PCB板一階、二階、三階劃分依據(jù)詳解

印刷電路板（PCB）作為電子產(chǎn)品的核心組成部分，其設(shè)計(jì)與制造技術(shù)直接決定了電子設(shè)備的功能、性能、可靠性乃至成本。隨著電子產(chǎn)品向著小型化、高密度、高速度和高頻率的方向發(fā)展，PCB的層數(shù)也在不斷增加，從最初的單層、雙層發(fā)展到現(xiàn)在的多層板，甚至超高層板。在多層PCB的設(shè)計(jì)與制造中，一個(gè)關(guān)鍵的概念就是“階”的劃分，即一階、二階、三階等。這種劃分主要依據(jù)的是PCB內(nèi)部不同層之間通過(guò)**微盲孔（Microvia）**進(jìn)行連接的層數(shù)與方式。理解PCB的階數(shù)劃分，對(duì)于設(shè)計(jì)高性能、高可靠性的HDI（High Density Interconnector）板至關(guān)重要。

一、 PCB板階數(shù)劃分的背景與重要性

在傳統(tǒng)的多層PCB中，層與層之間的電氣連接主要通過(guò)**通孔（Through-hole）**實(shí)現(xiàn)。通孔是貫穿PCB所有層，并電鍍金屬的孔。這種連接方式簡(jiǎn)單直觀，但存在一個(gè)顯著的缺點(diǎn)：無(wú)論連接哪兩層，通孔都會(huì)占據(jù)所有層的空間，這在要求高密度的設(shè)計(jì)中會(huì)極大地浪費(fèi)布線空間，限制了元器件的布局。隨著電子產(chǎn)品集成度的不斷提高，更小的元器件封裝（如BGA、CSP）被廣泛采用，這要求PCB能夠提供更高的布線密度以容納更多的連接點(diǎn)。

為了解決通孔帶來(lái)的空間限制問(wèn)題，高密度互連（HDI）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。HDI板的核心技術(shù)之一就是使用微盲孔（Microvia）。微盲孔是指直徑小于等于0.15mm（6mil）的非通孔，它們只連接PCB的相鄰層或幾層，而不是貫穿整個(gè)板。微盲孔的使用顯著提高了PCB的布線密度，縮短了信號(hào)傳輸路徑，減少了電磁干擾（EMI），并有助于改善信號(hào)完整性（SI）和電源完整性（PI）。

正是微盲孔的使用方式和層數(shù)，構(gòu)成了PCB板階數(shù)劃分的主要依據(jù)。不同階數(shù)的PCB代表了不同的制造工藝復(fù)雜度和技術(shù)水平，也對(duì)應(yīng)著不同的應(yīng)用場(chǎng)景和成本。

二、 PCB板階數(shù)的定義與詳細(xì)劃分

PCB板的階數(shù)（或稱為“級(jí)數(shù)”）通常指的是PCB中使用了多少次**微盲孔壓合（Build-up）**過(guò)程。每一次微盲孔壓合過(guò)程都會(huì)在基材上增加新的絕緣層和導(dǎo)電層，并形成新的微盲孔連接。因此，PCB的階數(shù)直接反映了其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。

1. 一階HDI板（One-step Build-up HDI）

定義： 一階HDI板是指在普通多層板的外部至少一側(cè)（或兩側(cè)）通過(guò)一次激光鉆孔和一次壓合工藝，形成微盲孔結(jié)構(gòu)的板。其特點(diǎn)是微盲孔只連接相鄰的層（例如L1-L2或Ln-L(n-1)），且這些微盲孔不會(huì)重疊。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

• 基礎(chǔ)層壓結(jié)構(gòu)： 通常以一個(gè)傳統(tǒng)的多層板核心（Core）為基礎(chǔ)，例如一個(gè)雙面FR-4板，作為內(nèi)層布線的載體。

