先進PCB導通孔填孔方案：提升訊號完整性與BGA佈局

PCB導通孔通常是中空的鍍通孔，但當這種開放結構直接放在細間距BGA焊盤下方時，便會產生問題。迴焊期間，焊錫可能流入導通孔，使BGA焊點缺少焊錫。導通孔填孔會封閉孔洞，並在某些情況下於孔口上方電鍍，以形成平坦表面，從而解決這項問題。這能更有效地控制焊錫、增加佈線空間，並讓高密度電路板的佈局更簡潔。

本指南將說明：

• 填孔實際上會在鍍通孔內部產生什麼作用
• 以簡單方式說明IPC-4761的七種導通孔保護類型
• 比較非導電樹脂、銅環氧樹脂及電鍍銅填孔
• 焊盤內導通孔如何釋放細間距BGA下方的佈線空間
• 未填孔的導通孔為什麼會從BGA焊球吸走焊錫
• 平坦化、凹陷限制，以及會導致返工的空洞

了解PCB導通孔填孔及其在高密度互連中的作用

什麼是PCB導通孔填孔及其運作方式

PCB導通孔填孔會把中空的鍍通孔轉變成實心且密封的柱體。在製造過程中，樹脂或金屬會被壓入孔筒內，經過固化、研磨整平，再覆蓋電鍍銅。這會封閉原本從電路板一面貫通至另一面的開放通道。

製程順序如下：

1. 鑽孔並電鍍孔壁：銅電鍍會形成孔筒壁。依IPC-6012規範，Class 2的平均厚度通常為20 µm（0.8 mil），Class 3則為25 µm（1.0 mil）。
2. 壓入填孔材料：刮刀或加壓塗佈設備會把膏狀材料推入孔筒，同時由下方抽真空。
3. 固化填孔材料：透過加熱或UV使膏狀材料硬化。如果過早結束固化，溶劑便會殘留在孔內。
4. 平坦化：研磨機會磨除表面材料，直到填孔材料與銅面齊平。
5. 覆蓋電鍍：第二次電鍍會封閉孔口，使導通孔轉變成可焊接的焊盤。

填孔材料必須充滿整個孔筒，因為不完整的填孔會留下空氣袋。材料在固化期間的收縮也必須盡量減少，因為收縮會把表面拉成稱為凹陷的低窪區域。主要依據文件是IPC-4761，也就是導通孔保護設計指南。該標準定義了七種類型，其中只有三種涉及填滿孔洞。

現代佈局中導通孔填孔的主要電氣與熱學優勢

實際上，填充導通孔幾乎不會改變其阻抗。它真正改變的是導通孔可以放置的位置，而這正是改善訊號完整性的原因。未填孔的導通孔必須放在所連接焊盤的旁邊，再以一小段扇出走線連接，因而增加每條網路的長度。完成填孔與覆蓋電鍍後，導通孔便可移入焊盤內，這段走線也隨之消失。

IPC-4761列出的實際效益，大多與防止物質進入孔洞有關：

• 避免鬆散焊錫球：開放導通孔內的滯留空氣可能在迴焊期間噴出熔融焊錫，使導電焊錫球散落在電路板上。
• 避免防焊材料滲入並減少錫膏損失：液態防焊材料不再積聚於孔筒內，而印刷在密封焊盤上的錫膏也會留在焊盤上。
• 可靠的真空密封且不會隱藏助焊劑：取放設備吸嘴及測試治具依靠真空吸力，開放導通孔會使真空洩漏。填孔後，同一導通孔也不再提供藏匿助焊劑的空間。

討論熱流時，必須清楚理解填孔材料的作用。不論是否填孔，大部分熱量仍由銅孔壁傳導。開放導通孔中的空氣導熱係數約為0.026 W/mK，非導電樹脂則接近0.3 W/mK，大約與周圍的 FR4 相同。導電銅環氧樹脂會改變結果，依JLCPCB公布的數據可達8 W/mK。

