PCBビアの設計ルール

現代の電子回路設計においては、, PCB（プリント基板）の設計 これは、製品開発プロセス全体において極めて重要な要素です。特にビアの設計は、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。 高度なPCBには、デバイス間のピン間で信号を伝送し、電力を供給するために、数千もの配線、パッド、ビアが含まれている場合があります。PCB設計者の責任は、これらのコンポーネントを整理・設計し、正しく接続するとともに、他の信号ネットワークや電源ネットワークとの干渉を回避することです。これには、PCB設計において配線を配線し、ビアを使用して層間の隙間を橋渡しすることが必要となります。.

ビアの使用は単純な作業のように思えるかもしれませんが、実際の設計では、さまざまな種類のビアが使用されることがあります。 ビアの種類ごとに使用ルールが異なる場合があり、PCB設計者としては、ビアを整理整頓し、CADシステム内で各種類のビアに適切なルールを適用することが求められます。以下では、ユーザーがPCBビア設計の要点とルールを十分に理解し、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のビアとは何ですか？

PCB上のビアとは、異なる層間で電気信号や電力信号を通すための穴のことです。複雑な多層PCBの設計では、ビアは通常、複数の層を貫通して各層間の接続を形成しますが、単層PCBの設計では、回路配線を円滑に行うためにビアが使用されます。.

PCB via types

スルーホール	スルーホールは最も一般的で、製造も容易です。しかし、最小サイズに制限があり、高密度設計では多くのスペースを占有してしまいます。.
盲穴と埋込穴	ブラインドビアと埋込ビアは、外層から始まり基板の積層を部分的にのみ貫通するもの（ブラインドビア）と、内層間のみを貫通するもの（埋込ビア）があります。 これらのビアは、標準的なビアに比べて製造工程がより多く必要となります。しかし、信号整合性の要件や、その上および／または下に追加の配線経路を作成できるという利点から、これらのビアは長さが短く、設計上より好ましいとされています。.
マイクロビア	マイクロビア（レーザー穿孔ビアとも呼ばれる）は、2層のみを貫通するものであり、高密度・小ピッチ・多ピンの部品にとって理想的な配線手法である。.

PCB ビア

電気信号の接続を行う	ビアを用いて複数の層を貫通させることで、異なる電気信号を相互接続し、完全な回路を形成することができます。これは、高周波・高速信号の伝送において特に重要です。.
PCBの設置場所と配置を決定する	ビアにより、PCBを機器に固定することができ、デバイス内でのPCBの正確な位置決めが可能になります。また、パッケージング工程において、ビアはICやその他の部品の正確な位置決めを容易にします。これにより、生産プロセスの迅速化と生産効率の向上にも寄与します。.
放熱機能	高出力デバイスには、放熱のためのビアが必要です。ビアを通じて、熱をPCBの底面に取り付けられたヒートシンクへ伝達することで、部品の温度を下げ、デバイスの信頼性と性能を向上させることができます。.

PCB ルール経由で

サイズ設定を通じて	ビアの寸法は、基板の設計厚さ、層数、および接続する電気信号に基づいて決定する必要があります。一般的に、製造上の最低要件として、ビアの直径は8ミル、幅は0.15mmと定められています。ビアの設計においては、必要なすべての接続に対応できるよう、十分なスペースを確保するとともに、層内ビアの数を適切に設定する必要があります。.
位置設定による	ビアは、他の重要な部品、特に高感度なセンサーから離して配置する必要があります。最適な結果を得るためには、ビアをパッドの中心、設計上アクセスしやすい位置に配置する必要があります。.
「Via」の次元確認	レイアウト設計においては、ビアはあらかじめ設定された寸法に合わせる必要があります。これにより、製造コストの削減と生産効率の向上が図れます。その他の外形寸法については、ビアのアスペクト比が適切であることに留意するとともに、実際の切断時には、生産ラインの歩留まりを確保するため、ビア間の間隔を慎重に検討する必要があります。.

従来型のスルーホールの適用箇所と方法 プリント基板の設計

現在の プリント基板の製造 規格上、標準的なメッキスルーホールは、PCB設計の基本的な要素となっています。スルーホールは、任意のサイズの回路基板に穿孔することができ、これにより、配線や銅箔を回路基板の任意の層にあるビアに接続することが可能になります。スルーホールには、以下のようなさまざまな用途があります：

従来の配線	スルーホールは、信号トレースをある回路基板の層から別の層へと接続するための標準的な手法です。.
エスケープ配線	表面実装部品の場合、多層回路基板の内層で配線を行うには、通常、ピンをビアに直接接続する必要があります。これらのエスケープビアやファンアウトビアは、通常、他の配線が敷設される前に配線されます。エスケープビアの配置パターンは、その下にある回路基板の内層に、できるだけ多くの配線経路が残るように定義する必要があります。.
電源ケーブル	ビアは、デバイスを電源プレーンやグランドプレーン、あるいは配線に接続するためにも使用されます。ほとんどの電源用ビアは、より大きな電流が流れることを考慮して、通常の配線用ビアよりも大きめに設計されています。.

