一、PCB 一階過孔的核心定義：何為 “一階” 的本質？

在 PCB 設計的微觀連接體系中，過孔是實現不同層信號互通的 “橋梁”，而一階過孔則是這座 “橋梁” 中最基礎、應用最廣泛的存在。不同于二階過孔的 “分段貫穿” 或盲埋孔的 “隱藏式連接”，一階過孔的核心特征的是貫穿 PCB 板所有導電層，且僅在頂層（Top Layer）和底層（Bottom Layer）設置焊盤，中間導電層不做信號或電源連接的通孔結構。

從本質來看，“一階” 的命名源于其貫穿層數的完整性 —— 無論 PCB 是 4 層、6 層還是 8 層，一階過孔始終從頂層穿透至底層，形成完整的 “垂直通道”，中間層的銅箔會通過蝕刻工藝與過孔壁隔離，僅保留頂層和底層的焊盤作為連接接口。這種結構決定了它的核心優勢：工藝簡單、成本可控、可靠性高，同時也限定了其適用場景 —— 無需中間層信號互聯的中低密度 PCB 設計。

需要明確的是，一階過孔與 “通孔” 并非完全等同概念：所有一階過孔都是通孔，但通孔中還包含了中間層做連接的 “全連接通孔”，而一階過孔的關鍵邊界在于 “僅頂層 / 底層焊盤有效”。這一區別也成為其與二階過孔最核心的差異點之一。

二、一階過孔的結構組成與工藝原理

1. 核心結構三要素

一階過孔的結構看似簡單，實則由三個關鍵部分構成，缺一不可：

? 孔壁（Barrel）：貫穿 PCB基材的圓柱形通道，內壁通過沉銅和電鍍工藝形成導電層，是信號和電流的傳輸路徑，厚度通常為 18-35μm，需滿足 IPC-6012 標準的導電性能要求；

? 頂層 / 底層焊盤（Pad）：位于 PCB 表面的圓形銅箔區域，直徑通常比孔徑大 0.4-0.6mm，用于焊接元器件引腳或實現與表層走線的連接，焊盤邊緣與孔壁的距離（Annular Ring）需≥0.1mm，避免鉆孔偏差導致焊盤失效；

? 阻焊層（Solder Mask）：覆蓋在焊盤之外的絕緣層，僅露出焊盤區域，防止焊接時橋連短路，同時保護孔壁和基材不受環境侵蝕。

2. 工藝實現流程

一階過孔的制造工藝是 PCB 通孔工藝中最成熟的類型，核心流程包括：

? 鉆孔：采用數控鉆孔機（CNC Drill），根據設計孔徑選擇鎢鋼或金剛石鉆頭，從頂層垂直鉆透至底層，鉆孔精度需控制在 ±0.02mm，避免孔位偏移導致與周邊走線短路；

? 去鉆污（Desmear）：通過化學或等離子體工藝，去除鉆孔過程中附著在孔壁的基材殘渣（鉆污），確保后續沉銅的附著力；

? 沉銅（PTH）：將 PCB 浸入化學銅液，在孔壁形成一層薄銅（約 0.5-1μm），實現孔壁的初步導電；

? 電鍍銅（Plating）：通過電解工藝加厚孔壁銅層至規定厚度，同時優化焊盤的銅箔厚度，提升導電性能和機械強度；

? 蝕刻（Etching）：去除中間層與孔壁連接的銅箔，僅保留頂層和底層焊盤，完成 “一階” 結構的定義；

? 阻焊與絲印：涂覆阻焊層并曝光顯影，露出焊盤區域，最后印刷絲印標識，完成整個一階過孔的制造。

整個工藝的核心難點在于 “中間層蝕刻的精準控制”—— 需確保中間層銅箔完全與孔壁隔離，同時不損傷表層焊盤和基材，這也是一階過孔與普通通孔工藝的核心區別。

三、一階過孔的設計關鍵參數：決定性能的核心指標

一階過孔的設計質量直接影響 PCB 的信號完整性、機械可靠性和制造成本，以下五大參數是設計階段必須重點把控的核心：

1. 孔徑尺寸（Drill Size）

孔徑是一階過孔最基礎的參數，需根據實際應用場景選擇：

? 常規應用：消費電子（手機、平板）、普通工業控制板等，孔徑通常為 0.2-0.5mm，對應的焊盤直徑為 0.6-1.0mm，既能滿足元器件引腳焊接需求，又能節省 PCB 空間；

