PCB板一阶、二阶、三阶划分依据详解

印刷电路板（PCB）作为电子产品的核心组成部分，其设计与制造技术直接决定了电子设备的功能、性能、可靠性乃至成本。随着电子产品向着小型化、高密度、高速度和高频率的方向发展，PCB的层数也在不断增加，从最初的单层、双层发展到现在的多层板，甚至超高层板。在多层PCB的设计与制造中，一个关键的概念就是“阶”的划分，即一阶、二阶、三阶等。这种划分主要依据的是PCB内部不同层之间通过**微盲孔（Microvia）**进行连接的层数与方式。理解PCB的阶数划分，对于设计高性能、高可靠性的HDI（High Density Interconnector）板至关重要。

一、 PCB板阶数划分的背景与重要性

在传统的多层PCB中，层与层之间的电气连接主要通过**通孔（Through-hole）**实现。通孔是贯穿PCB所有层，并电镀金属的孔。这种连接方式简单直观，但存在一个显著的缺点：无论连接哪两层，通孔都会占据所有层的空间，这在要求高密度的设计中会极大地浪费布线空间，限制了元器件的布局。随着电子产品集成度的不断提高，更小的元器件封装（如BGA、CSP）被广泛采用，这要求PCB能够提供更高的布线密度以容纳更多的连接点。

为了解决通孔带来的空间限制问题，高密度互连（HDI）技术应运而生。HDI板的核心技术之一就是使用微盲孔（Microvia）。微盲孔是指直径小于等于0.15mm（6mil）的非通孔，它们只连接PCB的相邻层或几层，而不是贯穿整个板。微盲孔的使用显著提高了PCB的布线密度，缩短了信号传输路径，减少了电磁干扰（EMI），并有助于改善信号完整性（SI）和电源完整性（PI）。

正是微盲孔的使用方式和层数，构成了PCB板阶数划分的主要依据。不同阶数的PCB代表了不同的制造工艺复杂度和技术水平，也对应着不同的应用场景和成本。

二、 PCB板阶数的定义与详细划分

PCB板的阶数（或称为“级数”）通常指的是PCB中使用了多少次**微盲孔压合（Build-up）**过程。每一次微盲孔压合过程都会在基材上增加新的绝缘层和导电层，并形成新的微盲孔连接。因此，PCB的阶数直接反映了其结构复杂度。

1. 一阶HDI板（One-step Build-up HDI）

定义： 一阶HDI板是指在普通多层板的外部至少一侧（或两侧）通过一次激光钻孔和一次压合工艺，形成微盲孔结构的板。其特点是微盲孔只连接相邻的层（例如L1-L2或Ln-L(n-1)），且这些微盲孔不会重叠。

结构特点：

• 基础层压结构： 通常以一个传统的多层板核心（Core）为基础，例如一个双面FR-4板，作为内层布线的载体。

• 微盲孔位置： 微盲孔通常位于最外层与次外层之间（如L1和L2之间，或L(n)和L(n-1)之间）。

• 连接方式： 微盲孔通过激光钻孔形成，然后进行电镀填充或不填充。这些微盲孔仅连接相邻的两个层。

• 无重叠盲孔： 在一阶HDI板中，不会出现一个微盲孔叠压在另一个微盲孔之上的情况。每个盲孔都独立存在于一个“层”上。

制造工艺流程（简化版）：

1. 内层制作： 制作核心板（如两层、四层或更多层的传统板），完成内层线路图形的制作、蚀刻和层压。

2. 激光钻盲孔： 在核心板的外层进行激光钻孔，形成连接内层与外层的盲孔。这些盲孔的深度控制在只穿透一层介质。

3. 电镀填充/化学铜： 对盲孔进行化学铜和电镀铜，使孔壁导电。部分一阶HDI会采用树脂塞孔或电镀填充工艺，以保证后续压合的平整性。

4. 外层压合： 在已钻盲孔的核心板上压合一层新的介质层（Prepreg）和铜箔（Copper Foil）。

5. 外层线路制作： 制作外层线路图形，并进行蚀刻。

6. 表面处理与阻焊： 进行表面处理（如沉金、OSP等）和阻焊油墨印刷。

应用场景：一阶HDI板是目前应用最广泛的HDI板类型，广泛应用于智能手机、平板电脑、数码相机、GPS设备、笔记本电脑、汽车电子、消费电子产品等对集成度有较高要求但成本敏感的产品中。它在提高布线密度的同时，相比传统多层板成本增加有限，是性价比最高的HDI方案。

