利用嵌入式被動元件打造更小、更聰明的 PCB
2 分鐘
- 雷射鑽孔在現代 PCB 生產中的重要性日益提升
- 雷射鑽孔對高效能 PCB 的關鍵優勢
- 成功導入雷射鑽孔的設計考量
- 雷射鑽孔的專業製造流程
- JLCPCB 在雷射鑽孔技術上的專業能力
- 雷射鑽孔常見問題
- 結論
重點整理
雷射鑽孔已成為高精度與高密度 PCB 製造的核心技術，可製作小至 25–75 µm 的微孔，遠超過機械鑽孔約 150 µm 的限制。憑藉更高精度、非接觸式加工、優異的訊號完整性，以及可靠的盲孔／堆疊微孔能力，雷射鑽孔能支援現代電子產品所需的先進 HDI 板設計。從最佳疊構選擇，到專業鍍銅與 DFM 實務，掌握雷射鑽孔是實現更高布線密度、更薄板厚與更佳效能的關鍵。
你是否曾想過，智慧型手機裡一片印刷電路板明明比信用卡還薄，卻能容納數千個連接點？如果你也好奇，那就要感謝雷射鑽孔技術。它徹底改變了高密度印刷電路板的生產方式。隨著元件封裝越來越小、腳位數不斷增加，機械鑽孔通常只能做到大於 150 微米的孔徑。這正是雷射鑽孔派上用場的地方，它能以極高精度製作低至 25–75 微米的微孔，而且不會對板材造成機械應力。本文將介紹什麼是雷射鑽孔、它與傳統鑽孔有何不同、相關設計規則，以及雷射鑽孔如何支援複雜 HDI 板的大規模生產。
雷射鑽孔在現代 PCB 生產中的重要性日益提升
什麼是雷射鑽孔？它與機械鑽孔有何不同？
什麼是雷射鑽孔？它是一種非接觸式製程，透過高能量光束移除 PCB 基材上的材料。此製程可在不實際接觸 PCB 的情況下，形成精準孔徑。常見雷射類型包括 CO2 雷射（9.4 至 10.6 微米）與 UV 雷射（355 nm，也稱為 Nd:YAG 雷射）。
傳統鑽孔是使用旋轉式碳化鎢鑽針完成。它適合通孔製作，但最小鑽針尺寸約為 150 微米（6 mil）。更小的鑽針強度不足、容易磨耗，也容易產生毛邊。
| 參數 | 機械鑽孔 | CO2 雷射 | UV 雷射 |
|---|---|---|---|
| 最小孔徑 | 150 µm（6 mil） | 75 µm（3 mil） | 25 µm（1 mil） |
| 鑽孔速度 | 300–600 次／分鐘 | 500–2,000 脈衝／秒 | 5,000–30,000 脈衝／秒 |
| 是否接觸材料 | 是（物理接觸） | 否（熱燒蝕） | 否（光化學作用） |
| 孔品質 | 可能有毛邊、膠渣 | 乾淨，略有錐度 | 非常乾淨，錐度極小 |
| 工具磨耗 | 鑽針會磨耗 | 無工具磨耗 | 無工具磨耗 |
| 典型用途 | 通孔導通孔 | 盲微孔 | 超細微孔 |
為什麼它已成為高密度與 HDI 板的必要技術
想想最新的智慧手錶、5G 天線，或先進駕駛輔助系統（ADAS）感測器。這些裝置需要具備多層微孔、盲孔與堆疊孔的高密度互連（HDI）PCB。HDI 板的分項設計標準 IPC-2226 定義了六種 HDI 結構類型，其中都包含雷射鑽孔微孔。若沒有 PCB 雷射鑽孔，就無法達到現今 BGA 扇出設計所需的導通孔密度，例如 0.4 mm 或 0.5 mm pitch。隨著 Chiplet（小晶片）技術持續推高腳位數，這項技術也變得更加重要。
雷射鑽孔對高效能 PCB 的關鍵優勢
以更高精度與更小孔徑實現微孔
現今的 UV 雷射鑽孔系統可提供位置精度正負 10 微米、孔徑精度正負 15 微米。當一片 panel 上需要鑽出數千個微孔時，這種精度至關重要。
雷射鑽孔的優點包括：
- 更小孔徑：可製作 75 µm 到 25 µm 的微孔，提升布線密度與 BGA 扇出能力
