的孔位，所以PCB上除了銅的互聯(lián)圖案，還必須要有孔。在1950年代，當時的PCB只有單面覆有銅箔的單面板，因為過孔的金屬化技術還沒被開發(fā)出來，所以當時PCB上的孔是非金屬化的（也即孔的內部沒有實現(xiàn)導通互聯(lián)），然而，隨著電子元件封裝技術的改進，體積越來越小，有越來越多的電子元件被安裝在同一塊板子上以實現(xiàn)更加復雜的功能，PCB的布線密度提高之后就出現(xiàn)了走線交叉的問題，單面板只有一個布線層，布線空間自然就不夠用了，當時的工程師想到用跳線法來解決這個問題（打一對過孔，然后用金屬引線從PCB的另一面穿過作為跳線來實現(xiàn)互聯(lián)）。

電子電路總是朝著功能愈加復雜，布線密度越來越高的方向發(fā)展，工程師們不得不開始考慮如何實現(xiàn)PCB的兩面都夠進行布線，這就要解決走線換層的互聯(lián)問題。走線換層肯定是需要打孔的，然后通過這個孔實現(xiàn)不同走線層的互聯(lián)，現(xiàn)在我們知道可以通過電鍍法給過孔壁沉銅實現(xiàn)金屬化互聯(lián)，目前板廠的主流工藝也都是采用的電鍍法，但在1950年代初，該方法還沒有開發(fā)出來，或者現(xiàn)在如果您要在家里或者實驗室自行DIY雙面板，在沒有電鍍金屬化技術的條件下，如何實現(xiàn)過孔的導通互聯(lián)呢？

常用的方法有兩種，另外還有一種老wu沒有嘗試過的方法，因為實在太貴了 。

首先是穿線短接法，也是老wu常用的方法，就是在需要換層的線端點處放焊盤，在焊盤上鉆出孔，然后用金屬細線穿過該孔，最后在過孔的上下兩端的焊盤把金屬細線焊接固定，當然，也可以直接利用器件的引腳來實現(xiàn)不同層的互聯(lián)，如下圖所示：

另一種方法是使用空心鉚釘?shù)幕ヂ?lián)方法。

還有一些最近出現(xiàn)的方法，老wu沒有玩過的，比如類似于德國LPKF的無化學物質的通孔金屬化工藝，但這玩意兒太貴了，只適合于人民幣玩家。

說到DIY雙面板，老wu就回想起了自己的學生時代，那時還沒有嘉立創(chuàng)的打樣模式，當時做一塊雙面PCB對于學生來說還是相當貴的，交期也要六七天，物流也沒有現(xiàn)在這般發(fā)達，所以簡單的電路板還是選擇DIY的方式，就是用三氯化鐵來蝕刻覆銅板做出互聯(lián)電路。

DIY單面板倒是不難，頂多就是有些斷線或者蝕刻不完全的走線需要手工修復一下，但DIY雙面板就痛苦多了，首先在電路圖曝光的環(huán)節(jié)要注意不同層的孔對位，接著就是實現(xiàn)孔的互聯(lián)，這個是最費時也是最痛苦的環(huán)節(jié)，即使是只有幾十個孔，鉆孔，然后在孔中穿過細導線，最后再把導線焊接固定，要忙活大半天，頭暈眼花脖子酸痛。

如果您用專用的鉚釘壓接器，那稍微省事的方法就采用空心鉚釘壓接的方法，如上邊的視頻所示，但材料花費比起細導線要貴不少，最大的問題是孔不能做得太小了，視頻中最小的鉚釘外徑是0.4mm，但這是國外，國內某寶上最小外徑是1mm，所以過孔和孔環(huán)要做得大一些，這也降低了布線密度。

話說沒有腐過電路板的電子工程師的人生是不完整的，但只需要體驗過掌握了方法就好了，人生苦短，及時嘉立創(chuàng)才是王道 。

即使是使用專用壓接工具來壓接空心鉚釘實現(xiàn)雙面板的互聯(lián)，也不是成本及效率優(yōu)化的方法，連接也不夠可靠，工程師們還得繼續(xù)研究，到了1953年，美國的摩托羅拉公司發(fā)布了電鍍通孔金屬化的方法，才使得雙面板得以普及。