• 微盲孔位置： 微盲孔通常位于最外層與次外層之間（如L1和L2之間，或L(n)和L(n-1)之間）。

• 連接方式： 微盲孔通過(guò)激光鉆孔形成，然后進(jìn)行電鍍填充或不填充。這些微盲孔僅連接相鄰的兩個(gè)層。

• 無(wú)重疊盲孔： 在一階HDI板中，不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)微盲孔疊壓在另一個(gè)微盲孔之上的情況。每個(gè)盲孔都獨(dú)立存在于一個(gè)“層”上。

制造工藝流程（簡(jiǎn)化版）：

1. 內(nèi)層制作： 制作核心板（如兩層、四層或更多層的傳統(tǒng)板），完成內(nèi)層線路圖形的制作、蝕刻和層壓。

2. 激光鉆盲孔： 在核心板的外層進(jìn)行激光鉆孔，形成連接內(nèi)層與外層的盲孔。這些盲孔的深度控制在只穿透一層介質(zhì)。

3. 電鍍填充/化學(xué)銅： 對(duì)盲孔進(jìn)行化學(xué)銅和電鍍銅，使孔壁導(dǎo)電。部分一階HDI會(huì)采用樹(shù)脂塞孔或電鍍填充工藝，以保證后續(xù)壓合的平整性。

4. 外層壓合： 在已鉆盲孔的核心板上壓合一層新的介質(zhì)層（Prepreg）和銅箔（Copper Foil）。

5. 外層線路制作： 制作外層線路圖形，并進(jìn)行蝕刻。

6. 表面處理與阻焊： 進(jìn)行表面處理（如沉金、OSP等）和阻焊油墨印刷。

應(yīng)用場(chǎng)景：一階HDI板是目前應(yīng)用最廣泛的HDI板類型，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)碼相機(jī)、GPS設(shè)備、筆記本電腦、汽車電子、消費(fèi)電子產(chǎn)品等對(duì)集成度有較高要求但成本敏感的產(chǎn)品中。它在提高布線密度的同時(shí)，相比傳統(tǒng)多層板成本增加有限，是性價(jià)比最高的HDI方案。

2. 二階HDI板（Two-step Build-up HDI）

定義： 二階HDI板是指在板的外部通過(guò)兩次激光鉆孔和兩次壓合工藝，形成微盲孔結(jié)構(gòu)的板。其特點(diǎn)是可能包含“交錯(cuò)盲孔”（Staggered Vias）或“疊層盲孔”（Stacked Vias）。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

• 兩次壓合： 最顯著的特征是經(jīng)歷了兩次額外的壓合過(guò)程。

• 交錯(cuò)盲孔（Staggered Vias）： 盲孔不重疊，但位于不同的層。例如，一個(gè)盲孔連接L1-L2，另一個(gè)盲孔連接L2-L3。它們?cè)谒椒较蛏襄e(cuò)開(kāi)，以避免互相干擾。

• 疊層盲孔（Stacked Vias）： 這是二階HDI板的另一個(gè)重要特征，也是其復(fù)雜性所在。一個(gè)盲孔直接疊壓在另一個(gè)盲孔之上，例如一個(gè)盲孔連接L1-L2，其正下方是另一個(gè)連接L2-L3的盲孔。要實(shí)現(xiàn)疊層盲孔，通常需要在下層盲孔的孔內(nèi)進(jìn)行電鍍填充或樹(shù)脂填充，以提供一個(gè)平坦的表面供上層盲孔鉆孔。這極大地提高了垂直方向上的布線密度。

制造工藝流程（簡(jiǎn)化版）：

1. 核心板制作： 制作基礎(chǔ)的核心板（Inner Core）。

2. 第一次激光鉆盲孔： 在核心板外層鉆第一層盲孔（如連接L1-L2或L(n)-L(n-1)）。

3. 第一次電鍍填充/化學(xué)銅： 對(duì)第一層盲孔進(jìn)行電鍍填充，使其表面平坦（對(duì)于疊層盲孔至關(guān)重要）。

4. 第一次壓合： 壓合第一層介質(zhì)層和銅箔，形成新的外層。

5. 第二次激光鉆盲孔： 在新的外層上鉆第二層盲孔（如連接L2-L3或L(n-1)-L(n-2)）。如果采用疊層盲孔，則新的盲孔會(huì)直接鉆在第一層盲孔的上方。

