PCB設計塞孔不塞孔會有何影響?什麼是全塞孔與半塞孔?

台灣的研發工程師有個很大的優勢是懂得製造比大部分其他國家的工程師來得多,比較不會設計出無法生產的產品,因為他們可以就近觀察工廠的作業,了解工廠的需求,但自從製造業外移後,很多研發工程師似乎離工廠也越來越遠,尤其是負責PCB佈線layout的工程師,他(她)們幾乎很少有機會公費出差。

這其中有一個很重要的議題是導通孔(vias)設計是否需要塞孔,為何工廠的製程工程師總來要求PCB要塞孔?到底全塞孔與半塞孔又各有什麼優缺點?對製程又有何影響?

什麼是PCB導通孔(vias)?

導通孔(via)是用來連接及導通印刷電路板(PCB)不同層之間的銅箔線路用的。因為PCB基本上就是由一層一層的銅箔層堆疊累積而成,而上下相鄰銅箔(copper)層之間則會再鋪上一層絕緣膠片層(PP),也就是說銅箔層彼此之間是不互通的,而不同銅箔層之間的訊號傳遞靠的就是vias。

我們可以把不同的銅箔層想像成大型百貨公司的不同樓層,因為有隔間,所以就算同一樓層也不一定就相通,而導通孔就相當於樓梯通道,樓梯不只一處,所以PCB上會有很多的導通孔來連接不同的樓層。

什麼是PCB塞孔?PCB不塞孔會有何影響?

導通孔一般都是透光的,也就是當你把PCB拿起來對著燈光,可以看到一些有漏光的小孔大概就是了,而塞孔(plugging)就是要把這些導通孔(vias)給堵起來,讓它不再透光,塞孔最大目的是為了避免PCB在SMT及波焊製程時出現不必要的焊接品質問題。當然,PCB上除了導通孔外還有通孔(Through Hole)焊接用的電鍍通孔(PTH)與定位或固定鎖螺絲用的非電鍍通孔(NPTH)。

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導通孔如果剛好坐落在需要印刷錫膏焊接的焊墊上,一般我們稱之為「通孔在墊(via-in-pad)」。在經過回焊高溫時,印刷在有導通孔焊墊上的錫膏就會開始融化,而融熔的錫液則會經由導通孔流到PCB的另一面,這將使得原本焊墊上的錫膏量減少,造成少錫(Solder insufficient)、空焊(solder skip)、不潤濕(non-wetting)等問題,而順流到PCB另一面的錫則可能會與其他零件短路而造成不可預期的問題,尤其是那些剛好位於零件底部的導通孔,由於零件本體與PCB之間的微小縫隙,錫液容易因毛細作用而沿著縫隙滲流到一些不可預期的地方造成品質問題。

另外,如果PCB需要流經波焊(wave soldering)製程,特別是開啟擾流波(chip wave)時,翻滾的錫液可是非常輕易就可以透過那些未塞孔的導通孔而溢流到零件面,造成一些不可預期的短路問題。

PCB是如何塞孔的?三種塞孔方法介紹

塞孔就是使用物質將導通孔給填充堵死,就工作熊個人的了解目前有三種常用的塞孔方法,分別為:

要注意的是塞孔可不只以上三種方法。

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何謂半塞孔與全塞孔?

全塞孔就是將整個導通孔全部都給塞滿直到PCB兩面的表面,這也是我們一般對塞孔的印象。而半塞孔則只能用在防焊塞孔,一般是為了節省成本,因為PCB的價錢除了材料成本外,再來就是製程的多寡,製程越多當然就越貴。

「樹脂全塞孔」的一般製程是使用絲印網版在需要塞孔的PCB一面先印上防焊漆,有些比較大的孔可能得在PCB的同一面印兩次以上,經過烘烤後,再於PCB的另一面需要塞孔的位置印上防焊漆,這樣才能讓防焊漆填滿整個導通孔的目的。