- 非接觸式製程：無工具磨耗、無震動，也不易造成板翹
- 無工具磨耗：從第 1 個孔到第 1,000,000 個孔，雷射能量不會因鑽具磨耗而衰減
- 可停在銅層：雷射可在銅層停止，適合製作盲孔
- 碎屑更少：UV 雷射透過光化學燒蝕，熱影響區較低
一個關鍵差異：CO2 雷射可燒蝕介電材料，但會被銅反射，因此通常需要先在銅層開窗。UV 雷射則可燒蝕銅與介電材料，能在不需預處理的情況下直接鑽孔，但每個脈衝的燒蝕速率較低。
改善訊號完整性並降低層數
有一點設計工程師常會忽略：雷射鑽孔微孔可以提升電氣性能。直徑 100 µm、深度 75 µm 的微孔，其寄生電容與寄生電感遠低於從板子一面貫穿到另一面的通孔導通孔。對於 PCIe Gen4/5、DDR5 或 USB4 等多 Gb/s 高速訊號而言，通孔導通孔殘段會形成諧振器，造成訊號完整性問題。微孔只穿越必要層別，可避免這個問題。其優點包括：
- 降低導通孔殘段電感，減少阻抗不連續問題
- 更小的孔壁與焊盤直徑可降低寄生電容
- 在訊號導通孔旁使用微孔，可改善回流路徑連續性
- 平面層中更小的 anti-pad 開口可降低串音
隨著布線密度提升，你甚至可能將 10 層 疊構降為 8 層。這代表成本可降低、板子可更薄，互連距離也能更短。
成功導入雷射鑽孔的設計考量
導通孔尺寸、縱橫比與佈置指南
雷射鑽孔有其設計規則。最重要的一項是縱橫比，也就是導通孔深度與直徑的比例。業界建議雷射鑽孔微孔的最大縱橫比為 1:1。也就是說，直徑 100 µm 的微孔，其深度不應超過 100 µm。
請遵循以下設計指南：
1. 最小導通孔直徑：75–100 µm（CO2 雷射），50–75 µm（UV 雷射）
2. 捕捉焊盤直徑：導通孔直徑至少再加 100 µm（每側 50 µm 環寬）
3. 導通孔間距：微孔之間邊到邊至少 150 µm
4. 堆疊式 vs. 錯位式：堆疊微孔需要銅填孔；錯位微孔的製程要求相對較低
5. 與板邊保留距離：微孔與板邊至少保持 300 µm
與疊構及材料選擇的整合
疊構與材料會影響雷射鑽孔品質。微孔是層與層之間的互連，因此微孔深度取決於介電層厚度。一般而言，75 至 100 µm 的預浸材厚度最為理想。若厚度超過 125 µm，縱橫比會增加，鍍銅品質也會下降。玻纖布型號比想像中更重要。CO2 雷射在厚玻纖布，例如 7628，上表現較差，因為玻纖會散射雷射光束。較薄的玻纖布可形成更乾淨的孔。
| 材料特性 | 對雷射鑽孔的影響 | 建議 |
|---|---|---|
| 預浸材玻纖布型號 | 厚玻纖會散射雷射光束 | 使用 1080 或 2116，避免 7628 |
| 介電層厚度 | 決定導通孔深度與縱橫比 | 維持在 75–100 µm |
| 樹脂含量 | 較高樹脂含量可讓 CO2 鑽孔更乾淨 | 選擇高樹脂含量的預浸材 |
| 銅箔厚度 | 較厚銅箔需要更多 UV 脈衝 | 微孔層建議使用 0.5 oz |
雷射鑽孔的專業製造流程
精密雷射參數與製程控制
要製作高品質微孔，必須搭配最佳化的雷射鑽孔製程。關鍵參數包括：
- 脈衝能量（毫焦耳）：能量越高溫度越高；能量過低則容易殘留碎屑
- 脈衝重複頻率：CO2 雷射可達數百 Hz，UV 雷射可達數十 kHz，用於提升速度
- 脈衝寬度：奈秒脈衝最常見；極細結構則可使用皮秒脈衝
- 每孔脈衝數：常見為 5 至 20 個脈衝；孔越深通常需要更多脈衝
- 光斑尺寸與對焦：使用具備微米級精度的振鏡控制
現今系統會使用視覺系統對準基準標記，疊對精度可達正負 15 至 20 微米。製造商也會為每一批次使用測試片，量測上孔徑與下孔徑，再將參數導入正式 panel 生產。