回路基板設計におけるPCBスルーホールの特殊な用途

スルーホールは、回路基板上の特別な用途や状況においても使用され、その例としては以下のものが挙げられます：

放熱孔	高温環境で動作する部品の場合、基板のグランドプレーンを通じて効果的に放熱できるように、ビアは通常、中央にある大きなグランドパッドに埋め込まれています。これらのビアは、熱の蓄積によって基板上の他の部品に不具合が生じるのを防ぐ上で極めて重要です。.
縫合孔	これらのビアは、回路基板の異なる層にある複数の電源トレースによって流される大電流回路に対して、複数の接続を提供します。また、シームビアは、これらの回路からの熱を放散し、接続部のインダクタンスを低減するのにも役立ちます。.
シールド穴	感度の高い回路の周囲に複数のグランドビアを配置することで、ファラデーケージ効果が得られます。この配線方法により、EMIによる問題が生じた場合の回路への影響を抑制することができます。.
伝送用穴の接地	高速設計では、信号の配線が層間を移動する際、複数のグランドプレーン層間の信号リターンパスを確保するために、グランド伝送ビアが使用されます。.
伝送用穴の接地	高速設計では、信号の配線が層間を移動する際、複数のグランドプレーン層間の信号リターンパスを確保するために、グランド伝送ビアが使用されます。.
プレートの穴	ビアは、ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージなどの高密度表面実装部品のパッド内に配置することができます。これにより、間隔の問題を解決できますが、標準的なスルーホールで機械式ドリルを使用しているメーカーにとって、パッド内ビアの形成は困難な場合があります。マイクロビアは、より優れた解決策となります。.

PCBのスルーホール設計ルールおよび製造時の注意事項。.

スルーホールには、回路基板の各層にパッドが必要です。このパッドは、穴あけ加工ができる十分な大きさであると同時に、スペースを過度に占有しないよう、適度な大きさでなければなりません。 また、回路基板の平面層には、ドリルの直径に適したサイズの標準的なアンチパッドを設ける必要があります。回路基板の外層にあるスルーホールを囲む金属リングは「アニュラス」と呼ばれ、このアニュラスは回路基板の信頼性クラスを決定する主な要因の一つです。 クラス1の回路基板では、ドリル加工によってアニュラスが損傷しても許容されますが、クラス2では、ドリルがアニュラスに接線方向で入る必要があります。クラス3の回路基板は最も高い信頼性クラスに属し、ドリル周囲のどの点においても、アニュラスの厚さは5ミル以上でなければなりません。.

スルーホールに関するもう1つの重要な設計ルールは、ドリル穴のアスペクト比と基板の厚さを基にビアのサイズを選択することです。 機械式ドリルには穴あけ深度に制限があり、その深度の限界はアスペクト比によって決まります。通常、基板メーカーはアスペクト比を10:1以下に抑えることを求めており、これは厚さ62ミル（mil）の基板において、確実に穴あけ可能な最小ビアサイズが6ミルであることを意味します。.

12層のプリント基板の上位2層で、スルーホールを用いて高速信号を接続する場合、未使用のビアの多くがアンテナとして機能し、シグナルインテグリティの問題を引き起こす可能性があります。この問題に対処するため、多くのメーカーは未使用のビア部分にバックドリル加工を施しています。 バックドリル加工を行うには、どのビアを除去すべきかを指定した設計者からの具体的な指示とデータが必要となります。しかし、バックドリル加工は製造コストを増加させるため、通常はマイクロビア、ブラインドビア、または埋込ビアを使用して回路基板の性能を向上させる方が望ましい選択肢となります。.

最後に、必要に応じて、スルーホールを覆ったり充填したりすることも可能ですが、バックドリルと同様に、この作業を行うには、PCB設計者が製造業者に対して具体的な指示を与える必要があります：

スルーホール用カバーオイル	ビアをソルダーマスクで覆っても、実際にはスルーホールが埋まるわけではありませんが、はんだ付け時の加熱中にハウジング内に気泡が発生してガス漏れを引き起こすのを防ぐため、注意が必要です。通常、ビアキャップのソルダーマスクの中央には、熱気が逃げるように小さな穴が開けられています。 ビアキャップは、はんだが穴を通って流れ出るのを防ぎつつ、ビアを表面実装パッドパターンに近づける役割を果たします。.
導電性ペーストによる充填	スルーホールは、金、銀、銅などの金属材料をエポキシ樹脂で結合させて充填されます。このビア充填方法は、ビアの電流容量や放熱性能の向上に役立ちますが、コストが高くなります。.
非導電性スラリープラグ	このビアプラグ法は、表面処理を必要とせずにビアを保護しますが、放熱性や電流容量の向上にはつながりません。この方法では、通常、ソルダーマスクやその他の類似の材料が使用されます。.

ブラインドビアおよび埋込ビアのPCBビア設計ルール

プリント基板上の配線スペースをより多く確保するため、メーカーはビアが貫通できる基板の層数を制限する方法を考案しました。これらのビアは「ブラインドビア」または「埋込ビア」と呼ばれますが、設計者は、これらが標準的なスルーホールよりも製造コストが高いことに留意する必要があります。.