2. 二阶HDI板（Two-step Build-up HDI）

定义： 二阶HDI板是指在板的外部通过两次激光钻孔和两次压合工艺，形成微盲孔结构的板。其特点是可能包含“交错盲孔”（Staggered Vias）或“叠层盲孔”（Stacked Vias）。

结构特点：

• 两次压合： 最显著的特征是经历了两次额外的压合过程。

• 交错盲孔（Staggered Vias）： 盲孔不重叠，但位于不同的层。例如，一个盲孔连接L1-L2，另一个盲孔连接L2-L3。它们在水平方向上错开，以避免互相干扰。

• 叠层盲孔（Stacked Vias）： 这是二阶HDI板的另一个重要特征，也是其复杂性所在。一个盲孔直接叠压在另一个盲孔之上，例如一个盲孔连接L1-L2，其正下方是另一个连接L2-L3的盲孔。要实现叠层盲孔，通常需要在下层盲孔的孔内进行电镀填充或树脂填充，以提供一个平坦的表面供上层盲孔钻孔。这极大地提高了垂直方向上的布线密度。

制造工艺流程（简化版）：

1. 核心板制作： 制作基础的核心板（Inner Core）。

2. 第一次激光钻盲孔： 在核心板外层钻第一层盲孔（如连接L1-L2或L(n)-L(n-1)）。

3. 第一次电镀填充/化学铜： 对第一层盲孔进行电镀填充，使其表面平坦（对于叠层盲孔至关重要）。

4. 第一次压合： 压合第一层介质层和铜箔，形成新的外层。

5. 第二次激光钻盲孔： 在新的外层上钻第二层盲孔（如连接L2-L3或L(n-1)-L(n-2)）。如果采用叠层盲孔，则新的盲孔会直接钻在第一层盲孔的上方。

6. 第二次电镀填充/化学铜： 对第二层盲孔进行电镀填充（如果需要叠层盲孔）或化学铜。

7. 第二次压合： 压合第二层介质层和铜箔。

8. 外层线路制作、表面处理与阻焊。

应用场景：二阶HDI板比一阶HDI板具有更高的布线密度和更小的尺寸。它适用于对体积、重量和性能有更高要求的应用，如高端智能手机、高性能计算（HPC）模块、服务器、网络通信设备、航空航天、医疗设备等。叠层盲孔在BGA封装下尤为有用，可以有效地引出更多BGA焊盘的信号。

3. 三阶HDI板（Three-step Build-up HDI）

定义： 三阶HDI板是指在板的外部通过三次激光钻孔和三次压合工艺，形成微盲孔结构的板。其特点是通常包含多层叠层盲孔结构。

结构特点：

• 三次压合： 经历了三次额外的压合过程，结构更为复杂。

• 多层叠层盲孔： 最典型的特征是存在三层甚至更多的叠层盲孔，例如L1-L2，L2-L3，L3-L4的垂直叠压连接。这要求每一层盲孔都必须进行完全的电镀填充，以确保上层盲孔钻孔和电镀的可靠性。

制造工艺流程（简化版）：三阶HDI的制造流程与二阶HDI类似，只是增加了第三次激光钻孔、电镀填充和压合的循环。每一次循环都要求上一个盲孔层完成可靠的填充，才能进行下一层的钻孔。

应用场景：三阶HDI板代表了目前PCB制造的最高技术水平之一，具有极高的布线密度，可以实现非常复杂的功能集成。它主要应用于对空间和性能有极致要求的领域，如：

• 超高端智能手机/平板电脑： 例如苹果、三星等旗舰产品。

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

• 航空航天和军事应用： 对体积和可靠性要求极高。

• 某些定制化的高密度医疗设备。

由于制造工艺极其复杂，良品率相对较低，三阶HDI板的成本也远高于一阶和二阶HDI板。

4. 更高阶的HDI板

理论上，可以有四阶、五阶甚至更高阶的HDI板，但实际上非常罕见。主要原因在于：

• 制造成本呈指数级增长： 每增加一阶，都需要额外的钻孔、电镀填充和压合，这些过程的成本、时间和良品率控制都变得极其困难。

• 可靠性挑战： 叠层盲孔越多，应力、热膨胀系数匹配、孔内电镀填充的可靠性等问题越突出，容易导致分层、开裂等失效。

• 设计复杂度： 更高阶的PCB设计工具和设计人员需要具备极高的专业能力。

因此，通常情况下，三阶HDI已能满足绝大多数高性能电子产品的需求。特殊情况下，可能会有少量四阶HDI的应用。

三、 阶数划分的核心技术与考量

PCB板的阶数划分并非简单地增加层数，其背后涉及到一系列复杂而精密的制造技术和设计考量。

1. 微盲孔技术

微盲孔是HDI板的核心，其制造方式主要有：

• 激光钻孔（Laser Drilling）： 这是制造微盲孔最常用的方法。激光钻孔具有非接触、高精度、高速度的特点，可以精确控制孔的深度，从而形成盲孔。常用的激光类型包括CO2激光和UV激光。

