高速 PCB Via Stub 完整指南：成因、影響、Backdrilling、Blind Via 與對策

在高速 PCB 設計中，Via Stub（導通孔殘段）是非常重要的 Signal Integrity 問題。

Via Stub 指的是 Plated Through-Hole Via 中沒有實際參與訊號傳輸的那一段 Copper Barrel。

當 Data Rate 提升到約 5–10 Gbps 以上時，這些看似很短的導體可能產生 Reflection、Resonance 與 Jitter，造成 Eye Diagram 收縮並提高 Bit Error Rate。

因此，理解 Via Stub 如何形成、它對高速訊號造成哪些影響，以及如何透過 Backdrilling（背鑽） 等方式進行改善，是 High-Speed PCB Design 中相當重要的一環。

依原文資料，JLCPCB 可在最高 32 Layer 的多層 PCB 上提供相關精密 Backdrilling 製程。

什麼是 Via Stub？為什麼它對現代高速電子如此重要？

Via Stub 是 Through-Hole Via 在最後一個實際連接 Signal Layer 之後，繼續向 PCB 其他層延伸的未使用導體區段。

例如，在 Multi-Layer PCB 中，如果訊號從 Layer 1 透過 Through Via 只連接到 Layer 3，那麼從 Layer 4 一直到 PCB Bottom 的 Copper Barrel 並沒有參與實際訊號傳輸。

這段導體就是 Via Stub。

在高速環境中，它會近似一段 Open-Ended Transmission Line Stub，並產生寄生：

• Inductance
• Capacitance
• Resonance

Via Stub 之所以重要，是因為現代系統，包括：

• 5G Base Station
• Automotive Radar
• Data Center Switch
• High-Performance Computing

所使用的頻率與 Data Rate 越來越高，即使非常短的 Stub 也可能對 Channel 造成明顯影響。

原文指出，在板厚超過約 1.2 mm 的設計中，如果 Stub Length 超過 15 mil（0.381 mm），通常就應開始考慮相關 Mitigation Strategy。

到了 Multi-Gigabit Speed，工程師不能再把 Via 視為單純的電氣連接孔。每一個 Geometry Discontinuity 都會消耗 Channel Budget。

PCB Via 與 Via Stub 的基本定義

標準 PCB Via 是經過 Drilling 與 Plating 的孔，用來電氣連接不同 PCB Layer 上的 Trace。

如果這顆 Via 穿透整片 PCB，但實際訊號只使用其中部分 Layer，那麼剩餘的 Plated Barrel 就會形成 Via Stub。

在高頻下，這段 Stub 會表現得像具有 Resonance 的 Transmission-Line Stub。

它的 Electrical Length 受到以下因素影響：

• 實際 Physical Length
• PCB Dielectric Constant
• Operating Frequency

原文以 FR-4 約 εr = 4.0–4.5 為典型例子。

Via Stub 會形成 Impedance Discontinuity，進而造成 Signal Reflection；如果問題嚴重，甚至可能導致系統層級的高速傳輸失效。

實務上，Via Stub 最常出現在較厚、Layer Count 較高的 PCB，因為這些設計往往會大量使用成本與製造複雜度相對較低的 Through-Hole Via。

上圖比較 Through-Hole Via、Blind Via、Buried Via，以及標準 Through-Hole 結構中 Via Stub 的形成方式。

Through-Hole Via、Blind Via、Buried Via 與 Via Stub 的差異

Through-Hole Via 會貫穿整片 PCB。

這類 Via 製造相對容易，但也最容易產生較長的 Stub。

Blind Via 只連接 Outer Layer 與一個或數個 Inner Layer，不會穿透整片 PCB。

Buried Via 則只存在於 Internal Layer 之間，而且通常需要額外的 Sequential Lamination Process。

Via Stub 本身則是任何 Via 中「沒有參與實際電氣連接」的延伸區段，但最常見於 Through-Hole Via。

Blind Via 與 Buried Via 可以從結構上避免形成長 Stub，但會增加製造步驟與成本。

對許多 Multi-Layer High-Speed PCB 而言，對 Through-Hole Via 使用 Backdrilling，往往能以相對較低的總成本取得接近 Blind／Buried Via 的高速性能。