? 大電流應用：電源板、工業電源模塊等，孔徑可擴大至 0.6-1.0mm，焊盤直徑對應為 1.2-1.8mm，通過增大導電截面積降低電流密度，避免發熱；

? 高密度應用：微型傳感器、可穿戴設備 PCB，孔徑可縮小至 0.15-0.2mm（微過孔），但需匹配 PCB 基材厚度（通常基材厚度≤1.0mm），避免鉆孔困難。

需注意的是，孔徑不能小于 PCB 基材厚度的 1/10（即 Aspect Ratio≤10:1），否則會導致沉銅不均勻、孔壁空洞等工藝缺陷 —— 例如 1.6mm 厚的 PCB，最小孔徑不宜小于 0.16mm。

2. 孔距與間距（Pitch & Spacing）

? 孔距（Via Pitch）：相鄰兩個一階過孔中心之間的距離，需≥2 倍孔徑，且不小于 0.5mm，避免鉆孔時鉆頭相互干擾，同時減少孔間電磁場耦合導致的信號串擾；

? 過孔與走線間距：過孔邊緣與周邊走線的距離需≥0.2mm（常規 PCB）或≥0.15mm（高密度 PCB），防止蝕刻時走線被過度腐蝕，同時降低信號干擾。

3. 焊盤設計（Pad Design）

焊盤的大小和形狀直接影響焊接可靠性和信號傳輸：

? 圓形焊盤：最常用類型，直徑 = 孔徑 + 0.4-0.6mm，例如 0.3mm 孔徑對應 0.7-0.9mm 焊盤，確保足夠的焊接面積和抗剝離強度；

? 橢圓形焊盤：適用于高頻信號或長邊走線場景，長軸平行于走線方向，可減少信號反射和阻抗突變；

? 防焊盤（Solder Mask Opening, SMO）：比焊盤直徑大 0.1-0.2mm，確保焊接時焊錫能充分覆蓋焊盤，避免虛焊。

4. 阻抗匹配（Impedance Matching）

對于高頻信號（≥1GHz），一階過孔的寄生電感和電容會導致阻抗不連續，影響信號完整性：

? 寄生電感計算公式：L≈0.008×h×ln (4h/d)（nH），其中 h 為 PCB 厚度，d 為孔徑；

? 寄生電容計算公式：C≈1.41×εr×d×h/(D-d)（pF），其中 εr 為基材介電常數，D 為焊盤直徑；

? 優化方案：減小孔徑和焊盤直徑、縮短 PCB 厚度、在過孔周圍設置接地過孔（GND Via）形成屏蔽，使過孔阻抗與傳輸線阻抗（通常為 50Ω 或 100Ω）匹配。

5. 熱設計（Thermal Design）

對于功率器件附近的一階過孔，需考慮散熱需求：

? 增大孔徑和焊盤面積，提升熱傳導效率；

? 在焊盤上設計散熱焊盤（Thermal Pad），通過過孔陣列將熱量傳導至底層或內層接地平面；

? 避免在過孔密集區域布置大功率器件，防止熱量積聚。

四、一階過孔的工程應用場景：從消費電子到工業控制

一階過孔憑借其工藝簡單、成本低廉、可靠性高的優勢，成為中低密度 PCB 設計的首選，覆蓋以下核心應用場景：

1. 消費電子領域

? 手機 / 平板 PCB：4-6 層 PCB 設計中，一階過孔用于電源信號傳輸、元器件引腳互聯，例如電池管理芯片（BMS）的電源過孔、射頻模塊的信號過孔，孔徑通常為 0.2-0.3mm，滿足小型化需求；

? 電腦主板 / 顯示器：6-8 層 PCB 中，一階過孔用于 IO 接口、內存插槽的信號互聯，大電流過孔（0.5-0.8mm）用于 CPU 供電電路，確保電流穩定傳輸。

2. 工業控制領域

? PLC / 變頻器 PCB：8-10 層 PCB 中，一階過孔用于模擬信號、數字信號的層間傳輸，由于工業環境對可靠性要求高，通常采用較大的焊盤（≥0.8mm）和孔壁厚度（≥30μm），提升抗振動和抗腐蝕能力；

? 傳感器模塊：微型傳感器 PCB（厚度≤1.0mm）中，采用 0.15-0.2mm 的微過孔，實現微弱信號的層間傳輸，同時避免占用過多空間。

3. 汽車電子領域

? 車載中控 / 導航 PCB：6-8 層 PCB 中，一階過孔用于音頻、視頻信號傳輸，由于車載環境溫度變化大，需選擇耐高溫基材（如 FR-4 TG150），過孔焊盤采用無鉛電鍍工藝，確保 - 40