鑽孔後鍍銅與品質驗證
孔鑽好之後，接下來要做什麼？傳統鑽孔後流程如下：
1. 除膠渣／電漿清潔：使用高錳酸鹽或電漿蝕刻清除銅焊盤上的樹脂膠渣
2. 化學鍍銅：在導通孔孔壁形成 0.5–1.0 µm 的銅層
3. 電解鍍銅：鍍至至少 20–25 µm 厚度（IPC-6012）
4.導通孔填孔（如有需要）：使用導電或非導電填孔膏，之後再進行研磨
5. 蓋鍍：形成表層銅，提供平整且可焊接的表面
檢驗會透過微切片確認鍍銅厚度、導通孔形狀與缺陷。X 光可用於量測空洞。根據 IPC-6012，Class 3 微孔的孔壁銅厚至少應達 12 µm，且目標焊盤之間不得有空洞。
JLCPCB 在雷射鑽孔技術上的專業能力
用於高精度微孔的先進雷射系統
在大量雷射鑽孔生產中，設備與製程品質至關重要。JLCPCB 使用先進 CO2 與 UV 雷射設備，可在量產中穩定鑽出小至 75 µm 的微孔。其設備包含視覺對位、即時功率監控與製程配方設定。
JLCPCB 雷射鑽孔流程最有價值的特色之一，是可製造性設計（DFM）檢查。製造前，工程師會審查 Gerber 檔案中可能影響雷射鑽孔的問題，例如焊盤對位、縱橫比、導通孔間距與材料相容性。
交付複雜電路板的可靠實績
JLCPCB 會對雷射鑽孔 panel 進行微切片、電測與 AOI 檢查，確保每一個微孔都符合 IPC-6012 標準。其在 IoT、穿戴式裝置與 RF 多層設計上的經驗，也展現了穩定的製程能力。如果你準備將 PCB 設計原則落實到產品中，JLCPCB 的雷射鑽孔、DFM 與價格優勢，會讓它成為極具吸引力的製造商。JLCPCB 提供從原型到量產的製造服務，PCB 最快可 1–2 天生產，並提供 SMT 組裝服務，PCB 價格低至 2 美元。
雷射鑽孔常見問題
問：什麼是雷射鑽孔？它與機械鑽孔有何不同？
雷射鑽孔使用聚焦光束（CO2 或 UV）在不接觸材料的情況下燒蝕 PCB 材料，可形成小至 25 至 75 微米的孔。機械鑽孔則使用碳化鎢鑽針，最小孔徑通常限制在約 150 微米。
問：PCB 鑽孔會使用哪些類型的雷射？
CO2 雷射（9.4–10.6 µm 波長）用於移除介電材料；UV 雷射（355 nm）則可燒蝕銅與介電材料。CO2 是標準微孔的主力技術，而 UV 則適合超細結構與直接鑽銅。
問：雷射鑽孔微孔的最大縱橫比是多少？
業界標準為 1:1，也就是深度與直徑相同。100 µm 的微孔深度不應超過 100 µm。維持在 1:1 或以下，可確保可靠鍍銅與長期接點完整性。
問：雷射鑽孔微孔可以堆疊嗎？
可以，但下層微孔必須先完成銅填孔並平坦化，之後才能在其上方鑽下一個孔。若空間允許，錯位微孔製造難度較低，也是很好的替代方案。
問：雷射鑽孔適用於所有 PCB 材料嗎？
它適用於 FR4、高 Tg FR4、聚醯亞胺，以及 Megtron、Rogers 等低損耗板材。不同材料需要不同雷射參數。像 7628 這類厚玻纖布對 CO2 雷射較具挑戰性，因此務必先與製造商確認製程能力。
結論
雷射鑽孔重新定義了 PCB 的設計邊界，可實現小至 25–75 微米的微孔，這是機械鑽針難以達成的尺寸。這種非接觸式製程不僅能最大化布線密度，也能透過降低寄生效應並消除導通孔殘段，提升高速設計的訊號完整性。 JLCPCB 採用先進 CO2 與 UV 雷射系統，在量產中以高一致性實現極高精度。結合專業的可製造性設計（DFM）審查，可確保你的高密度 layout 在可靠性與效能方面都得到最佳化。持續學習
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