『PCB設計における設計手法』より

In PCB設計, 、ビアの設計は極めて重要な要素です。ビアは、穴、その周囲のパッド領域、およびPOWER層の絶縁領域で構成されており、一般にブラインドビア、埋込ビア、スルーホールビアの3種類に分類されます。のエンジニアリングチームは Geyuan Electronics, PCB設計プロセスにおけるビアの寄生容量および寄生インダクタンスの分析を通じて、PCBビア設計における重要な考慮事項と関連する設計手法をまとめた。 現在、PCB設計は通信、コンピュータ、グラフィックス処理などの分野で広く活用されています。ハイテクで高付加価値の電子製品の設計においては、低消費電力、低電磁放射、高信頼性、小型化、軽量化が求められています。これらの目標を達成するために、ビア設計はPCB設計において極めて重要な要素となります。.

PCBビアの基本構成要素と技術仕様

ビアは、多層PCB設計において極めて重要な要素です。ビアは主に、穴自体、その周囲のパッド領域、および電源層の絶縁領域の3つの部分で構成されています。ビアの製造プロセスでは、ビアの壁面の円筒面に金属層を化学的に堆積させ、中間層の銅箔を接続します。 ビアの上面と下面は通常のパッドと同様の形状をしており、上面および下面の配線に直接接続することも、接続しないままにすることも可能です。ビアは、電気的な接続を提供するとともに、部品を固定または位置決めする役割を果たします。.

ビアの分類

ビアは、一般的に「ブラインドホール」、「埋込ホール」、「スルーホール」の3つのカテゴリーに分類されます。.

盲孔	ブラインドビアは、プリント基板の上面および下面に配置され、一定の深さを持っており、表面の回路と下層の内部回路を接続するために使用されます。通常、ビアの深さと直径の比率は、一定の範囲を超えないように設計されています。.
埋められた穴	埋込みビアとは、プリント基板の内層に位置し、基板の表面まで貫通していない接続穴のことです。.
スルーホール	スルーホールとは、回路基板全体を貫通する穴のことで、基板内部の配線や、部品の取り付け穴として利用されます。スルーホールは製造が容易でコストも安いため、プリント基板で広く使用されています。.

PCBビアの設計解析

ブラインドビアと埋込みビアは、いずれも回路基板の内層に配置されます。これらは積層前のスルーホール成形プロセスによって形成され、ビア形成プロセス中には複数の内層が重なる場合があります。 スルーホールは実装が容易でコストも低いため、他の2種類のビアに代わって、プリント基板の大部分で使用されています。特に指定がない限り、以下で言及するビアはスルーホールとみなされます。.

PCB設計の観点から、ビアは主に2つの部分で構成されています。すなわち、中央にあるドリル穴と、そのドリル穴を取り囲むパッド領域です。 これら2つの部分のサイズによって、ビアのサイズが決まります。当然のことながら、高速・高密度のPCB設計においては、設計者は常にビアをできるだけ小さくすることを好みます。そうすることで、基板上の配線スペースをより多く確保できるからです。さらに、ビアが小さければ小さいほど寄生容量が低くなるため、高速回路に適しています。 しかし、ビアのサイズを小さくするとコストも上昇し、サイズを無限に小さくすることはできません。これは、ドリル加工やメッキ工程によって制限されるためです。穴が小さければ小さいほど、ドリル加工に時間がかかり、中心位置のずれが生じやすくなります。また、穴の深さがドリル径の6倍を超えると、穴の壁面への均一な銅メッキが保証できなくなります。 例えば、一般的な6層PCBの厚さ（スルーホール深さ）は約50ミルであるため、PCBメーカーが提供できる最小ドリル径は8ミルにとどまります。.