1965年4月19日，時任仙童半導體公司工程師戈登·摩爾在《電子學》雜志（Electronics Magazine）上發(fā)表了半導體技術發(fā)展的預言，也即半導體芯片上集成的晶體管和電阻數(shù)量將每年增加一倍。隨著IC（Integrated Circuit集成電路）和LSI（Large Scale Integration大規(guī)模集成電路）的出現(xiàn)，電子設備也朝著更輕薄短小的方向發(fā)展，同時IC引腳以及外圍電子元器件的數(shù)量急劇增加，使得布線密度增大，雙面板已經不夠用了，這導致了多層PCB技術的發(fā)展。

為了實現(xiàn)高密度的互連，增加PCB的布線層數(shù)是一個方向，縮小布線的線寬/線距以及減小鉆孔的孔徑尺寸也是提高布線密度的一個方向。

當然，機械鉆孔加工依靠的是鉆頭，鉆頭能做得越小，就能加工出越小的鉆孔，但鉆頭的物理規(guī)格不能無限制地縮小，孔徑小于0.2mm，以及鉆孔孔徑與PCB厚度的比例超過一定限值之后，機械鉆孔以及后續(xù)的金屬化電鍍都會面臨極大的挑戰(zhàn)。

到了1980年代，隨著VLSI (超大規(guī)模集成電路 Very large-scale integration) 的發(fā)展，多層PCB的應用得到了快速的發(fā)展，布線密度也急劇增長，為了應對高密度布線的挑戰(zhàn)，層間互聯(lián)技術也有了相應的發(fā)展，比如出現(xiàn)了激光鉆孔、盲孔、埋孔、盤中孔等等HDI工藝。

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PCB上的孔分類及其作用

PCB上的孔根據其是否參與電氣連接分為鍍覆孔（PTH）和非鍍覆孔（NPTH）。 ?

鍍覆孔（PTH）是指孔壁鍍覆有金屬的孔，其可以實現(xiàn)PCB內層、外層或內外層上導電圖形之間的電氣連接。其大小由鉆孔的大小以及鍍覆金屬層的厚度共同決定。 非鍍覆孔（NPTH ）不參與PCB電氣連接的孔，也即非金屬化的孔。 根據孔貫穿PCB內外層的層次，孔可分為通孔、埋孔和盲孔。

通孔貫穿整個PCB,可用于實現(xiàn)內層連接和/或元件的定位安裝等。其中，用于元件端子（包括插針和導線）與PCB固定和/或實現(xiàn)電氣連接的孔稱為元件孔。用于內層連接，但并不插裝元件引線或其他增強材料的鍍覆孔稱為導通孔。在PCB上鉆通孔的目的主要有兩個：一是產生一個穿過板子的開口，允許隨后的工序在板子的頂層、底層和內層線路間形成電氣連接；二是使板上元件的安裝保持結構完整性和位置精度。[1] 盲孔和埋孔廣泛應用于高密度互連HDI。盲孔通常將第 1 層連接到第 2 層。在一些設計中，盲孔可以連接第 1 層到第 3 層。組合盲孔和埋孔可實現(xiàn)HDI 所需的更多連接和更高電路板密度。如此就能在更小間距的器件中增加層密度，同時還能提高傳輸功率。隱藏的導通孔有助于保持電路板的輕巧和緊湊。在結構復雜、重量輕、成本較高的電子產品（如手機、平板電腦和醫(yī)療設備）中盲孔和埋孔設計很常見。[2] 通過控制鉆孔深度或激光燒蝕形成盲孔。后者是目前使用的更常見方法。導通孔的堆疊是通過順序層壓形成的。由此產生的導通孔可以堆疊或交錯排布，增加了制造和測試的額外步驟，同時也增加了成本。 根據孔的用途及功能分類，分為： 過孔（via）實現(xiàn)PCB上不同的導電層之間電氣互聯(lián)的金屬化的孔，不用于接插元器件用途。 ? PS：這里的過孔按上文的貫穿PCB內外層的層次，過孔可細分為通孔、埋孔和盲孔。 元件孔?用于焊接固定插件式電子元器件以及接插件的孔，通常為金屬化孔，同時也可以兼做不同的導電層之間電氣互聯(lián)。 ? 安裝孔?PCB上直徑較大的孔，用于固定PCB到外殼等載體上。 ? 槽孔?鉆機鉆孔程序中自動轉化為多個單孔的集合或通過銑的方式加工出來的槽，一般作為接插器件引腳的安裝，比如接插座的橢圓形引腳。 ? 背鉆孔?在已經電鍍的通孔上鉆出來的有一定深度的孔（比前面電鍍通孔大），用于阻斷過孔的stub，減小信號傳輸過程中的反射。

