プリント基板のビア径に関する設計仕様

現代の電子回路設計においては、, PCB（プリント基板）の設計 は、製品開発プロセス全体において極めて重要な要素です。特に穴の設計は、シグナルインテグリティ、機械的強度、製造性といった主要な性能指標に直接影響を及ぼします。以下では、ユーザーがPCBの穴設計の中核となる要素を十分に理解し、習得できるよう、いくつかの側面について詳しく解説します。.

PCBビアの簡単な紹介

プリント基板（PCB）は、回路構築における重要な構成要素あるいは基本単位であり、その上にさまざまな回路素子が接続されます。しかし、PCBの設計および部品実装において最も重要な要素は、さまざまな穴の形成です。これらの穴は、さまざまな技術やプロセスを用いて形成されます。 穴の種類ごとに、固有の製造プロセスと性能特性があります。穴の主な機能は、基板への部品実装を容易にし、堅牢で信頼性の高い電気的接続を確保し、PCBの構造的強度を高めることです。.

PCBビアの定義

両面基板や多層基板において、ビアとは、層間で接続する必要があるプリント配線の交点に開けられた共通の穴であり、プリント配線を接続するためのものです。という点では、 PCBの製造工程, 、ビア壁の円筒面に金属層を化学的堆積により形成し、中間層の銅箔を接続するとともに、ビアの上面と下面を円形のはんだパッドとする。ビアの主なパラメータには、穴の外径、はんだリング、およびドリル穴のサイズなどが含まれる。.

PCBビアの長所と短所

利点	この信号接続により、従来のジャンパー接続工程が置き換えられ、工程が簡素化され、生産効率が向上します。.
欠点	ビアには、寄生容量と寄生インダクタンスの両方が存在します。高速デジタル回路の設計において、ビアに起因する寄生インダクタンスの悪影響は、寄生容量の影響を上回る場合がしばしばあります。 伝送線路においては、これはインピーダンスの不連続や高速信号の遅延として現れます。電源システムにおいては、寄生直列インダクタンスがバイパスコンデンサの効果を弱め、その結果、電源システム全体のフィルタリング効果が低下します。.

種類 PCBの ビア

スルーホール（PTH）	基板全体を貫通するメタリゼーション穴の直径は、通常0.2mm以上です。.
ブラインドビア	表面から内層へと延びる局所ビアについては、深さ対直径の比を1:1以下にすることが推奨されます。.
埋葬経路	層間ビアには、多層積層プロセスが必要です。.

PCBビアの設計ルール : サイズ制限、間隔要件、および製造仕様

その種類にかかわらず、 PCB, 、その設計には対応する仕様や要件があります。以下に、PCBビアの設計に関する関連規則および仕様の概要を示します。.

コア設計仕様では、以下が必須とされています。

開口部と板厚の比率（深さ対直径比）	通常の貫通穴については、めっき不良を防ぐため、深さ対直径の比を1:10または1:12以内に抑えることが推奨されます。.
パッドと開口部の関係	機械的強度と電気的接続を確保するため、外輪の幅は通常5mil以上、内輪の幅は通常8mil以上となっています。.
穴の間隔に関する要件	中心間距離または端部間距離は、0.5mm以上にすることを推奨します。0.3mm未満の場合、加工中にはんだブリッジの発生や破損を引き起こしやすくなります。.
プロセスの最適化に関する提案	直径が0.5mm以下のビアについては、はんだがビア内に流れ込むのを防ぐため、ビアの塞ぎ処理およびシーリングオイル処理を行うことを推奨します。.

一般的なサイズと仕様

標準スルーホール	一般的な内径は0.2mm以上、外径は0.4mm以上です（極端な場合、外径は0.35mmまで小さくなることもあります）。.
微細穴／盲穴	1次ブラインドホールの内径は通常0.1 mm、外径は0.25 mmである。.
電源／グランドビア	より大きな電流を流すためには、やや大きめのサイズ（外径0.55mm～0.7mm以上）を使用することをお勧めします。 .
経由：	一般的に使用される直径は0.4mm～0.55mmです。.

余白とレイアウトのルール

穴の間隔	中心間の距離が0.5mm以上であることが理想的であり、0.3mm未満の場合は違反とみなされます。.
パッドとビア	極小のパッド（0402 RCパッドなど）の上にビアを直接配置することは避けてください。はんだ付け時のトゥームストーニングやはんだ漏れを防ぐため、4～8ミル間隔を空けることをお勧めします。.
プラグの仕様	直径が0.5mm以下のビアについては、通常、ビアのプラグ埋めと封止が必要となります。BGAの下にあるビアは、パッドの中心に位置させ、プラグ埋めを行う必要があります。.

主要な設計パラメータ

開口部の仕様	機械的穴あけの限界：0.15～6.5mm（標準）／0.1～0.15mm（高精度）
	レーザー穴あけ：0.05～0.1mmの微細穴を開けることができます。.
	アスペクト比の制限：10:1以下（標準設計）、推奨値は8:1以下
穴の間隔に関する要件	穴の縁からワイヤまでの距離は、0.15mm以上である。.
	同一ネットワーク内のビア間の間隔は、0.1mm以上である。.
	異なるネットワークタイプにおけるビア間の間隔は、0.2mm以上である。.
パッドの設計	標準パッド径＝穴径＋0.2mm（両側に0.1mmのリング幅）
	HDI基板のリング幅は0.075mmまで狭めることができます。.
	BGA領域には、NSMDパッドの使用をお勧めします。.

