掌握 PCB 鑽孔精度：高品質電路板的工具、技術與導通孔最佳化

在現代多層板中，精準的孔位用於連接內部銅層並組裝元件。以我們的情況來說，鑽孔開啟了導通孔與穿孔，讓訊號能在各層之間傳遞，坦白說這是 PCB 製程中最關鍵的一環。原因是它奠定了導通孔的基礎，並確保各層 PCB 能彼此通訊。所有鍍通孔最初都只是單純的鑽孔，之後再鍍上銅。直徑僅 100 µm 的孔也必須命中目標。一旦鑽錯，就會產生開路或接觸不良的互連，整塊板子都會受到影響。板子品質、訊號完整性與最終組裝，基本上取決於鑽孔。

非電氣孔也必須透過高效率的鑽孔來處理。其餘孔位不鍍銅，以便鎖螺絲或安裝定位治具。不論哪一種，鑽頭都必須在正確位置鑽出乾淨且完美居中的孔。在現今的 PCB 生產中，所有板子都像一張大型鑽孔工作表，任何微小位移都無法接受。這就是正確鑽孔圖與檔案之所以重要——它們讓 CNC 機台知道每個孔該鑽在哪裡。

鑽孔在層間互連的關鍵角色

因此，PCB 的鑽孔本質上讓電氣連接得以實現。使用 多層板 時，可能會有 4、6 層或更多銅層——若沒有鑽出的孔，所有層都會是各自獨立的島嶼。穿孔與導通孔成了將一切綁在一起的連接。鑽孔後會對孔進行鍍銅，使銅能貫穿板子。鑽頭基本上清除了訊號周圍的區域。孔鍍銅後形成銅壁，電源與資料即可上下傳輸。

這種連接在高密度板中極為關鍵。如同智慧型手機，一塊多層板可能含有數千個導通孔。每個孔都必須完美連接每一層的銅墊與走線，才能達成無縫連接。據業界專家表示，鑽孔必須精準——若不精準，機器甚至無法貼合板子，因為孔位會對不齊。

穿孔、盲孔與埋孔的差異

• 穿孔（鍍通孔，PTH）– PCB 上最常見的導通孔，從板頂到底完全鑽穿。鍍銅後可將所有層電氣連接。穿孔用於標準導通孔連接與插件元件接腳，可確保貫穿整個板厚的連續連接。
  
• 盲孔 – 盲孔連接外層與一或多個內層，但不穿透另一側。從外觀看像是部分鑽孔或「盲」孔，因為看不到底。盲孔在 HDI 設計中節省空間，無需佔用對側版面即可實現外層與內層連接，對於在有限面積塞入大量電路至關重要。
  
• 埋孔 – 埋孔完全藏在板內，僅連接內層。從外觀完全看不到，因為它被埋在芯板之間。埋孔能在極高密度多層設計中騰出表面空間，但需在最終壓合前先對內層鑽孔與鍍銅，製程更複雜。
  

額外說明： 微導通孔是超小型盲孔（常 <0.15 mm），由雷射鑽孔形成。這些孔用於現代 HDI 板中的極細連接，特別是相鄰層之間。雷射鑽出的微導通孔尺寸極小且精準，機械鑽頭難以實現。

現代製程中的先進鑽孔工具與設備

在 PCB 工廠，我們傾向使用炫目的 CNC 鑽孔機，而非笨重手持工具。現行機台轉速極高（氣浮主軸可達 150 000 RPM），能鑽出小至 100 µm 的孔。JLCPCB 甚至以此自豪！你知道嗎？最精細的牙鑽大約只能到 40 000 RPM，而這些 CNC 機台遠超於此。氣浮主軸能在孔位間極速切換，每分鐘鑽出數百孔，精度達微米級。論一致性，人手持鑽 150k RPM 根本無法匹敵。

除了高轉速，先進鑽機還配有自動換刀與雷射鑽孔附件。高階產線常將機械鑽與雷射鑽整合於同一單元。JLCPCB 指出，他們採用先進 CNC 鑽孔機、雷射系統及嚴格品管，確保每孔精度。CNC 機台負責絕大多數標準導通孔與元件孔，而 UV 或 CO₂ 雷射則處理需要次毫米精度的微導通孔與盲孔。結合兩種工具，製造商就能涵蓋現代板件所需的所有孔徑與類型。