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下邊是一些PCB制造過程中PCB板廠會用到的輔助性的孔，PCB設計工程師大概了解下即可： 定位孔?在PCB頂部、底部的三四個孔，板上其他孔以此為基準，又稱為靶孔或靶位孔，鉆孔前通過靶孔機（光學沖孔機或X-RAY鉆靶機等）制作，鉆孔時用于銷釘定位和固定。 內層對位孔?在多層板邊緣的一些孔，用于在在制板圖形內鉆孔前判別多層板是否有偏移. 從而判定鉆孔程序是否需要調整。 代碼孔?在制板底部一側的一排小孔，用于注明生產的一些信息，如產品型號、加工機臺、 操作員工代碼等，現(xiàn)在很多工廠會以激光打字代替。 尾孔?在制板邊緣的一些大小不同的孔，用來辨別鉆頭使用過程中的鉆徑大小是否正確，現(xiàn)在很多工廠會以其他技術代替。? 切片孔?用于PCB切片分析的鍍覆孔，能反映孔的品質。 阻抗測試孔?用于測試PCB阻抗的鍍覆孔。 防呆孔?一般為非鍍覆孔，用來防止板位置放反，在成型或成像等工序定位中經常用到。 工具孔?一般為非鍍覆孔，用于相關工序。 鉚釘孔?非鍍覆孔，用于多層板壓合時各層芯板與粘結片的鉚釘固定。鉆孔時需把鉚釘位置鉆穿，防止此位置殘留氣泡，導致后續(xù)出現(xiàn)爆板。[1]

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PCB 的鉆孔方法 ? PCB行業(yè)這幾十年的發(fā)展歷程，采用機械鉆頭來開孔的方法一直以來都是主流技術，機械鉆孔經受住了印刷電路板不斷增長的需求，并且目前仍然被認為是一種安全和具有成本效益的開孔方法。當然，對于有小孔徑需求的電路板，也可以用激光鉆孔的方式，但費用要高出許多。 由于每一個PCB設計項目的孔的位置都不盡相同，所以根據設計信息，PCB板廠會使用數(shù)控數(shù)據（Numerical Control Date，NC數(shù)據）來控制和鉆探孔位。 ? 嘉立創(chuàng)的鉆孔工藝流程

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? 順便提一下嘉立創(chuàng)目前的鉆孔工藝能力 1、最小鉆孔：多層0.15mm，常規(guī)0.3mm 2、最小過孔內徑：多層0.15mm，雙面0.3mm 3、最小過孔外徑：多層0.25mm，雙面0.45mm 4、半孔設計：半孔指板邊半個孔且孔壁有銅，多用于焊接子母板： ① 半孔最小孔徑：≧0.6mm ② 半孔焊盤邊到板邊：≧2mm ③ 單板最小尺寸：10*10mm 5、有銅孔邊緣跟有銅孔邊緣：建議0.3mm

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PCB 上的孔是可以隨意鉆的嗎？

答案是，不！ ? 理論上，對于當前先進的CNC加工而言，只要是大于最小可加工尺寸，任意形狀的孔都能加工出來。 但是，一塊標準PCB加工面板上的孔的數(shù)量可能幾千上萬個，用標準化鉆頭直接鉆取的加工方式顯然要高效也更經濟得多。 所以，PCB上鉆孔的規(guī)格，很明顯，這起碼會受到機械鉆頭規(guī)格的限制，有多大規(guī)格的鉆頭，就能鉆多大規(guī)格的孔嘛。 通過上文嘉立創(chuàng)家的機械鉆孔工藝視頻我們可以看到，在鉆孔機位邊上放了許多不同規(guī)格的鉆頭，鉆孔機會根據PCB上不同的孔徑自動更換對應直徑的鉆頭。 ? 但每更換一次鉆頭，都需要經過一系列操作，如拾取新規(guī)格鉆頭，卸下當前鉆頭，裝載新規(guī)格鉆頭，鉆頭重新對中等等一些列操作，這就涉及到了加工效率，板廠當然是希望你一個規(guī)格的鉆頭一鉆到底最好了。 同時，鉆頭直徑規(guī)格也是按照一定比例遞進的，并不是任意尺寸的鉆頭規(guī)格都有，這就涉及到了孔徑規(guī)格的優(yōu)化。 ? 上圖是PCB鉆頭的的樣子，PCB板廠并不會自己生產鉆頭，而是采購鉆頭回來進行PCB鉆孔作業(yè)，而標準的鉆頭，是以 0.05 毫米的增量制造的。板廠在制造PCB之前，會將我們PCB設計中的圓孔根據板廠的鉆頭規(guī)格進行優(yōu)化，國內板廠一般都是采用公制單位，孔徑會以毫米為單位，四舍五入到最接近的那個 0.05 毫米增量的鉆頭規(guī)格。 鉆頭規(guī)格目前最小的直徑有0.075mm（也即75μm，可能在封裝基板加工上會有更小規(guī)格的鉆頭，但這個老wu沒有進一步確認哈），最大的鉆頭直徑是6.5mm，大于個最大鉆頭直徑孔嘛，就不能直接一次鉆取成型了，要么就是采用小鉆頭多次鉆的擴孔方式，要么就將孔改為CNC鑼孔的方式制造了，這個由板廠那邊根據自身的工序來調整。 當然，孔的制造限制還有其它的方面，比如孔與孔的的最小間距，孔直徑與PCB板厚的厚徑比，方孔存在R角的限制問題等等，由于篇幅關系，老wu這里就不逐一展開了。 大家可以去嘉立創(chuàng)官網了解相關的制造工藝要求。

