多層プリント基板のビア設計における一般的な誤りとプロセス限界の分析

カスタムPCBの製造を成功させるには、革新的な設計コンセプトだけでなく、製造業者によるさまざまな多層PCBプロセスに対する深い理解も求められます。ビアの設計は、その重要な要素として PCB設計, …は、PCBの性能と製造効率にとって極めて重要です。以下に、PCBのビア設計における一般的な誤りと製造プロセスの制約について、当社の分析結果をまとめました。.

ビアの基本概念について 多層プリント基板

プリント基板（PCB）の設計において、ビアは極めて重要な要素です。簡単に言えば、PCBのビアとは、基板内の小さなメタライズされた穴のことです。 多層プリント基板 異なる層間の導体を接続するために使用されます。これらの穴は、電気的な接続を提供するだけでなく、部品の取り付けや位置決め用の穴としても機能します。製造プロセスに応じて、ビアは主に「ブラインドビア」、「埋込みビア」、「スルーホール」の3種類に分類されます。.

ビアの機能は、 多層プリント基板

電気接続	多層プリント基板では、異なる層間の回路をビアを介して接続する必要があります。この接続方法により、安定した信号伝送が確保され、信号の減衰や干渉が低減されます。.
部品の固定と位置決め	ビアは、電気的な接続に加え、部品を固定したり位置決めしたりするためにも使用されます。PCBに穴を開け、そこに部品のリード線を挿入することで、部品をしっかりと固定することができます。.

～の設計仕様書に基づき 多層プリント基板

プリント基板（PCB）では、異なる層間の回路を接続するためにビアが一般的に使用されます。PCBのレイアウトや設計において、層貫通の仕様に従わないと、ビアが製造工程におけるボトルネックとなる可能性があります。仕様に従うことで、製造上の問題を未然に防ぎ、基板の品質と信頼性を確保することができます。.

盲穴は避ける	ブラインド穴は1層のみを貫通します。他の複数の層を貫通させる必要がある場合は、内部の部品に穴あけ加工やレーザー穿孔を行う必要があります。製造コストが高く、工程が複雑なため、ブラインド穴は可能な限り避けるべきです。.
適切なメザニンとクロスオーバーを設定する	PCB設計において、異なる層間の短絡を防ぐためには、適切なメザニンおよびビアのルールを設定する必要があります。ビアのルールでは、ビアの最小間隔に加え、配線経路、配線、およびメザニン間隔に関して考慮すべき事項が定義されています。.
適切なビアの種類を選択してください	ビアを選択する際には、コストと信頼性のバランスを適切に考慮する必要があります。両端での接続が必要な最もシンプルな基板の場合、スルーホールビアが適しています。高密度に設計された基板については、スルーホールビア、ブラインドビア、および埋め込みビアの採用を検討することができます。.
アースクランプ用穴	レイアウトに接地クランプ穴などの接地対策を組み込むことで、電磁両立性を効果的に向上させ、静電気の蓄積を抑えることができます。.

多層プリント基板 任意のサイズに設計できますか？

まずは、PCBの穴がどのように作られるのかを見てみましょう。まず、材料の準備段階において、PCBメーカーは自動裁断機を使用して、大きな銅張積層板を生産ニーズに合わせて特定のサイズの基板に裁断します。 次に、CNCドリル盤を用いて、銅張積層板の指定された位置に穴を精密に開けます。ドリル盤のドリルビットは円形であるため、丸い穴しか開けることができず、四角い穴を作ることはできません。.

「取る」 Geyuan Electronics 例えば、PCB加工に使用されるドリルビットは機械式ドリルであり、ドリルビットの仕様は0.05mm刻みで増減します。 丸穴用ドリルビットのサイズは0.15mmから6.30mmまであり、最小のスロット用ドリルビットは0.65mm（メタライズドスロットに適しています）、最小のスロット用ルータービットは1.0mm（非メタライズドスロットに適しています）です。 そのため、PCBの設計において、ビアのサイズを任意に設定することはできません。.

多層プリント基板のビア設計およびコア製造 プロセス限界解析

機械式穴あけとレーザー穴あけ	機械式ドリルビットの最小直径は通常0.3 mmですが、レーザー穴あけでは0.15 mm、あるいはそれ以下の直径も実現可能です。ただし、その場合は加工コストが大幅に増加します。.
アスペクト比（深さ対直径比）の制限	基板の厚さと穴の直径の比率（深さ対直径比）が大きすぎると、穴が小さいほど、穴の壁面における銅メッキのムラが大きくなります。 穴の深さが穴径の6倍を超えたり、深さ対直径比が10:1を超えたりすると、穴壁に銅がめっきされない、ドリルが破損する、あるいはめっき不良が生じやすくなります。 .
穴の間隔と安全間隔	2つの穴の間隔が近すぎると、穴あけ時に材料が薄くなりすぎて、応力が不均一になることでドリルビットが破損します。穴の端と内層の配線や隣接する穴との間には、安全な間隔を確保する必要があります（通常、ループと配線との間隔は3mil以上6mil以下にする必要があります）。.