6. 第二次電鍍填充/化學(xué)銅： 對(duì)第二層盲孔進(jìn)行電鍍填充（如果需要疊層盲孔）或化學(xué)銅。

7. 第二次壓合： 壓合第二層介質(zhì)層和銅箔。

8. 外層線路制作、表面處理與阻焊。

應(yīng)用場(chǎng)景：二階HDI板比一階HDI板具有更高的布線密度和更小的尺寸。它適用于對(duì)體積、重量和性能有更高要求的應(yīng)用，如高端智能手機(jī)、高性能計(jì)算（HPC）模塊、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、航空航天、醫(yī)療設(shè)備等。疊層盲孔在BGA封裝下尤為有用，可以有效地引出更多BGA焊盤(pán)的信號(hào)。

3. 三階HDI板（Three-step Build-up HDI）

定義： 三階HDI板是指在板的外部通過(guò)三次激光鉆孔和三次壓合工藝，形成微盲孔結(jié)構(gòu)的板。其特點(diǎn)是通常包含多層疊層盲孔結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

• 三次壓合： 經(jīng)歷了三次額外的壓合過(guò)程，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。

• 多層疊層盲孔： 最典型的特征是存在三層甚至更多的疊層盲孔，例如L1-L2，L2-L3，L3-L4的垂直疊壓連接。這要求每一層盲孔都必須進(jìn)行完全的電鍍填充，以確保上層盲孔鉆孔和電鍍的可靠性。

制造工藝流程（簡(jiǎn)化版）：三階HDI的制造流程與二階HDI類似，只是增加了第三次激光鉆孔、電鍍填充和壓合的循環(huán)。每一次循環(huán)都要求上一個(gè)盲孔層完成可靠的填充，才能進(jìn)行下一層的鉆孔。

應(yīng)用場(chǎng)景：三階HDI板代表了目前PCB制造的最高技術(shù)水平之一，具有極高的布線密度，可以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能集成。它主要應(yīng)用于對(duì)空間和性能有極致要求的領(lǐng)域，如：

• 超高端智能手機(jī)/平板電腦： 例如蘋(píng)果、三星等旗艦產(chǎn)品。

• 微型化高性能模塊： 如SiP（System in Package）模塊。

• 航空航天和軍事應(yīng)用： 對(duì)體積和可靠性要求極高。

• 某些定制化的高密度醫(yī)療設(shè)備。

由于制造工藝極其復(fù)雜，良品率相對(duì)較低，三階HDI板的成本也遠(yuǎn)高于一階和二階HDI板。

4. 更高階的HDI板

理論上，可以有四階、五階甚至更高階的HDI板，但實(shí)際上非常罕見(jiàn)。主要原因在于：

• 制造成本呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)： 每增加一階，都需要額外的鉆孔、電鍍填充和壓合，這些過(guò)程的成本、時(shí)間和良品率控制都變得極其困難。

• 可靠性挑戰(zhàn)： 疊層盲孔越多，應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)匹配、孔內(nèi)電鍍填充的可靠性等問(wèn)題越突出，容易導(dǎo)致分層、開(kāi)裂等失效。

• 設(shè)計(jì)復(fù)雜度： 更高階的PCB設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)人員需要具備極高的專業(yè)能力。

因此，通常情況下，三階HDI已能滿足絕大多數(shù)高性能電子產(chǎn)品的需求。特殊情況下，可能會(huì)有少量四階HDI的應(yīng)用。

三、 階數(shù)劃分的核心技術(shù)與考量

PCB板的階數(shù)劃分并非簡(jiǎn)單地增加層數(shù)，其背后涉及到一系列復(fù)雜而精密的制造技術(shù)和設(shè)計(jì)考量。

1. 微盲孔技術(shù)