探索不同的導通孔填孔技術

帳篷式覆蓋、塞孔及填孔這三個詞經常被交替使用，但它們描述的是不同結構。混淆這些術語是最常見的導通孔規格錯誤，而製造商只會依照您在圖面註記中指定的內容生產。

非導電樹脂與導電銅填孔導通孔

填孔材料可分為三大類，其傳熱能力相差約一千倍。

熱循環會產生銷售資料很少說明的機械限制。銅的熱膨脹係數約為每攝氏度17 ppm。常用的非導電填孔材料Taiyo THP-100DX1，在玻璃轉移溫度以下的膨脹係數約為32 ppm，而在玻璃轉移溫度以上則約為115 ppm。電路板經歷溫度循環時，樹脂會推擠膨脹速率不同的孔壁。IPC-4761明確指出，已知CTE不匹配會造成孔壁裂紋；對覆蓋電鍍的導通孔而言，這種應力則會表現為焊盤翹起。

帳篷式導通孔、塞孔導通孔及完整環氧樹脂填孔選項

帳篷式覆蓋是在孔口上方覆蓋一層像鼓皮般張開的防焊膜，孔內沒有任何材料。塞孔只會把材料部分推入孔內。填孔則會填滿整個孔筒。只有第三種方式能完全密封導通孔。

IPC-4761將這些結構分為七種類型：

有兩項細節經常令設計人員出錯。帳篷式覆蓋需要使用乾膜防焊層，因為液態防焊無法跨越孔洞。IPC-4761亦規定，未加覆防焊的帳篷式覆蓋膜厚度至少應達0.076 mm（3 mil）。帳篷式導通孔也會形成密封空氣袋，因此迴焊熱量會使空氣膨脹，直到覆蓋膜裂開或向上鼓起。

在緊湊型設計中實施焊盤內導通孔技術

填孔後覆蓋電鍍的焊盤內導通孔通常稱為VIPPO，它是直接製作在元件焊墊內的Type VII導通孔。這是唯一能擴展至約0.65 mm以下焊球間距的佈線技術，也正是手機主機板尺寸遠小於開發板的原因。

焊盤內導通孔如何節省細間距BGA的電路板空間

傳統扇出方式是狗骨式結構：由BGA焊盤拉出一段短走線，再連接放置於焊盤間隙內的導通孔。這種方式在間隙仍足夠時可以正常使用。

範例：AMD Xilinx XC7A100T-FGG484的尺寸為23 x 23 mm，採用1.0 mm間距的484個焊球，可提供足夠的通道放置導通孔與走線。STM32H743XI的TFBGA240封裝將間距縮小至0.8 mm，通道便會變得狹窄。nRF52840-CKAA採用晶圓級晶片尺寸封裝，焊球間距為0.35 mm、焊盤直徑為0.212 mm，此時已完全沒有可用通道。

以0.8 mm間距為例。焊盤直徑為0.4 mm時，相鄰焊盤間的空隙也是0.4 mm。JLCPCB的最小成品導通孔直徑為0.25 mm，而且兩側各需要0.2 mm的對銅間距。這項幾何結構需要在0.4 mm的空隙內容納0.65 mm寬度。到了第三圈焊球時，狗骨式扇出已無法放入。

焊盤內導通孔會完全改變這項幾何限制：

• 扇出走線消失：每個狗骨式結構包含0.5至0.8 mm走線，而一顆484焊球的元件共有484條這類走線。
• 釋放外層空間：原本被扇出導通孔佔用的空間會轉變成可用的佈線通道。
• 可以連接內圈焊球：從焊盤直接向下的導通孔可到達任何層，因此焊球圈數不再形成限制。
• 去耦距離更短：焊盤內的接地導通孔會縮短焊球至平面之間的迴路，降低電感。

防止迴焊期間的焊錫虹吸與空洞形成

如果將導通孔放入焊盤內卻不填孔，便等同製作了一個排水口。IPC-4761直接指出，導通孔可能成為熱通道，從焊點吸走焊錫體積。

體積比較可以說明這項問題的重要性。穿過1.6 mm厚電路板的0.3 mm導通孔，內部約有0.11 mm³的空間。0.8 mm間距BGA焊球的直徑只有約0.45 mm，焊錫體積約為0.05 mm³。因此，未填孔的導通孔很容易吸收比整顆BGA焊球更多的焊錫，形成缺少焊錫的焊點。這類焊點仍可能通過基本工作台測試，因此很容易被忽略，真正的失效可能在之後的振動或熱循環環境下才會出現。