ブラインド穴とは何ですか？また、その設計上のルールにはどのようなものがありますか？

ブラインドビアは、回路基板の最外層から始まり、基板スタックの一部のみを貫通します。ブラインドビアは機械加工によって穿孔されるため、そのドリル径の制限はスルーホールと同じです。しかし、基板スタック内において、ブラインドビアは、その上下に追加の配線経路を確保することができます。 この点において、ブラインドビアはバックドリル方式のスルーホールに比べて大きな利点があります。スルーホールは管状の形状をしているため、その上下に配線を行うことができないからです。さらに、ブラインドビアは順次製造されます。つまり、層のペアごとにドリル加工とメッキ処理を行った後、それらを接合します。 ブラインドビアは製造工程で追加のステップを必要とするため、コスト効率は良くありませんが、シグナルインテグリティや電気的性能の観点からその使用が必要となる場合があります。PCB設計者はブラインドビアを慎重に使用し、必要な場合にのみ、かつPCBメーカーと製造の詳細を確認した上で使用すべきです。.

とは 埋設されたボーリング孔 その設計ルールは？

埋込みビアは、ブラインドビアと同様に機械的に穴あけされますが、その始点と終点は基板の表面ではなく、内部層にあります。埋込みビアは配線が密集したPCBにおいて非常に有用であり、その上下に配線経路を配置することが可能になります。 しかし、ブラインドビアと同様に、埋込みビアもコストが高く、回路基板の層数を大幅に削減できる場合を除き、費用対効果は高くありません。機械加工によるブラインドビアや埋込みビアに加え、レーザーを用いて加工されるマイクロビアの方が優れた選択肢となります。.

設計ルール PCB内 デザイン経由

マイクロビアとは、直径が6ミル未満の穴のことで、通常はレーザーを用いて開けられます。 その極小サイズのため、マイクロビアは通常1層のみを貫通しますが、プリント基板の外部層および内部層の双方に使用可能です。サイズが小さいため、スルーホールが採用できない多くの状況に適していますが、製造コストは大幅に高くなります。マイクロビアに関連するその他のPCBビア設計ルールには、以下のものがあります：

アスペクト比	微細孔はサイズが小さいため、その内部での電気めっきは困難です。最適な方法は、その直径を深さよりも大きくすることです。.
パッドのサイズ	マイクロビアの直径が小さいため、PCB設計者は12ミルという小さなパッドサイズを使用することができ、その結果、より多くの配線経路を確保することができます。.
排水口	マイクロビアは通常、他の金属部品と面一になるよう、充填処理と電気めっきが施されます。この充填処理により、マイクロビアはスルーホール用途に最適となります。.

マイクロビアはPCBのレイアウトで広く使用されており、高密度設計における重要な要素です。高密度BGAの小さなパッド内にマイクロビアを配置しなければ、ピン数の多いプロセッサやメモリデバイスの配線は不可能となります。 また、マイクロビアは他の種類のビアと組み合わせて使用することも可能です。マイクロビアは、互いに積み重ねるだけでなく、埋込みビアやブラインドビアと組み合わせることもできます。.

PCBビアの使い方 デザイン ?

設計段階における考慮事項	PCBを設計する際、エンジニアは回路の要件や基板の層構成に基づいて、ビアの位置、サイズ、および数を決定する必要があります。これには、設計の妥当性と信頼性を確保するために、エンジニアに豊富な経験と専門知識が求められます。.
適切なビアの種類を選択してください	具体的な用途や要件に応じて、適切なビアの種類を選択してください。例えば、表面層と内層の配線を接続するにはブラインドビアを、PCB内部に完全に隠す必要がある接続には埋込みビアを、PCB全体を貫通させる必要がある接続にはスルーホールビアを選択します。.
パラメータによる最適化	電気的性能と機械的強度を向上させるためには、ビア径、開口率、銅箔の厚さなどのパラメータを最適化する必要があります。これらのパラメータを適切に選択することで、寄生容量や寄生インダクタンスによる悪影響を効果的に低減し、その結果、信号伝送品質を向上させることができます。.
加工・製造時の注意事項	PCBの製造工程では、ビアの穴あけ精度、穴壁面の粗さ、銅メッキの品質といった主要な指標を厳密に管理する必要があります。これらの指標の品質は、ビアの性能やPCB全体の品質に直接影響を及ぼします。.

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要約する

要約すると、PCB上のビアは回路設計や配線において極めて重要な要素です。ビアは、異なる信号を直列に接続するだけでなく、基板の配置や放熱、その他の機能を促進する役割も果たします。ビアの配置には、特定の仕様や要件が定められています。 したがって、効果的なビア配置は、熱効率の向上、生産効率の向上、および製造品質全体の向上につながり、エレクトロニクス製造業界の発展に大きく寄与します。カスタムPCB製品の大規模生産をご検討の場合は、, お問い合わせください ご支援をお願いします。.