依原文資料，JLCPCB 可在 4–32 Layer PCB 上搭配標準 Through Via 與 Backdrilling，在 Routing Density、Electrical Performance 與 Manufacturability 之間取得平衡。

什麼時候 Via Stub 會變得關鍵？高速訊號、5G、車用與資料中心

原文指出，Via Stub 在以下情況開始需要特別重視：

• Data Rate 約 5–10 Gbps 以上
• PCB Thickness 使 Stub Length 超過約 15 mil

在 5G Infrastructure 中，如果 Via Stub Resonance 靠近 Nyquist Frequency，就可能明顯降低 Return Loss 表現。

Automotive Radar Module 在 24 GHz／77 GHz 等高頻環境下，對額外 Radiation 與 Loss 更加敏感。

而處理 112G PAM4 或更高速 Data Rate 的 Data Center ASIC，則需要非常乾淨、低 Jitter 的 Channel。

未處理的 Stub 可能迫使系統加入更強的 Equalization，或縮短允許的 Trace Length，增加 Power Consumption 與 System Complexity。

因此，利用 Backdrilling 搭配標準 Stackup，是許多高速 PCB 控制 Via Stub 的實用方式。

Via Stub 如何形成，以及它對 Signal Integrity 的負面影響

Via Stub 本身是標準 Multi-Layer PCB 製造流程中自然形成的結構。

Through-Hole 完成 Drilling 與 Plating 後，如果訊號只連接其中部分 Layer，那麼超過最後 Functional Signal Layer 的 Copper Barrel 就會留下成為 Stub。

PCB 越厚，或者訊號 Transition Layer 越靠近表面，可能留下的 Stub 就越長。

這些 Stub 所產生的寄生效應會隨 Frequency 與 Length 增加。

在高速 Channel 中，Via Stub 甚至可能成為整條 Transmission Path 中最主要的 Discontinuity 之一。

Stub Resonance 與 Impedance Discontinuity 的物理原理

Via Stub 可以近似為一段 Open-Circuited Transmission Line。

它的 Input Impedance 會隨 Frequency 改變。

當 Via Stub Impedance 明顯偏離原本 Trace Impedance 時，就會形成 Reflection。

原文使用的典型高速阻抗值為：

• Single-Ended：約 50 Ω
• Differential：約 100 Ω

Via Stub 的 Quarter-Wavelength Resonance Frequency 可以用下式近似：

f ≈ c / (4 × L_stub × √ε_r)

其中：

• c：光速
• L_stub：Via Stub Length
• ε_r：Dielectric Constant

原文举例：如果 FR-4 的 εr 约为 4.3，而 Stub Length 为约 0.5 mm，则 Resonance 可能出现在约 10–12 GHz。

这个频率范围可能直接落在许多 25 Gbps High-Speed Signal 的有效工作频带内。

Stub Resonance 会在 Insertion Loss（S21）中产生明显 Notch，同时也会对 Return Loss（S11）产生明显影响。

原文列出的粗略寄生参数为：

• Capacitance：約 0.5–1 pF／mm Stub Length
• Inductance：約 0.3–0.5 nH／mm Stub Length

Via Stub 可能造成 Reflection、Insertion Loss Notch，以及 High-Speed Differential Pair 周围更高的 Crosstalk。

常見問題：Reflection、Insertion Loss、Crosstalk 與 Bit Error Rate

Via Stub 造成的 Reflection 会形成 Ringing 与 Inter-Symbol Interference（ISI）。

同时，一部分 Signal Energy 会进入 Stub，使整体 Insertion Loss 增加。

对 Differential Pair 而言，如果 P 与 N 两边的 Stub Length 不一致，也会形成 Skew。

原文举例指出，每 0.1 mm Stub Length Difference 可能产生约 0.5–1 ps 的 Skew。

这会进一步侵蚀 DDR5、Ethernet 等高速 Interface 的 Timing Margin。

Stub 还可能向附近 Via 与 Reference Plane 辐射 Energy，使 Crosstalk 增加。

最终可能导致：

• Jitter 增加
• Eye Height 降低
• Bit Error Rate 上升
• Compliance Test 失败

表 1：Via Stub 的典型性能影响（原文示例：10-Layer PCB、约 1.6 mm 厚、0.2 mm Via）

高频设计中 Via Stub 失效的实际案例

原文举出一片 12-Layer、25 Gbps Networking Board 的案例。

该设计最初因为 Critical Differential Pair 的 Jitter 过高而无法通过 PCIe Compliance Test。

透过 Cross-Section Analysis，发现 Via Stub Average Length 约为 0.6 mm。

导入 Backdrilling 后，Eye Height 提升约 40%，最终通过相关测试。

另一个案例是 5G mmWave Module。

未处理的 Via Stub 造成超过 8 dB 的 Return Loss Notch，迫使 Receiver 使用额外 Equalization，并增加 Power Consumption。