高速主軸與 CNC 鑽孔機

PCB 鑽機的關鍵特色是高轉速。PCB 主軸轉速達數萬 RPM，遠高於金工鑽頭。高轉速可讓切屑細小並降低推力，對穿透玻璃纖維基板至關重要。例如 IPC 指南建議，鑽 0.5 mm 左右孔徑時採 40 000–60 000 RPM，微導通孔則更高。許多機台在尖端使用氣浮軸承以減振，必要時可超過 100 000 RPM。高速精度讓 0.1 mm 孔能穩定加工，是高密度板必備。

CNC 自動化確實是救命工具，因為一切循軌而行。板子固定在機台上，電腦僅需依鑽孔程式移動主軸，逐一鑽孔。精密 XY 平台與步進馬達確保每孔精準到位，通常僅微米級誤差。對 PCB 設計者而言，這是好消息——他們可確信工廠會在所需位置鑽孔。額外好處是品質重現性：同一批內每塊板子鑽孔完全一致。

鑽頭類型：硬質合金、幾何與鍍層差異

PCB 鑽孔不僅靠炫目機台，更關乎鑽頭本身。絕大多數 PCB 孔皆使用整體鎢鋼鑽頭，因其極硬，在切削玻璃纖維 FR-4 時仍保持鋒利。鎢鋼壽命可達高速鋼 (HSS) 十倍，缺陷更少。商業 PCB 幾乎不用 HSS，因其磨損快且破壞孔品質。

鑽頭幾何同樣重要。PCB 鑽尖通常 130–140°，以降低推力並在基材上留下乾淨出入口。排屑槽長、螺旋角與鑽芯厚度皆經調校，兼顧剛性與排屑。對於 <0.2 mm 微導通孔，採用特別研磨的微鑽，以定心並防止折斷。PCB 鑽頭常鍍 TiN 或類鑽碳膜，減少摩擦與磨損，特別是超細孔。這些鍍層延長刀具壽命、提升孔品質並降低治具成本。

雷射鑽孔——互補的精密選項

我認為機械鎢鋼鑽對大多數孔位已經完美，但當導通孔極小時，通常換成雷射鑽孔；很酷的是，雷射無需接觸材料即可切割。雷射鑽孔技術已普及。UV 雷射可在薄銅/樹脂層上打出 0.02 mm 微導通孔，CO₂ 雷射則可穿透較厚樹脂層。

然而雷射在大批量時速度較慢，也無法切削厚銅箔，因此是補充而非取代機械鑽。雷射設備昂貴，通常只用於微導通孔可靠性至關重要的高密度設計。實務上，HDI 板可能由機械鑽負責所有 >0.15 mm 孔，雷射則處理 BGA 焊墊間 <0.15 mm 微導通孔。最終形成超細互連網路，單靠機械鑽頭無法達成。工程師可指定與雷射相容的孔尺寸，並確認製造商具備雷射能力。

精準高效鑽孔的關鍵技術

疊板高度管理與鑽深控制

製造商常將多片板疊在一起以提高產能。但疊太多片可能損害精度。業界慣例是將 1.6 mm FR-4 板疊高限制在 3–5 片。超過此限易導致偏斜與位置公差增大。為此，業者使用上下墊片，將疊板夾於保護片之間——頂層入口片與底層出口片。出口片承接底部鑽頭，入口片則導引鑽尖，減少毛邊與銅箔撕裂。

對於控深鑽孔，現代鑽機可追蹤深度。CNC 在達到設定距離後退刀，留下精準深度的盲孔。製作盲孔時，鑽頭不穿透銅內層，而是反轉並在內銅層出口。控深鑽孔需校準，但能在不傷外層下精準鑽出內孔。

啄鑽與排屑策略

鑽 FR-4 等玻璃纖維板時，樹脂與玻璃碎屑可能堵塞鑽頭排屑槽。許多機台採用啄鑽：鑽頭前進一小段後退，循環往復。此循環可碎屑並藉氣流排出，同時降溫。此外，主軸旁常吹真空或高壓氣，將切屑從鑽頭吹離。大量產線會在鑽孔步驟間以自動真空或毛刷清板。排屑至關重要——若鑽頭堵塞，可能燒焦或偏斜。

粉塵控制亦不可或缺。FR-4 粉塵細且粗糙。許多工廠鑽孔後以空壓或真空清除。部分更進一步採用微量噴霧冷卻，以細油霧或氣溶膠冷卻鑽頭並控塵，又不濕板。最終，啄鑽循環、氣吹與真空抽吸共同保持切削區清潔，避免過熱，也是即使鑽數千孔仍能精準的關鍵。

優化鑽孔參數以提升板品

• 主軸轉速 (RPM)： 更高 RPM 讓鑽頭切削更快，降低切削力。PCB 鑽速遠高於金工鑽。例如 IPC 指南建議 <0.5 mm 孔可用 80 000–100 000 RPM。經驗法則：孔越小，RPM 越高。