よくあるデザインの失敗例とヒント

極端に小さな絞りを盲目的に追求すること	非高速回路や従来の多層基板では、マイクロビアや高次埋込ブラインドビアの使用は必須ではありません。そうしないと、生産歩留まりの低下やコストの指数関数的な増加につながります。.
ビアとパッドは互換性があり（ビアをパッドに直接配置することも可能です）、どちらでも使用できます。.	ビアを部品パッドの真上に配置すると、リフローはんだ付けの際に、はんだペーストがビアに沿ってはみ出してしまい、はんだ量が不足したり、さらには部品に「トゥームストーン」現象が発生したりする原因となる可能性があります。.
環状リングが小さすぎる	はんだパッド周囲の銅リングの幅が不十分な場合、穴あけ位置がわずかにずれただけで、穴が破損したり（穴内の銅が断線したり）、はんだパッドが剥がれたりしやすくなります。.
多層ブラインドホールの位置ずれ	多層基板の積層や穴あけ工程において、位置決め精度が不十分であったり、熱膨張・収縮が不均一であったりすると、積層ビアの中心位置のずれ、インピーダンスの急激な変化、あるいは信号の断線を引き起こす可能性があります。.

小径穴の設計における考慮事項 PCBビアの設計において

どの程度の大きさの穴が「小穴」と見なされるのでしょうか？一般的に、0.3mmが境界線とされており、0.3mm未満の穴は小穴と見なされます。ビアが小さければ小さいほど、特にビアのサイズがプロセスの限界値に近い場合、加工は困難になります。これには、業界で用いられる「アスペクト比」という概念が関係しています。 アスペクト比とは何でしょうか？簡単に言えば、基板の厚さとビアの直径の比率のことです。アスペクト比が大きいほど、加工の難易度は高くなります。つまり、ビアが小さければ小さいほど、加工は難しくなるということです。.

電気めっきが難しい	ビアが微細化するにつれて、開口部が小さくなるため、電気めっきの際に銅層を均一に堆積させることが難しくなり、ビア内に銅が堆積しない、あるいはビアの不良といった問題が生じやすくなります。つまり、ビアが微細になればなるほど、銅めっきの貫通率は低下します。.
処理効率の低さ	ピンホール用ドリルビットの実効長が短いほど、1回のバッチで穴あけ加工できる基板の枚数が減り、生産効率に直接影響します。ドリルビットの破損を防ぐため、ピンホール加工の際は送り速度を下げ、スピンドル回転数を上げる必要があります。この処理は、加工時間を増やすだけでなく、ドリルビットの摩耗も早めます。 したがって、PCB設計においては、加工効率を確保しコストを削減するため、ビアのサイズは理想的には0.3mm以上とすべきです。ピンホールは、スペースが限られている場合にのみ検討すべきです。.
外径の問題	ビアやはんだ穴を設計する際には、内径および外径の寸法要件を考慮する必要があります。これらのパラメータは、 PCBの製造工程. 。例えば、Geyuan Electronicsの場合、両面基板および多層基板の最小加工パラメータは、内径0.15mm、外径0.25mmとなっています。.
問題点 溶接リングが小さすぎる	はんだリングが小さすぎると、製造工程において、穴あけ装置の誤差や位置合わせ公差により、PCBの穴とフィルム上のはんだパッドの中心との間に位置ずれが生じ、穴が中心からずれてしまう可能性があります。 この位置ずれにより、はんだパッドの有効面積が減少して製造上の欠陥リスクが高まり、さらには電気的接続の不具合につながる可能性さえあります。したがって、はんだリングのサイズを適切に設計し、製造公差を考慮することは、PCBの品質と信頼性を確保するために極めて重要です。.

多層 PCBビアの設計手法

以下は、Geyuan Electronicsのエンジニアリングチームがまとめた、多層PCBのビア設計に関するヒントです。 .

• 機械式ドリルを使用して標準的なスルーホールを加工する際は、許容される最小ドリルビットのサイズが回路基板の厚さによって異なることを覚えておくことが重要です。例えば、PCBメーカーは通常、ドリル穴のアスペクト比が10:1を超えないことを要求しています。 つまり、厚さ62ミル（mil）の回路基板の場合、使用する機械式ドリルの最小サイズは6ミル（mil）、つまり0.006インチである必要があります。これより小さい穴が必要な場合は、アスペクト比が1:1のマイクロビアの使用を検討すべきです。.

• ビアの長さは短いとはいえ、それでも測定可能な導体長を構成しており、厳しいシグナル・インテグリティ要件の下では問題を引き起こす可能性があります。例えば、10層の回路基板の上部2層をつなぐビアの場合、8層分の不要な金属層が存在することになり、これが干渉の原因となる可能性があります。.