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PCB 上的孔鉆完了就完事了嗎？

答案是，不！ 對于實現(xiàn)層間互聯(lián)的過孔而言，我們還需要把孔給保護起來。PCB中實現(xiàn)互聯(lián)導通的孔，是通過后續(xù)的電鍍工藝，在鉆出的孔壁內鍍上一層薄銅，以實現(xiàn)孔內的導通，也就是孔的金屬化。 這個孔壁內的銅有多薄呢，老wu這里上個PCB過孔切片的示意圖：

孔壁的銅是很薄的一層，并且孔內是空洞的狀態(tài)，所以，需要避免孔壁內的銅在后續(xù)的工藝中被化學藥水腐蝕或者長期與空氣接觸出現(xiàn)銅的大氣腐蝕而影響過孔的電氣連接性能，也就是孔的長期可靠性，并且還要避免過孔對后續(xù)的PCB制造和裝配工序造成的影響，如： ?

防止波峰焊或者回流焊的焊料進入過孔，影響PCB外觀或者連錫短路

在后續(xù)加工過程中需要真空抓取或固定PCB，而未密封的通孔會影響氣密性

其中，最簡單并且沒有額外工藝費用的方法是過孔蓋油，也即與線路的阻焊保護類似，用阻焊油墨將過孔覆蓋住以達到過孔封閉的保護作用。

需要注意的是，過孔的直徑越小，阻焊油墨的覆蓋效果越好，直徑小于0.3mm的過孔蓋油效果較好，而直徑在0.3mm到0.5mm的之間過孔，填充的效果可能不盡相同，因為這是一個不受控制的過程。 采用過孔蓋油的優(yōu)勢是沒有額外的成本，然而過孔蓋油也有不足的地方，在油墨烘烤的工藝環(huán)節(jié)，油墨是往孔內滲透的，特別是孔徑較大的過孔，這就不能100%保證過孔被阻焊油覆蓋住而不漏光，板廠只能保證蓋油的孔不再粘錫，但孔環(huán)可能會假性露銅泛黃影響PCB外觀，沒有完全封閉的過孔也可能會在后續(xù)的工藝過程中藏藥水或者藏錫珠，存在可靠性問題。 即使是已被阻焊油墨封閉的過孔，在后續(xù)的加工熱循環(huán)過程中，孔內的空氣受熱膨脹會使得阻焊油墨爆開。 過孔蓋油這個工藝嘛，如果僅是PCB打樣，驗證下PCB的設計而不追求過孔的長期可靠性，沒有像BGA這樣的扇出過孔很密集的場景，并且，對PCB過孔外觀也沒有嚴格要求，過孔蓋油是可用的，畢竟便宜嘛? 對于追求長期的過孔可靠性的量產PCB，至少過孔在后續(xù)工藝的熱循環(huán)過程中不能再因空氣受熱膨脹而把封閉的孔給爆開，最好的做法就是把孔塞滿不留空氣在里頭，常用的有油墨塞孔或者樹脂塞孔工藝。 其中油墨塞孔工藝，雖然熱循環(huán)過程不會再爆開，但會有冒油的問題，除了影響PCB的外觀，也會影響SMT良率。 對于有BGA封裝的芯片需要SMT焊接的PCB，由于BGA扇出過孔離BGA焊盤很近，老wu建議采用過孔塞樹脂工藝將孔填滿。 過孔保護工藝權衡的選擇

