优化铜填充盲微通孔以提升PCB性能

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通孔是印制电路板（PCB）中垫叠焊盘之间电气连接的通道，是PCB的重要组成部分。随着电子设备（尤其是智能手机等同类产品）日益普及且尺寸不断缩小，在板上布置更小通孔的能力变得愈发关键。

您还需要能可靠地在PCB各层间传输信号——这可以通过在板基材上添加铜层来实现——但用铜填充通孔能提供额外的传输能力。

铜填充盲微通孔使高密度互连（HDI）板成为可能，同时也提供可靠的信号传输。虽然这种通孔存在一些挑战，但也带来了诸多优势。请继续阅读，了解该工艺详情及其潜在价值。

什么是微通孔？

IPC将微通孔定义为：“一种盲孔结构（镀铜后），最大长径比为1:1……终止于目标焊盘或穿透目标焊盘，从结构的捕获焊盘箔到目标焊盘的总深度（X）不超过0.25 mm [0.00984 in]。”

在2013年定义修订前，微通孔被定义为直径小于0.15 mm（即0.006英寸）的通孔。随着时间的推移，该尺寸变得更为常见，IPC意识到如果继续用直径定义，就必须随着通孔尺寸缩小而不断更新定义。

微通孔采用激光钻孔，激光钻孔技术的最新进展已实现最小15 μm的微通孔。虽然激光一次只能钻透一层，但PCB制造商可通过分别钻孔多层再叠加，制造出贯穿微通孔。

使用微通孔比普通通孔更少遇到制造缺陷，因为激光钻孔不会在孔内留下材料残留。不过，微通孔在镀铜和焊锡回流方面出现问题的可能性与普通通孔相当。

得益于微小尺寸，微通孔可用于高密度互连PCB，这在当今电子设备（特别是电信和计算设备）向更先进、更小型化发展的背景下显得尤为重要。

什么是盲孔和埋孔？

微通孔可分为盲孔或埋孔。盲微通孔将PCB外层与一个或多个内层连接，不贯穿整块板。它们连接外层顶层及所到达的内层。盲孔有助于提高布线密度。若需将信号线从外层引至内层，盲孔通常是最短路径。

埋微通孔连接两个或多个内层，不延伸至外层。从外层不可见。制造商通常通过连续压合工艺制造埋孔。

什么是铜填充通孔？

铜填充通孔是指填充纯铜或含铜环氧树脂的通孔。这种铜填充增强了通孔的导电性，帮助其更有效地将信号从板的一侧传至另一侧。多种通孔均可铜填充，包括标准通孔、微通孔、盲孔和埋孔。

通孔也可填充其他材料，如金、银、导电环氧树脂、非导电环氧树脂和电化学镀铜。最常见的填充类型是非导电环氧树脂。但铜填充提供的优势使其成为特定应用的理想选择。

铜填充盲微通孔的优势

使用微通孔（无论盲孔还是埋孔）具有多方面优势，主要包括以下几点。

节省空间

使用微通孔的主要优势之一是节省空间，从而降低成本。通孔占用空间越大，所需板材越多，项目成本越高。

微通孔是HDI PCB的关键组件，此类板常包含贯穿孔、埋孔、盲孔、无芯结构、无源基板结构及层对式无芯替代结构。除了尺寸更小、重量更轻，这些板还因元件间距离缩短和晶体管数量增加，提供了更优的电气性能。

微通孔还能更有效地利用焊盘内过孔（VIP）。VIP通过在表面贴装技术（SMT）焊盘内建立连接来节省空间。因尺寸更小，微通孔非常适合VIP应用。普通通孔有时太大，无法置入SMT焊盘内，而微通孔可无制造问题地嵌入焊盘。

盲埋微通孔也比普通盲埋孔更易制造，后者制造难度较大。微通孔本身就是逐层制作，因此更容易实现盲孔或埋孔结构——这需要逐层加工。

微通孔还利于球栅阵列（BGA）引出。微通孔VIP可轻松嵌入细间距BGA焊盘内。在引出通道中更具优势。VIP虽节省表面空间，但需大量层数将输出引至板上其他区域。微通孔可增加逃逸路径宽度，可能减少BGA引出所需层数。

降低EMI

微通孔还有助于减少电磁干扰（EMI）。EMI是指电磁场影响电路、干扰电子设备运行的现象。因EMI风险较低，微通孔特别适合易受EMI影响的电路，如高频或高速应用。

高速电路常面临通孔信号辐射和反射问题。缩小通孔尺寸可降低辐射潜能，从而减少EMI。对于高速电路，存根——仅一端连接的传输线或波导——是另一EMI成因。存根会将信号反射回导体，衰减甚至抵消原始信号。因微通孔逐层制造，不存在存根问题。