シグナル・インテグリティの要件

インピーダンス制御による	はんだ防止パッドのサイズを大きくしてください（開口部の2倍以上）。.
	バックドリリング技術を採用している（残留杭長 ≤ 0.15mm）。.
	伝送経路あたり、高速信号用ビアは2個以下
放熱設計	アレイ間隔2～3mmによる電源／グランド
	放熱穴の直径は0.3mm以上です。.
	ダークインク処理（放射率30%の向上）

製造工程仕様書

はんだ耐性に関する要件	プラグの深さ ≦ 細孔径の0.8倍
	インクの厚さ 8～15μm
	片側の窓開口部の直径は、0.05mm以上である必要があります。.
掘削補償	機械的ドリル補正値 = 穴径 × 3% + 0.05mm
	レーザー穴あけの誤差補正 ±0.01mm
試験基準	穴の壁面の銅の厚さは18μm以上（1オンスのベース銅）である。.
	穴位置の精度 ±0.05mm（LDIプロセス）
	スルーホールの銅の延性 ≥15%（IPC6012Bに準拠）

特別な設計要件

段付き穴の設計	段差 ≤ 0.3mm
	遷移角 ≥ 120°
	隣接する層間の間隔：3 × 板厚以上
穴埋め処理	穴用導電性接着プラグ：直径 0.3mm 以下に適しています
	樹脂充填：平坦化を可能にする。.
	プラグ径の最大比率：1:1.5
具体的な設計プロセスを検討することをお勧めします。.	インピーダンス計算ツール（Polar SI9000など）を使用して、インピーダンスを測定・確認してください。.
	DFM解析を実施する（ValorやNPIなどのツールを使用）。.

PCBビアの最適な比率

スペースに余裕がある場合、ビアのサイズは0.3mm～0.5mmが一般的に最適と見なされます。最適な比率は、ビアの外径が内径より12mil大きいことです。例えば、ビアの直径が12milの場合、外径は24milとなり、これが最適な比率となります。 外径のサイズは、製造時の位置合わせの難易度や製品の信頼性に一定の影響を与えます。各製造工程には公差があります。外径が小さすぎて、穴あけや位置合わせの工程で大幅なずれが生じた場合、最終的なPCBにおいて穴が破裂する（PCBメーカーが「パッド破損」と呼ぶ現象）リスクが生じる可能性があります。 また、パッドの破損は、製品の電流容量不足につながる可能性もあります。.

PCBビアの設計上の考慮事項

1. 適切なビアサイズを選択する際には、コストと信号品質の両方を考慮してください。例えば、6～10層のメモリモジュール用PCB設計では、10/20ミル（ドリル穴/パッド）の仕様が推奨されます。高密度の小型回路基板については、8/18ミルのビア径を試してみることも可能です。 現在の技術水準では、これより小さいビアサイズを使用することは困難です。電源用またはグランド用のビアについては、インピーダンスを低減するために、より大きなサイズを検討することも可能です。.

2. より薄いPCBを使用することで、ビアの2つの寄生パラメータを低減することができます。.

3. PCB上の信号配線の層の変更はできるだけ避けること。つまり、不要なビアの使用を最小限に抑えること。.

4. 電源ピンとグランドピンは互いに近接して穴あけを行うとともに、ビアとピン間のリード長は、インダクタンスが増加するため、できるだけ短くする必要があります。同時に、インピーダンスを低減するために、電源線とグランド線はできるだけ太くする必要があります。.

5. 信号層のビアの近くにグランドビアを配置することで、信号に対して最も近いグランドループを確保できます。設計に柔軟性があれば、PCB上に多数の冗長なグランドビアを配置することも可能です。前述のビアモデルは、すべての層にパッドが存在するケースに適用されます。 特にビア密度が極めて高い場合、一部の層のパッドを削減したり、場合によっては除去したりできることがあります。これは、パッドの削減によりトレンチが途切れ、銅層内に不連続なループが形成される可能性があるためです。この問題を解決するには、ビアの位置を調整するほか、ビアを銅層上に直接配置することも検討できます。.

高速回路におけるPCBビアの等価モデル

ビアは必然的に寄生容量や寄生インダクタンスをもたらします。これは低速や高周波の伝送線路では目立たないかもしれませんが、高速の伝送線路では遅延や波形歪みを引き起こす可能性があり、その影響は顕著となり、システム設計の成否を左右する要因となり得ます。 伝送線路上のビアはインピーダンスの不連続点として作用し、信号の反射を引き起こします。 一般的に、ビアの等価インピーダンスは伝送線のそれよりも約12%低くなります。例えば、50オームの伝送線の場合、ビアを通過する際にインピーダンスが6オーム低下します（正確な低下量はビアのサイズや基板の厚さによって異なり、絶対的な値ではありません）。 しかし、ビアのインピーダンス不連続性によって生じる反射は、反射係数が (44-50)/(44+50) = 0.06 とごくわずかであるため、無視できる程度です。ビアによって引き起こされる問題は、主に寄生容量および寄生インダクタンスの影響によるものです。.

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要約する

PCBの穴は、PCB設計および電子機器やプロジェクトの正常な動作において極めて重要な要素です。これらの穴は、回路基板の異なる層間で電気的接続を確立し、機械的強度を確保するために不可欠です。したがって、PCBを設計する際には、設計ルールや仕様を厳守し、量産時にプロジェクトのスケジュールを遅らせる可能性のあるさまざまな品質上の問題を回避することが極めて重要です。.

この記事では、Geyuan Electronicsのエンジニアリングチームがまとめた、PCBビア設計に関する規則と要件を要約しています。これらの設計要件は、具体的な用途（民生用電子機器／産業用／自動車用など）や信号周波数（デジタル／高周波RF）に応じて調整する必要があります。 例えば、自動車用電子基板では20%以上の追加の安全マージンが必要となる一方、高周波PCBではより厳しいインピーダンス許容差（±5%）が求められる場合があります。PCBの大量生産をご検討の際は、ぜひ弊社までお問い合わせください。.