而所謂的「半塞孔」,就是只在PCB一面需要塞孔的位置印刷防焊漆,而PCB另外一面對應的導通孔位置則不再印刷防焊漆,這樣就節省了PCB的部分製程,PCB的價錢自然就會降低。

只是半塞孔的品質問題不少,除非是單面板組裝製程,否則不建議使用。半塞孔在PCB板廠的生產工藝上容易在孔壁的內部空間形成死角,殘留隱藏化學藥水,無法被清洗乾淨,這樣就容易在後續的SMT或波焊時造成可靠性問題,也容易進錫珠。

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PCB的導通孔塞孔後會影響導熱或是高頻/高速的效果?

這似乎是很多PCB的layout工程師都會有的疑問?工程師們總是擔心導通孔塞孔後是否會影響到導熱或是高頻的效果。

其實,影響散熱導通孔(thermal vias)效率的最大因素是銅箔通道的大小,也就是說當熱源(通常是IC)經由越大的銅截面積連接到較低溫度(通常是接地)的散熱效果越好,如果導通孔使用電鍍銅塞孔反而可以增加散熱率,因為銅截面積增加了,而使用樹脂全塞孔表面做電鍍銅時散熱效果差異不大,使用防焊塞孔的話則會使得散熱效果變差,但也只是差一點點,不過這個可以藉由增加散熱導通孔的數量來弭補。

至於塞孔會不會影響高頻的效率,就工作熊個人的了解,高頻訊號最好不要經由導通孔來傳遞訊號,但這幾乎不太可能,因為高頻訊號傳遞時不建議有激烈的轉折與高低起伏,而via-in-pad設計如果不塞孔的話,在SMT製程時就無法預估並保證每次流入導通孔的焊錫量都是固定的,也就是說傳遞訊號的導體面積無法固定,這樣就可能造成高頻的傳輸不穩;另外,訊號傳遞的導體突然從銅(箔)轉換為錫(流入通孔的焊錫),再轉回銅(箔)的過程中可能也會造成高頻訊號延遲不同步,所以高頻/高速板的via-in-pad最好可以塞孔,而且最好是電鍍銅塞孔,使用一致的導體,降低訊號傳遞的失誤。

工作熊不是高頻/高速板的專家,如果有錯誤歡迎指正。

PCB上那些位置的導通孔需要塞孔?

如果可以的話建議PCB上的所有導通孔(vias)全部塞孔,只留EE或ME特別指定有特殊需求的孔不塞,比如說導通孔需要做為測試點,或是需要作為接觸用,需特別注意無塞孔的vias在焊接時是否會出現焊錫溢流過via到PCB另一面或via在焊墊上造成少錫等問題。

PCB防焊塞孔和防焊開窗有什麼區別?

防焊(solder mask)我們一般俗稱綠漆,這是因為一般我們看到的PCB都是綠色,而PCB上沒有印刷綠漆的地方就是防焊開窗的地方,因為防焊為絕緣漆,所以這些開窗的地方通常就是需要吃錫的焊墊,或是PCBA完成後還有需要做電性接觸的焊墊或測試點。

如果是採用防焊塞孔時,在不需要塞孔的導通孔位置就需要做防焊開窗,否則PCB廠就會使用防焊覆蓋於沒有開窗的導通孔,當然在PCB製作的規格書注意事項中最好特別加註要採用何種塞孔製程,免得到時候PCB製作出來時與想像的不同。

須留意的是,Gerber中定義PCB規格時,防焊層為負片,也就是黑影為開窗,不需要印刷防焊漆。

IPC-4761中有定義各種不同的塞孔工藝,有興趣的朋友可以參考看看。


延伸閱讀:
PCB電路板為何要有測試點?

電路板上為何要有孔洞?何謂PTH/NPTH/vias(導通孔)
Solder Mask(S/M)是什麼?對PCB有什麼用處?只有綠色嗎?

 
 
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