微盲孔是HDI板的核心，其制造方式主要有：

• 激光鉆孔（Laser Drilling）： 這是制造微盲孔最常用的方法。激光鉆孔具有非接觸、高精度、高速度的特點(diǎn)，可以精確控制孔的深度，從而形成盲孔。常用的激光類型包括CO2激光和UV激光。

• CO2激光： 主要用于鉆介質(zhì)層，對(duì)銅箔的穿透能力較弱，通常需要預(yù)先開(kāi)窗（Windowing）露出介質(zhì)或采用“銅箔上鉆孔”（Drill on Copper）技術(shù)。

• UV激光： 能量密度更高，可以同時(shí)鉆穿銅箔和介質(zhì)，精度更高，但成本也更高。常用于更精細(xì)的盲孔和通孔。

• 光敏介質(zhì)成孔（Photo-defined Via）： 通過(guò)曝光和顯影技術(shù)在光敏樹(shù)脂層上形成孔。這種方法可以一次性形成大量的微孔，效率高，但對(duì)材料有特殊要求。

2. 盲孔填充技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)疊層盲孔，孔填充技術(shù)至關(guān)重要。主要有兩種方式：

• 電鍍填充（Via Fill Plating）： 在盲孔內(nèi)進(jìn)行電鍍銅，使孔內(nèi)完全充滿銅。這種方法可以確保盲孔的可靠導(dǎo)通，并為上層盲孔提供一個(gè)平坦、導(dǎo)電的基底。這是實(shí)現(xiàn)疊層盲孔最常用的方法，但對(duì)電鍍工藝的均勻性和填充率要求極高。

• 樹(shù)脂填充（Resin Fill）： 在盲孔內(nèi)填充導(dǎo)電或非導(dǎo)電樹(shù)脂。如果填充非導(dǎo)電樹(shù)脂，則需要再在樹(shù)脂表面進(jìn)行電鍍銅層。這種方法可以提供良好的平整度，但導(dǎo)電性不如純銅填充。

孔填充的質(zhì)量直接影響到后續(xù)層壓的可靠性和疊層盲孔的電氣性能。任何填充不完整或不平坦都可能導(dǎo)致后續(xù)層出現(xiàn)氣泡、分層或開(kāi)路。

3. 材料選擇

隨著頻率的提高和信號(hào)完整性要求的增加，HDI板的材料選擇變得越來(lái)越重要。

• 低介電常數(shù)（Dk）和低介質(zhì)損耗（Df）材料： 對(duì)于高頻信號(hào)傳輸，需要使用Dk和Df值更低的介質(zhì)材料，以減少信號(hào)衰減和失真。

• 熱膨脹系數(shù)（CTE）匹配： 在多層壓合過(guò)程中，不同材料在熱脹冷縮時(shí)可能產(chǎn)生應(yīng)力。良好的CTE匹配可以減少分層和孔開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

• 高Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）材料： 高Tg材料可以保證PCB在高溫工作環(huán)境下具有更好的尺寸穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。

4. 層壓技術(shù)

多層板的壓合需要精確的溫度、壓力和時(shí)間控制。對(duì)于HDI板，由于層數(shù)多，疊層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)壓合工藝的控制要求更高。真空壓合是常用的技術(shù)，可以有效避免氣泡和分層。

5. 對(duì)準(zhǔn)精度

無(wú)論是激光鉆孔還是層壓，都需要極高的對(duì)準(zhǔn)精度。微盲孔的尺寸很小，任何微小的偏差都可能導(dǎo)致開(kāi)路、短路或性能下降。先進(jìn)的光學(xué)定位系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