高频传输线（如微波和毫米波带状线导体）需要通孔引出信号。标准通孔产生过多EMI，不适用于高频带状线。微通孔产生的EMI极小，不会降低信号完整性。高频电路应用日益增多，使EMI成为更普遍的关注点。

铜填充通孔在热导率和电导率方面也提供显著优势。

热与电导率

用铜填充通孔可提高其热导率，将热量从板上导走，延长使用寿命并降低缺陷风险。热量不再向板上不同部位扩散，而是通过铜传至板另一侧，保护元件。铜的热导率高于金（另一种通孔填充材料）。

铜的电导率也高于金。通孔内铜的导电性使电流能跨越深层而不使PCB过载。这使铜填充微通孔成为高压应用及需要大电流在板两侧间传输场景的理想选择。

铜填充盲微通孔面临的挑战

微通孔制造存在特定挑战，可能导致互连缺陷（ICD）——即镀铜层与内层铜附近的缺陷。ICD会引发可靠性问题、开路、高温下的间歇性故障及电路失效。ICD检测具有挑战性，因其在制造后测试中可能正常工作，却在组装或使用阶段暴露问题。必须重视这些缺陷，精心制造以规避风险。

碎屑导致的ICD

常见ICD类型之一是碎屑进入互连孔并嵌入内层铜中。碎屑常源于钻孔过程。激光钻微通孔产生的碎屑远少于其他钻孔工艺，因此微通孔碎屑型ICD风险较低。但制造商仍须在铜填充前确认所有孔无碎屑、残留物、钻孔污渍、玻璃纤维、无机填料等杂质。

各类通孔的碎屑型ICD呈增加趋势，可能因更多制造商采用低DK/低DF材料。这些材料在许多方面具成本优势，但往往产生更多碎屑，且比标准FR-4环氧材料更耐化学清洗。

铜结合失效ICD

另一常见ICD是铜结合失效。这可能因组装或使用时的高应力、薄弱铜带或两者共同作用导致。发生铜结合失效ICD时，铜连接会物理断裂。铜结合越弱，断裂所需应力越小。

铜结合失效ICD发病率似乎在上升，可能因制造商越多采用更厚PCB和更高无铅焊接温度。更大孔径和波峰焊也会增加铜结合失效概率。此类失效在微通孔和标准通孔均会发生。

空洞与可靠性

微通孔铜镀层过程常见问题包括填充不全、凹陷和空洞。这些缺陷会导致可靠性问题。马里兰大学研究人员的研究表明，铜填充不全会提高微通孔应力水平，降低其疲劳寿命（即试件失效前能承受的应力循环次数）。

空洞对微通孔可靠性的影响取决于其尺寸、形状和位置等特征。例如，微小球形空洞可略微增加微通孔疲劳寿命，而极端空洞条件会显著缩短寿命。

盲微通孔铜填充工艺

钻孔后，制造商将纯铜或含铜环氧树脂填入微通孔，以连接内层电路与PCB表面。这使您能在板表面放置元件或连接器，并实现层间电路连接。

处理盲微通孔时，若不使用添加剂直接填充，通常会形成空洞。制造商总是镀铜至通孔闭合，但无添加剂时，孔内沉积铜量少于表面，易形成空洞。

某些有机添加剂可抑制表面沉积、增加盲微通孔内镀铜量，实现共形沉积。共形镀铜也提高盲微通孔长径比，限制溶液和质量传输进入孔内。此工艺有时会导致微通孔中心形成接缝。

也可采用自底向上法铜填充盲微通孔，即优先在捕获焊盘沉积铜。理想情况下可形成低凹陷且表面镀铜最少的结构。

铜填充通孔时，须确保孔内铜层均匀，避免外层过厚。多余铜会增加PCB重量，导致走线铜过厚，进而引发缺陷、不合规或成本增加——对微通孔尤为关键，因其设计规范更严格。

填充盲微通孔时，需考虑用纯铜还是环氧树脂加铜。纯铜是传统工艺，但易形成空洞，杂质也可能被困在铜中。填充顶部留凹槽有助于预防这些问题。

一种填充贯穿孔的方法实质是创建两个盲微通孔。该工艺先共形镀铜，再切换为激进脉冲镀铜，在孔壁形成两个铜三角形的X形结构，实质上在PCB两侧各形成一个盲微通孔。下一步将完全填充这两个BMV。

新型铜电解液的开发等近期进展，使无缺陷、无多余铜地填充盲微通孔成为可能。盲微通孔填充电解液通常具有高铜浓度、低硫酸浓度和氯离子。用于控制镀层特性的有机添加剂通常包括开槽剂、晶粒细化剂和平整剂。

Millennium Circuits Limited的铜填充盲微通孔

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