• 進給速率： 即鑽頭下鑽速度（通常以每分鐘英寸或毫米計）。關鍵參數是切屑負載：每轉切削量。標準 FR-4 常見切屑負載約 0.001–0.002 英吋/轉。

• 鑽孔次數上限： 每支鑽頭壽命有限。磨損後孔品質下降（毛邊、粗糙孔壁）。IPC-DR-572 給出典型壽命：新鑽頭在雙面 FR-4 可鑽約 3 000–3 500 孔後需重磨。

進給、轉速與鑽孔次數

如前所述，平衡 RPM 與進給是關鍵。FR-4 含玻璃纖維與樹脂，具研磨性且對熱敏感。高轉速降低推力但升溫；高進給提高材料移除量卻增加負載。常見策略是先設中等值再微調。諸多 PCB 鑽孔指南強調切屑負載一致性。現代 CNC 控制器可動態調整 RPM 與進給以維持目標切屑負載。高階廠房嚴格監控鑽孔次數。例如鎢鋼鑽重磨後溝長變短，意味疊板數需減少以避免偏斜。

減少毛邊、孔壁粗糙與鍍銅空洞

即使定位與刀具完美，鑽孔仍可能產生缺陷：出入口毛邊、粗糙孔壁或鍍銅附著不良的小間隙。有多種策略可降低缺陷。首先，使用前述出入口墊片可大幅減少板面毛邊。其次，鑽削參數影響孔壁光滑度。

鑽孔後輕微去毛邊或刷磨可移除殘留粗糙。部分工廠採二次製程：背鑽（自底面局部上鑽）以消除埋孔栓形殘留，或超音波清洗以除塵，防止鍍銅空洞——即孔壁銅未完全覆蓋區域。良好的鑽孔實務與刀具維護在此至關重要。

熱效應與材料專屬調整

溫度亦關乎熱膨脹。若廠房過熱或潮濕，PCB 疊板可能微膨脹，導致對位偏移。優秀廠房會嚴格控溫濕。部分製造商甚至在鑽孔前預烘板件以除濕，尤其對易吸濕的 FR-4 等材料。FR-4 疊板可用氣吹除塵，而陶瓷填充板則可能用霧冷。工程師應提供板材（FR-4、聚醯亞胺等）以便廠商調整參數。

PCB 鑽孔的挑戰與專業對策

常見缺陷如偏移與斷鑽

層間偏移是首要顧慮。若鑽頭偏移或板件滑動，導通孔可能錯位或傾斜，導致開路。疊板偏移可能因板翹或層數過多造成「帳篷」效應。為此，製造商會緊固板件並使用薄支撐膜，確保每片板平整。

斷鑽也是隱憂。微小鎢鋼鑽，尤其 <0.3 mm，相當脆弱。若突然扎入板角或進給設定錯誤可能折斷。為減少風險，鑽程設有斷鑽保護：若電流突增或位置回授異常抖動，機台立即停機。每輪作業後亦以顯微鏡檢查鑽頭磨損或裂痕。

常見問題 (FAQ)

Q：為何 PCB 鑽孔精度與孔品質如此重要？
A：因為每個導通孔都始於鑽孔，任何誤差都會影響電氣連接。不準或粗糙的孔可能導致鍍銅不良、電阻升高或開路。

Q：下單 PCB 時如何指定孔需求？
A：在製作備註或鑽孔圖中列出每孔的直徑與是否鍍銅。若需特定導通孔（盲、埋、微孔），需註明並確認廠商具備該能力。

Q：我能將多片板疊在一起用同一鑽孔程式嗎？
A：可以，這是常見做法。同一鑽孔座標可用於疊板中每片板，節省換線時間。僅需注意疊高限制：通常每疊 3–5 片標準板。

Q：我能鑽哪些材料？與標準 FR-4 有何不同？
A：FR-4 是標準，大多數廠商已針對其優化。您也可鑽其他材料（聚醯亞胺、Rogers、陶瓷、金屬芯），但參數會改變。

Q：PCB 製造中鑽孔製程需時多久？
A：雖然鑽頭轉速達 100k+ RPM，鑽孔並非瞬間完成。大而複雜的板子可能有數百孔。

Q：JLCPCB 的鑽孔能力如何？
A：JLCPCB 可製作最多 12 層多層板，並可依需求製作盲埋孔。我們常規可鑽 0.1 mm（4 mil）孔，並以雷射鑽微導通孔用於 HDI 板。機台轉速達 150 000 RPM，孔位精度控制在數微米內。