• CO2激光： 主要用于钻介质层，对铜箔的穿透能力较弱，通常需要预先开窗（Windowing）露出介质或采用“铜箔上钻孔”（Drill on Copper）技术。

• UV激光： 能量密度更高，可以同时钻穿铜箔和介质，精度更高，但成本也更高。常用于更精细的盲孔和通孔。

• 光敏介质成孔（Photo-defined Via）： 通过曝光和显影技术在光敏树脂层上形成孔。这种方法可以一次性形成大量的微孔，效率高，但对材料有特殊要求。

2. 盲孔填充技术

为了实现叠层盲孔，孔填充技术至关重要。主要有两种方式：

• 电镀填充（Via Fill Plating）： 在盲孔内进行电镀铜，使孔内完全充满铜。这种方法可以确保盲孔的可靠导通，并为上层盲孔提供一个平坦、导电的基底。这是实现叠层盲孔最常用的方法，但对电镀工艺的均匀性和填充率要求极高。

• 树脂填充（Resin Fill）： 在盲孔内填充导电或非导电树脂。如果填充非导电树脂，则需要再在树脂表面进行电镀铜层。这种方法可以提供良好的平整度，但导电性不如纯铜填充。

孔填充的质量直接影响到后续层压的可靠性和叠层盲孔的电气性能。任何填充不完整或不平坦都可能导致后续层出现气泡、分层或开路。

3. 材料选择

随着频率的提高和信号完整性要求的增加，HDI板的材料选择变得越来越重要。

• 低介电常数（Dk）和低介质损耗（Df）材料： 对于高频信号传输，需要使用Dk和Df值更低的介质材料，以减少信号衰减和失真。

• 热膨胀系数（CTE）匹配： 在多层压合过程中，不同材料在热胀冷缩时可能产生应力。良好的CTE匹配可以减少分层和孔开裂的风险。

• 高Tg（玻璃化转变温度）材料： 高Tg材料可以保证PCB在高温工作环境下具有更好的尺寸稳定性和机械强度。

4. 层压技术

多层板的压合需要精确的温度、压力和时间控制。对于HDI板，由于层数多，叠层结构复杂，对压合工艺的控制要求更高。真空压合是常用的技术，可以有效避免气泡和分层。

5. 对准精度

无论是激光钻孔还是层压，都需要极高的对准精度。微盲孔的尺寸很小，任何微小的偏差都可能导致开路、短路或性能下降。先进的光学定位系统和自动化设备是实现高精度对准的关键。

6. 阻抗控制

在高频应用中，信号线的阻抗必须严格控制在特定值（如50欧姆、75欧姆等），以避免信号反射和失真。HDI板由于其紧密的结构和更短的信号路径，对阻抗控制提出了更高的要求。设计工程师需要与PCB制造商紧密合作，通过调整线宽、线距、介质厚度和介电常数来达到目标阻抗。