過孔開窗、過孔蓋油、過孔塞油、過孔塞樹脂/銅漿嘉立創(chuàng)家提供了多種選擇。 過孔開窗，正常工藝肯定是要把過孔封閉保護起來，板廠一般默認按過孔保護工藝來生產，如果有些孔需要作為測試點或者散熱用途，需在Gerber里阻焊層加上過孔開窗對應的圖形信息。 過孔蓋油，對于樣板不要求過孔長期的可靠性，不擔心熱循環(huán)蓋油爆開造成焊接不良的情形，可以采用過孔蓋油工藝，畢竟不會多加錢嘛。 過孔塞油，過孔塞油工藝相對于過孔蓋油對過孔保護的可靠性大幅提高，能夠實現(xiàn)100%塞孔不透光，PCB的品相更美觀，但塞孔油墨的膨脹系數(shù)相對于PCB的樹脂來說過大，這就造成了塞油在后續(xù)的熱循環(huán)中，會出現(xiàn)過孔冒油，對于BGA扇出的過孔來說，過孔與焊盤靠得非常近，冒出來的油會污染BGA的焊盤，帶來焊接不良的風險，而且過孔塞油不適合做盤中孔工藝。 過孔塞樹脂，通孔內部完全填充，因此可以徹底消除過孔中化學藥劑殘留或者錫珠殘留的風險，孔內沒有空氣，也不會因空氣受熱膨脹使得過孔的填充爆開，同時填充的樹脂的膨脹系數(shù)與PCB基材的樹脂的膨脹系數(shù)接近，樹脂塞孔經磨平工藝之后表面非常平整，PCB的品相更好，非常適合BGA的SMT工藝，同時，樹脂塞孔后電鍍填平，可以實現(xiàn)via in pad 盤中孔工藝。

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嘉立創(chuàng)的PCB盤中孔工藝

盤中孔工藝是將通孔放置在元器件焊盤上的設計做法。與標準的PCB通孔布線相比，盤中孔允許設計使用更小的元件間距，并進一步縮小PCB的整體尺寸。 隨著元件正朝著更小封裝方向發(fā)展，以及消費者對更小設備的需求，硬件工程師使用盤中孔的設計已變得越來越普遍。 對于傳統(tǒng)的通孔設計，一般是禁止在焊盤上打過孔，因為焊盤上的過孔如果沒有堵孔的話，在回流焊的過程中，熔融后的焊膏會滲入通孔內，焊盤上的錫膏量就不夠了，會造成元器件的虛焊，甚至熔融后的錫會從過孔流出到PCB的另一面，帶來短路的風險。 但是，因為過孔在焊盤上，焊盤是要與元器件引腳充分接觸以便于焊接的，這就不能用常規(guī)的過孔蓋油的方法來把過孔堵住，以避免錫膏滲入過孔中。 而盤中孔工藝，可以滿足過孔打在焊盤上，而不影響元器件的可焊性。 對于盤中孔，需要采用樹脂塞孔工藝，把過孔完全堵住，然后再電鍍填平，嘉立創(chuàng)家的盤中孔工藝，是樹脂塞孔與電鍍鍍孔的合成，集雙工藝為一身。內部結構如下：

相比普通的過孔蓋油及過孔塞油，嘉立創(chuàng)盤中孔需要經過鍍孔、塞優(yōu)質樹脂、烤干、磨平、二次鍍孔等數(shù)十道等工序，因此帶來的性能及設計便利也是非常不錯的！

一般情況下，這么強的工藝，缺點就是貴！不過對于嘉立創(chuàng)來說，不存在貴的問題，他們現(xiàn)在對6層及以上的多層板，已經免費采用盤中孔工藝生產了，也就是說咱享受了這種高端工藝，而又不用多花錢! ? 嘉立創(chuàng)盤中孔設計規(guī)則(單位:mm) 1、推薦使用范圍：6-20層免費；4層收費。 2、設計要求： ①孔徑大小范圍：0.15-0.5；小于0.15無法生產，大于0.5則按過孔蓋油處理；
②外徑必須大于內徑0.1，推薦值0.15。組合如下：

重點：接插件孔及任何通孔離過孔必須≥0.7，且越大越好

最后，希望嘉立創(chuàng)把盤中孔這種高端的工藝拉下神壇，將它作為高多層板的標配生產工藝，相信能為工程師帶來更大的價值！ ?

編輯：黃飛

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