6. 阻抗控制

在高頻應(yīng)用中，信號(hào)線的阻抗必須嚴(yán)格控制在特定值（如50歐姆、75歐姆等），以避免信號(hào)反射和失真。HDI板由于其緊密的結(jié)構(gòu)和更短的信號(hào)路徑，對(duì)阻抗控制提出了更高的要求。設(shè)計(jì)工程師需要與PCB制造商緊密合作，通過(guò)調(diào)整線寬、線距、介質(zhì)厚度和介電常數(shù)來(lái)達(dá)到目標(biāo)阻抗。

7. 可靠性測(cè)試與檢驗(yàn)

HDI板的復(fù)雜性意味著其可靠性測(cè)試也更為嚴(yán)格。除了傳統(tǒng)的電氣測(cè)試（開(kāi)短路測(cè)試），還需要進(jìn)行更專業(yè)的可靠性驗(yàn)證，如：

• 熱沖擊測(cè)試（Thermal Shock Test）： 模擬極端溫度變化對(duì)PCB的應(yīng)力影響。

• 切片分析（Micro-section Analysis）： 對(duì)PCB橫截面進(jìn)行觀察，檢查盲孔的填充質(zhì)量、電鍍層厚度、層間結(jié)合情況等。

• 回流焊測(cè)試（Reflow Test）： 模擬PCBA組裝過(guò)程中的高溫環(huán)境，評(píng)估板材的耐熱性。

四、 PCB階數(shù)與設(shè)計(jì)、成本、周期的關(guān)系

PCB的階數(shù)選擇是設(shè)計(jì)階段需要權(quán)衡的重要因素，它直接影響到產(chǎn)品的性能、尺寸、成本和上市時(shí)間。

1. 設(shè)計(jì)復(fù)雜度

• 一階HDI： 相對(duì)簡(jiǎn)單，可以采用“Any-Layer”設(shè)計(jì)概念（任意層互連），但受限于一層盲孔。

• 二階HDI： 復(fù)雜度顯著增加，尤其是疊層盲孔的設(shè)計(jì)。需要更專業(yè)的EDA工具和經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師。需要考慮盲孔的填充工藝、可靠性等。

• 三階及更高階HDI： 設(shè)計(jì)復(fù)雜度呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。布局布線、信號(hào)完整性、電源完整性、熱管理等都需要精細(xì)的考量。設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)置更為嚴(yán)格。

2. 制造成本

• 一階HDI： 成本相對(duì)較低，比傳統(tǒng)多層板略高。由于只需要一次額外的壓合和鉆孔，成本增量可控。

• 二階HDI： 成本顯著高于一階HDI。兩次壓合、兩次鉆孔以及對(duì)孔填充工藝的嚴(yán)格要求，使得制造難度和成本大幅提升。特別是疊層盲孔，對(duì)設(shè)備和工藝的要求更高，良品率可能會(huì)有所下降。

• 三階及更高階HDI： 成本非常高昂。每次壓合循環(huán)都會(huì)增加大量的制造成本，包括材料、設(shè)備折舊、人工以及更低的良品率。這類板通常只用于對(duì)性能、尺寸有極致要求的旗艦產(chǎn)品。

3. 制造周期

• 一階HDI： 制造周期比傳統(tǒng)多層板稍長(zhǎng)，但通?？山邮?。

• 二階HDI： 制造周期明顯延長(zhǎng)。兩次壓合和復(fù)雜的孔處理過(guò)程，增加了生產(chǎn)步驟和等待時(shí)間。

• 三階及更高階HDI： 制造周期非常長(zhǎng)。多次循環(huán)的制造過(guò)程意味著更長(zhǎng)的生產(chǎn)線占用時(shí)間，以及可能因工藝復(fù)雜性導(dǎo)致的返工和良品率問(wèn)題。快速原型和小批量生產(chǎn)的難度和成本都非常高。

4. 可靠性與良品率

階數(shù)越高，制造過(guò)程中的可靠性風(fēng)險(xiǎn)和良品率控制難度越大。任何一層盲孔的缺陷都可能導(dǎo)致整個(gè)板報(bào)廢。因此，高階HDI板的制造商需要具備極其嚴(yán)格的質(zhì)量控制體系和先進(jìn)的制造設(shè)備。