改用 Controlled-Depth Drilling 后，相关 Notch 被消除，Receiver Design 也得以简化。

这些案例说明，Backdrilling 为什么会成为现代 Multi-Layer High-Speed PCB 中常见的 Stub Control 方法。

降低或消除 Via Stub 的有效方法

设计人员有多种方式可以控制 Via Stub。

实际选择通常取决于：

• Signal Frequency／Data Rate
• PCB Layer Count
• Cost Target
• Routing Density
• Manufacturing Capability

Backdrilling（背鑽）技术：原理与优势

Backdrilling 会在初始 Via Plating 完成后，从 PCB 另一侧使用直径稍大的 Drill，以 Controlled Depth 再次钻入 Via。

目的就是移除未被使用的 Copper Barrel，仅保留真正参与 Signal Transition 的部分。

依原文资料，JLCPCB 的 Backdrilling 目标是将 Residual Stub 控制在 0.15 mm（6 mil）以下，明显低于原文采用的 15 mil（0.381 mm）经验门槛。

Backdrilling 的主要优势包括：

• 相较 Blind／Buried Via，可以维持较简单的 PCB Stackup。
• 可以改善 Return Loss、Insertion Loss 与 Eye Diagram。
• 原文估计，在部分 High-Layer PCB 上，新增成本约为 5–10%。
• 可搭配标准 FR-4 与部分 High-Frequency Material。

依原文描述，该製程使用 High-RPM CNC Equipment，并进行 Controlled-Depth Processing。

原文列出的 Depth Accuracy 为约 ±0.05 mm，并搭配 Vision Alignment。

加工后的 Debris 会透过 Vacuum 与 Ultrasonic Cleaning 移除。

依原文资料，JLCPCB 可在 4–32 Layer PCB 上提供相关 Backdrilling 能力。

Blind Via 与 Buried Via 可以从结构上消除不需要的 Copper Barrel Extension，因此不会形成与 Through-Hole Via 相同的长 Stub。

Blind Via 与 Buried Via：什么时候应该使用？

Blind Via 连接 Outer Layer 到一个或多个 Inner Layer。

Buried Via 则只连接 Internal Layer。

这两种 Via 可以从结构上避免 Through-Hole Stub，但通常需要更多 Lamination Cycle；Microvia 结构还需要 Laser Drilling。

它们特别适合：

• Ultra-High-Density BGA Fanout
• Backdrill Clearance 无法满足的区域
• 需要更高 Routing Density 的 HDI PCB

对很多较长距离的高速 Net 而言，Backdrilled Through Via 通常可以用较低成本取得相近的 Electrical Performance。

因此实际设计中也经常采用 Hybrid Approach：

• 大多数高速 Routing 使用 Backdrilled Through Via
• 高密度 BGA Area 使用 Micro Blind Via

这种组合可以在性能、成本与 Routing Density 之间取得平衡。

最佳化 Layer Stackup 与 Via Placement

良好的 PCB Stackup Planning 可以从设计源头减少 Stub Length。

例如，可以将 High-Speed Signal Layer 安排得较靠近 PCB Surface，或靠近需要连接的 Reference Plane，以减少 Via Travel Distance。

在 Signal Via 周围增加 Ground Via，也有助于：

• 建立更短的 Return Path
• 降低 Loop Inductance
• 降低 Crosstalk

进阶技术：Skip Via、Microvia 与 Filled Via

Skip Via 可以利用 Controlled Depth 跨越多个 Layer。

Microvia 通常采用 Laser Drilling，适合 HDI PCB，并可使用：

• Stacked Microvia
• Staggered Microvia

原文将 Microvia 的典型尺寸描述为小于约 0.15 mm。

Filled Via 则可以使用 Conductive 或 Non-Conductive Material 进行 Fill。

这种结构有助于实现 Via-in-Pad，并可改善部分 Thermal Performance。

不过，如果设计同时需要 Backdrilling，就必须确认 Filled Via Structure 与实际製程是否兼容，并考虑 Solder Wicking 等问题。