第二個問題是排氣，通常由固化不完整造成。UV光無法完全到達深導通孔底部，使溶劑滯留在孔內。迴焊期間，這些溶劑會受熱膨脹，並可能形成空洞或其他缺陷。

JLCPCB先進導通孔填孔方案的卓越製造能力

正確執行製程與寫明導通孔填孔規格同樣重要。填孔比例、固化完整度及表面平坦度都是工廠現場的製程變數，因此必須確認製造商實際承諾的規格。

高精度自動樹脂塞孔與平坦化能力

平坦化是最少被討論、卻最關鍵的步驟。製造商會刻意過量填充導通孔，以確保整個孔筒完全填滿，因此固化樹脂會在銅面上方形成凸起。研磨機會把凸起磨至表面齊平，之後才進行覆蓋電鍍。這項研磨也會移除部分表面銅，因此IPC-4761的範例圖面註記規定，銅厚損失不得超過指定最小 表面電鍍銅厚的50%。

完成後真正重要的公差是凹陷，也就是填孔材料在固化收縮後留下的小型低窪。IPC-4761沒有規定特定數值，而是要求設計人員與製造商共同協議。大多數BGA焊盤圖面會要求凹陷或凸起不得超過25 µm（1 mil），Class 3產品則會收緊至接近15 µm。IPC-4761指出，高度達0.076 mm（3 mil）或以上的凸起會把鋼網抬離電路板，破壞周圍每個開口的貼合密封。一個平坦化不良的導通孔便足以破壞附近焊盤的錫膏印刷。

JLCPCB公布的導通孔規格如下：

• 最小導通孔孔徑為0.15 mm（6 mil），最小成品直徑為0.25 mm（10 mil），直徑至少比孔徑大0.1 mm。
• 帳篷式導通孔最好不超過0.4 mm（16 mil），最大為0.5 mm（20 mil），因為防焊膜無法跨越更大的孔口。
• 油墨塞孔導通孔的塞孔率高於98%，遮光率高於95%。
• 環氧樹脂填孔並覆蓋電鍍，樹脂經平坦化後再覆蓋銅電鍍，適用於最大0.5 mm（20 mil）的導通孔。
• 導熱係數8 W/mK的銅環氧樹脂填孔並覆蓋電鍍，適用於同時傳導熱量及電流的導通孔陣列。

整合X光品質檢查與飛針測試

填孔導通孔會隱藏自身缺陷：包括填孔材料內部的空洞、不完整的覆蓋電鍍，以及孔壁裂紋。每種失效都需要不同的檢查設備。

1. 切片試片可發現空洞：樹脂不含金屬，因此在X光下幾乎不可見。若要查看填孔內部的氣泡，或填孔材料是否與孔壁轉角分離，唯一方法是從拼板邊緣切下犧牲試片，並在顯微鏡下觀察拋光切面。IPC-4761將這種分離視為空洞，因為它會使化學物質滯留在銅面上。
2. X光可發現後續影響：X光可以看見金屬，因此適合檢查導通孔上方的結構，而不是孔內樹脂。對已組裝的電路板，它可以顯示BGA焊球內的空洞，也就是凹陷或排氣不良塞孔所造成的具體缺陷。
3. 電氣測試可發現開路：飛針會依照網表檢查每條網路，因此未能完整電鍍導通的覆蓋層，或因CTE應力產生裂紋的孔壁，都會顯示為開路。填孔導通孔在此也有幫助，因為IPC-4761指出，未填孔的孔洞會洩漏空氣，造成真空式測試治具的探針接觸不穩定。

PCB導通孔填孔常見問題

結論

理解PCB導通孔填孔最實用的觀念轉變，是不要再把它視為一種表面處理選項，而應視為一項結構決策。帳篷式覆蓋可以控制哪些物質穿過電路板；填孔與覆蓋電鍍則會改變導通孔本身，把中空管體轉變成實心、可焊接的柱體，並可放置在任何位置，包括元件焊墊內。這項差異也決定材料選擇：樹脂提供平坦焊盤，銅環氧樹脂提供導熱路徑，兩者不能互相取代。

元件間距持續縮小，每次縮小都會讓更多設計從選配焊盤內導通孔，轉變為必須使用。JLCPCB已將樹脂填孔與POFV列為6層及以上電路板的標準製程，過去的成本障礙已大幅降低。現在剩下的重點是正確指定製程，而這只需要一項圖面註記。