7. 可靠性测试与检验

HDI板的复杂性意味着其可靠性测试也更为严格。除了传统的电气测试（开短路测试），还需要进行更专业的可靠性验证，如：

• 热冲击测试（Thermal Shock Test）： 模拟极端温度变化对PCB的应力影响。

• 切片分析（Micro-section Analysis）： 对PCB横截面进行观察，检查盲孔的填充质量、电镀层厚度、层间结合情况等。

• 回流焊测试（Reflow Test）： 模拟PCBA组装过程中的高温环境，评估板材的耐热性。

四、 PCB阶数与设计、成本、周期的关系

PCB的阶数选择是设计阶段需要权衡的重要因素，它直接影响到产品的性能、尺寸、成本和上市时间。

1. 设计复杂度

• 一阶HDI： 相对简单，可以采用“Any-Layer”设计概念（任意层互连），但受限于一层盲孔。

• 二阶HDI： 复杂度显著增加，尤其是叠层盲孔的设计。需要更专业的EDA工具和经验丰富的设计师。需要考虑盲孔的填充工艺、可靠性等。

• 三阶及更高阶HDI： 设计复杂度呈几何级数增长。布局布线、信号完整性、电源完整性、热管理等都需要精细的考量。设计规则设置更为严格。

2. 制造成本

• 一阶HDI： 成本相对较低，比传统多层板略高。由于只需要一次额外的压合和钻孔，成本增量可控。

• 二阶HDI： 成本显著高于一阶HDI。两次压合、两次钻孔以及对孔填充工艺的严格要求，使得制造难度和成本大幅提升。特别是叠层盲孔，对设备和工艺的要求更高，良品率可能会有所下降。

• 三阶及更高阶HDI： 成本非常高昂。每次压合循环都会增加大量的制造成本，包括材料、设备折旧、人工以及更低的良品率。这类板通常只用于对性能、尺寸有极致要求的旗舰产品。

3. 制造周期

• 一阶HDI： 制造周期比传统多层板稍长，但通常可接受。

• 二阶HDI： 制造周期明显延长。两次压合和复杂的孔处理过程，增加了生产步骤和等待时间。

• 三阶及更高阶HDI： 制造周期非常长。多次循环的制造过程意味着更长的生产线占用时间，以及可能因工艺复杂性导致的返工和良品率问题。快速原型和小批量生产的难度和成本都非常高。

4. 可靠性与良品率

阶数越高，制造过程中的可靠性风险和良品率控制难度越大。任何一层盲孔的缺陷都可能导致整个板报废。因此，高阶HDI板的制造商需要具备极其严格的质量控制体系和先进的制造设备。

五、 HDI技术的发展趋势

随着电子产品对性能和集成度的不断追求，HDI技术也在持续发展。

1. 更小的微盲孔尺寸

为了进一步提高布线密度，微盲孔的直径将继续缩小。从目前的0.15mm甚至0.1mm，未来可能会发展到更小的尺寸。这要求更精密的激光钻孔技术和电镀填充技术。

2. 更薄的介质层

减小介质层的厚度可以缩短信号路径，降低寄生电容和电感，有助于提高信号传输速度和信号完整性。但这也会增加制造难度，对层压和介质材料的均匀性提出更高要求。

3. 任意层互连（Any-Layer HDI/ELIC）

传统的HDI通常局限于外部几层。**任意层互连（Any-Layer HDI）或称Every Layer Interconnect (ELIC)**是更高级的HDI技术，它允许PCB的任何层之间都可以通过盲孔进行连接，甚至可以实现层间盲孔与通孔的结合。这种技术大大提高了布线灵活性和密度，但制造成本极高，工艺极其复杂，通常只用于最高端的移动设备。ELIC板的每一个连接孔都是盲孔，而且所有层都可以互相连接，这意味着不再有传统的通孔，所有内层连接都可以通过盲孔实现，从而实现真正意义上的三维布线。

4. 内埋元器件（Embedded Components）

为了进一步减小PCB的尺寸，将电阻、电容等无源元件直接嵌入到PCB内部层中已成为一种趋势。这不仅节省了表面空间，还缩短了互连路径，降低了EMI，提高了电气性能。

5. 新型材料的应用

随着高频高速信号的需求不断增加，对具有更低Dk/Df值、更高热稳定性和更好可靠性的新型介质材料的需求将持续增长。

6. 环保与可持续性

PCB制造过程中涉及多种化学品和能源消耗，环保要求日益严格。未来HDI技术将更加注重绿色制造，例如使用无卤素材料、开发更环保的电镀工艺等。

六、 结语

PCB板的一阶、二阶、三阶划分主要依据微盲孔的使用方式和制造过程中的压合次数。一阶HDI板是应用最广泛的入门级HDI，通过一次压合形成相邻层间的盲孔。二阶HDI板通过两次压合，可以实现交错盲孔或叠层盲孔，显著提高了布线密度。而三阶HDI板则通过三次压合实现多层叠层盲孔，代表了当前PCB制造的最高技术水平，但成本和制造难度也最高。

选择合适的PCB阶数需要在性能、尺寸、成本和制造周期之间进行精细的权衡。随着电子产品向更小、更快、更强的方向发展，HDI技术将继续演进，以满足不断增长的集成度需求。深入理解HDI板的阶数划分及其背后的技术原理，对于电子产品的设计工程师、制造工程师以及供应链管理人员都具有极其重要的意义。