这些技术并不是 Backdrilling 的替代方案，而是可以根据不同区域与 Routing Requirement 搭配使用。

JLCPCB 在 Via Stub 控制与 High-Speed PCB Manufacturing 方面的製程能力

依原文说明，JLCPCB 将 Via Stub Mitigation 整合于 Multi-Layer PCB 製造流程中，使设计可以从 Prototype 延伸至 Volume Production。

1精密 Backdrilling 与严格 Depth Control

依原文资料，JLCPCB Backdrilling 使用 CNC Equipment 配合 Closed-Loop Control，并将 Drill Depth Accuracy 控制在约 ±0.05 mm。

原文描述，该製程位于 Outer-Layer Etching 之后、Solder Mask 之前。

Residual Stub 目标控制在 <0.15 mm。

测试时可利用 Test Coupon 与 Cross-Section 对 Stub Length 进行验证。

设计人员通常可以透过独立 Backdrill Drill File，或利用不同 Drill Diameter 标示需要 Backdrilling 的孔。

例如原文提到，Backdrill Hole Diameter 可以比原始 Via Drill 增加约 0.1 mm。

这有助于在 4–32 Layer PCB 上建立可重复的 Backdrilling Result。

2最高 32 Layer Multi-Layer PCB 与 Microvia 技术

依原文资料，JLCPCB 标准 Multi-Layer PCB 製造能力最高可达 32 Layer，并可搭配 Controlled Impedance。

对需要更高 Routing Density 的设计，也可以采用 Microvia 与 HDI Option。

Backdrilling 可以与这些製程组合使用，让工程师根据不同 Net 与 PCB Area 灵活选择 Via Structure。

3High-Frequency Material 与 Impedance Control

原文列出的相关 PCB Material 包括：

• FR-4
• Rogers
• PTFE

同时原文使用约 ±10% 作为 Controlled-Impedance Tolerance 的参考值。

对于高速 PCB，实际 Trace Geometry、Via Geometry、Material Dk／Df 与 Fabrication Tolerance 都需要一起纳入 Channel Simulation。

4Stub-Free Design 的品质验证与可靠度控制

依原文列出的验证方式，包括：

• AOI（Automated Optical Inspection）
• Flying-Probe Electrical Test
• TDR／VNA Test Coupon Validation
• Cross-Section Analysis

这些方法可以分别验证 PCB Geometry、Electrical Connectivity、高速特性与 Backdrill Depth。

稳定控制这些製程参数，才能让 Prototype 中验证成功的 Via Stub Strategy 在大量生产中持续保持一致。

高速 PCB Via Stub 常见问题

结论：高速 PCB 中的 Via Stub 设计

Via Stub 仍然是 High-Speed PCB Design 中不能忽略的关键问题，但它并不是无法控制的限制。

只要在 Layout 与 Stackup 阶段就同时考虑：

• Via Structure
• Stub Length
• Signal Layer Assignment
• Return Path
• Antipad
• Impedance Control

再搭配 Backdrilling、Blind／Buried Via 或 Microvia 等适合的製造技术，就可以有效降低 Via Discontinuity 对高速 Channel 的影响。

其中，Backdrilling 对许多 Thick Multi-Layer PCB 特别实用，因为它能够在保留标准 Through-Hole Via Stackup 的同时，大幅缩短未使用 Copper Barrel。

将正确的 High-Speed Layout Practice 与精密 PCB Fabrication 结合，可以帮助工程师取得更好的：

• Return Loss
• Insertion Loss
• Eye Diagram
• Jitter Margin
• System Reliability

最终目标不是单纯「把 Via Stub 钻掉」，而是让实际制造出来的 PCB Geometry 尽可能接近高速 Channel Simulation 中的设计模型，从而在不引入不必要複杂度与成本的情况下，获得稳定可靠的高速讯号表现。