五、 HDI技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著電子產(chǎn)品對(duì)性能和集成度的不斷追求，HDI技術(shù)也在持續(xù)發(fā)展。

1. 更小的微盲孔尺寸

為了進(jìn)一步提高布線密度，微盲孔的直徑將繼續(xù)縮小。從目前的0.15mm甚至0.1mm，未來(lái)可能會(huì)發(fā)展到更小的尺寸。這要求更精密的激光鉆孔技術(shù)和電鍍填充技術(shù)。

2. 更薄的介質(zhì)層

減小介質(zhì)層的厚度可以縮短信號(hào)路徑，降低寄生電容和電感，有助于提高信號(hào)傳輸速度和信號(hào)完整性。但這也會(huì)增加制造難度，對(duì)層壓和介質(zhì)材料的均勻性提出更高要求。

3. 任意層互連（Any-Layer HDI/ELIC）

傳統(tǒng)的HDI通常局限于外部幾層。**任意層互連（Any-Layer HDI）或稱Every Layer Interconnect (ELIC)**是更高級(jí)的HDI技術(shù)，它允許PCB的任何層之間都可以通過(guò)盲孔進(jìn)行連接，甚至可以實(shí)現(xiàn)層間盲孔與通孔的結(jié)合。這種技術(shù)大大提高了布線靈活性和密度，但制造成本極高，工藝極其復(fù)雜，通常只用于最高端的移動(dòng)設(shè)備。ELIC板的每一個(gè)連接孔都是盲孔，而且所有層都可以互相連接，這意味著不再有傳統(tǒng)的通孔，所有內(nèi)層連接都可以通過(guò)盲孔實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)真正意義上的三維布線。

4. 內(nèi)埋元器件（Embedded Components）

為了進(jìn)一步減小PCB的尺寸，將電阻、電容等無(wú)源元件直接嵌入到PCB內(nèi)部層中已成為一種趨勢(shì)。這不僅節(jié)省了表面空間，還縮短了互連路徑，降低了EMI，提高了電氣性能。

5. 新型材料的應(yīng)用

隨著高頻高速信號(hào)的需求不斷增加，對(duì)具有更低Dk/Df值、更高熱穩(wěn)定性和更好可靠性的新型介質(zhì)材料的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。

6. 環(huán)保與可持續(xù)性

PCB制造過(guò)程中涉及多種化學(xué)品和能源消耗，環(huán)保要求日益嚴(yán)格。未來(lái)HDI技術(shù)將更加注重綠色制造，例如使用無(wú)鹵素材料、開(kāi)發(fā)更環(huán)保的電鍍工藝等。

六、 結(jié)語(yǔ)

PCB板的一階、二階、三階劃分主要依據(jù)微盲孔的使用方式和制造過(guò)程中的壓合次數(shù)。一階HDI板是應(yīng)用最廣泛的入門(mén)級(jí)HDI，通過(guò)一次壓合形成相鄰層間的盲孔。二階HDI板通過(guò)兩次壓合，可以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)盲孔或疊層盲孔，顯著提高了布線密度。而三階HDI板則通過(guò)三次壓合實(shí)現(xiàn)多層疊層盲孔，代表了當(dāng)前PCB制造的最高技術(shù)水平，但成本和制造難度也最高。

選擇合適的PCB階數(shù)需要在性能、尺寸、成本和制造周期之間進(jìn)行精細(xì)的權(quán)衡。隨著電子產(chǎn)品向更小、更快、更強(qiáng)的方向發(fā)展，HDI技術(shù)將繼續(xù)演進(jìn)，以滿足不斷增長(zhǎng)的集成度需求。深入理解HDI板的階數(shù)劃分及其背后的技術(shù)原理，對(duì)于電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師、制造工程師以及供應(yīng)鏈管理人員都具有極其重要的意義。