• ビアパッドのサイズは重要です。穴あけ加工後に、十分な大きさの環状リングが残るようにする必要があります。機械式ドリルは穴あけ中にわずかに揺れが生じるため、十分な大きさの環状リングがないと、ドリルの破損によってビアが損傷する恐れがあります。.

• PCBの配線が密集している領域では、設計者はビアによって配線経路やグランドプレーンのリターン経路を遮断しないよう注意しなければなりません。そのため、BGAのエスケープルートを計画する際には、ブラインドビアやマイクロビアの使用が不可欠であり、これにより、部品の下側にある重要な配線経路やプレーンを妨げることなく、すべてのピンを配線できるようになります。 スタックビアは充填や平坦化といった、時間とコストがかかる工程を必要とするため、スタックビアよりもスタッガードビアを選択してください。.

• 盲穴および埋込穴については、規定の深さを確保してください。.

• 高速ビアのアスペクト比を最小限に抑えることで、信号の反射を防ぐことができます。これにより、電気的性能とシグナルインテグリティが向上し、ノイズやクロストークが低減され、EMI/RFIも抑制されます。.

• 特にHDI基板では、浮遊容量や浮遊インダクタンスを最小限に抑えるために、より小さなビアを使用してください。.

• パッド内のビアは、サーマルパッド内に位置する場合を除き、充填する必要があります。.

• BGAのマウントパッドは、ブラインドビアおよびスルーホールを用いて配置することができますが、その際、これらのビアは充填および平坦化処理が施されている必要があります。平坦化処理が行われていない場合、はんだ接合部に影響が出る可能性があります。.

• QFNの下にある熱伝導パッドには、導電面へのはんだの流れを促進するために貫通穴が設けられています。これらの貫通穴により、熱伝導パッドの確実なはんだ接合が確保され、組み立て時のはんだがパッケージ上を浮遊するのを防ぎます。これは、QFNのコンタクト部のはんだ接合品質に影響を与える可能性があります。.

• 組立工場では、熱伝導パッドにスルーホールがないことを補うため、パッドの上にあるはんだペーストステンシルに窓状の開口部を設けることで、はんだの堆積や気泡の発生を抑えることができます。.

• 配線やビアと、配線／スクライビングの端との間の最小クリアランスを確認してください。.

• BGAパッケージの場合は、ビアの位置を確認してください。.

• 各ビアは、あらかじめ定義された短いトレースによってそのパッドから分離されています。BGAの下にあるビアに対して、マスクギャップが設けられているかどうかを確認してください。.

のビアの品質管理 多層プリント基板

PCBのビアの品質を確保するためには、以下の点を管理する必要があります。

材料の選定	ビアの導電性と機械的強度を確保するため、高品質なプレートおよび銅箔材料が選定されています。.
加工技術	ビアの精度と信頼性を向上させるため、高度なドリル加工および銅メッキ工程が採用されています。.
検出と試験	加工後、ビアは、設計要件および使用上の要件を満たしていることを確認するため、電気的性能試験や機械的強度試験を含む厳格な検査と試験を受けます。.

Geyuan Electronics は、多層プリント基板の専門メーカーです。.

Geyuan Electronicsは現在、6層から32層までの高多層PCBを製造可能です。 自社開発の超高層技術およびインパッドビア技術を活用することで、当社のPCBは最大32層まで対応可能であり、最小穴径0.15mm、最小配線幅およびピッチ0.0762mmを実現し、数百種類の積層構造に対応しています。 特に、当社のインパッドビア技術は、6層以上のすべての高多層PCBにおいて、樹脂プラグ＋電気めっきキャッピングを採用しており、ビアをパッド上に直接配置することができるため、パッド表面がより滑らかになり、配線スペースも広がります。 PCBの品質を確保するため、ビア壁面の銅メッキを検査する際に4線式低抵抗試験を採用しています。従来の試験方法と比較して、4線式低抵抗試験は精度が高く、不良ビアをより的確に検出できるため、製品の信頼性と品質を保証します。 量産やカスタマイズに対応できるプロフェッショナルな多層PCBメーカーをお探しの場合は、ぜひ弊社までお問い合わせください。.

要約する

本記事では、多層PCBのビア設計仕様をまとめただけでなく、多層PCBのビア設計における一般的な誤りやプロセス上の制限についても分析しています。正しいビア設計は、高品質な多層PCBを製造するための前提条件であるだけでなく、PCBの信頼性を確保する上でも極めて重要です。 製造コストを削減し、PCB製造時の問題を未然に防ぐためには、適切なビア設計仕様と製造プロセスを確立する必要があります。適切なビア方式を選択することで、さまざまなレイアウトや設計に柔軟に対応でき、PCBの性能と品質を確保できます。多層PCBの量産をご検討の場合は、, Geyuan Electronicsまでご連絡ください ご支援をお願いします。.