ビアの寄生容量

ビア自体には、グランドに対する寄生容量があります。グランドプレーン上のビアの直径を D2、ビアパッドの直径を D1、PCB基板の厚さを T、 基板の誘電率がεである場合、ビアの寄生容量はおおよそ次のように表されます：C = 1.41εTD1/(D2-D1)。ビアの寄生容量が回路に及ぼす主な影響は、信号の立ち上がり時間を延長し、回路速度を低下させることです。 例えば、厚さ50ミル（mil）のPCB基板において、内径10ミル、パッド径20ミルのビアを使用し、パッドとグランド銅領域との距離が32ミルである場合、上記の式を用いてビアの寄生容量を次のように近似できます： C = 1.41 × 4.4 × 0.050 × 0.020 / (0.032 – 0.020) = 0.517 pF。 この静電容量によって生じる立ち上がり時間の変化は、次のようになります：T10 – 90 = 2.2C(Z0/2) = 2.2 × 0.517 × (55/2) = 31.28 ps。 これらの値から、単一のビアの寄生容量による立ち上がり時間の短縮効果はそれほど大きくないものの、配線において層を複数回切り替えるためのビアの使用については、設計者は依然として慎重に検討すべきであることがわかります。.

寄生容量の計算方法は？

ビア自体には、グランドに対する寄生容量があります。 グランドプレーン上のビアの絶縁穴の直径を D2、ビアパッドの直径を D1、PCB基板の厚さを T、基板の誘電率を ε とすると、ビアの寄生容量の大きさは概ね次のように表されます：

C = K × ε0 × 3.14 × TD1 / (D2 – D1)

ここで、ε0は真空の誘電率、KはPCBの相対誘電率（真空の誘電率ε0に対する）である。.

ビアの寄生インダクタンス

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は、ビアの寄生インダクタンスによる悪影響が、寄生容量による悪影響を上回る場合がよくあります。その寄生直列インダクタンスは、バイパスコンデンサの効果を弱め、電源システム全体のフィルタリング効果を低下させます。 以下の式を用いて、ビアの寄生インダクタンスをおおまかに計算することができます：L = 5.08h[ln(4h/d) + 1]。ここで、Lはビアのインダクタンス、hはビアの長さ、dは中心のドリル穴の直径です。 この式から、ビアの直径はインダクタンスに与える影響が比較的小さいのに対し、ビアの長さが最も大きな影響を与えることがわかります。 上記の例を用いて、ビアのインダクタンスは次のように計算できます：L = 5.08 × 0.050[ln(4 × 0.050/0.010) + 1] = 1.015nH。 信号の立ち上がり時間が 1ns の場合、その等価インピーダンスは XL = πL/T10 – 90 = 3.19Ω となります。高周波電流が流れる場合、このようなインピーダンスは無視できません。 バイパスコンデンサが電源プレーンとグランドプレーンに接続される場合、2つのビアを通過する必要があるため、ビアの寄生インダクタンスが倍増することになるという事実には、特に注意を払う必要があります。.

寄生インダクタンスの計算方法は？

同様に、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、ビアの寄生インダクタンスによる悪影響は、寄生容量の影響を上回る場合がしばしばあります。その寄生直列インダクタンスは、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性能を低下させます。.

以下の式を用いれば、ビアの寄生インダクタンスを簡単に計算することができます：

L = 5.08h[ln(4h/d) + 1]

L はビアのインダクタンスを表す。.

h はビアの長さです。.

d は中心のボーリング孔の直径である。.

この式からわかるように、ビアの直径はインダクタンスに与える影響は比較的小さいのに対し、ビアの長さはインダクタンスに最も大きな影響を与えます。ビアの寄生容量は、主に信号の立ち上がり時間を長くし、回路の速度を低下させることで、回路に影響を及ぼします。.

PCBビアの設計 技法

上記のビアの寄生特性に関する分析から、PCB設計において、一見単純に見えるビアであっても、回路設計に重大な悪影響を及ぼすことがよくあることがわかります。ビアの寄生効果による悪影響を軽減するためには、設計プロセスにおいて以下の点を考慮する必要があります。

(1) 適切なビアサイズを選択してください。一般的な密度の多層PCB設計では、0.25mm/0.51mm/0.91mm（ドリル穴/パッド/電源アイソレーション領域）のビアが推奨されます。 一部の高密度PCBでは、0.20mm/0.46mm/0.86mmのビアを使用することも可能です。また、非スルーホールビアを試すこともできます。電源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してもよいでしょう；;

(2) POWERの絶縁領域は、広いほど良い。PCB上のビア密度を考慮すると、一般に D1=D2+0.41mm となる。.

(3) PCB上の信号トレースは、可能な限り層を変更しないようにすべきであり、つまり、ビアの数を最小限に抑えるべきである；;

(4) 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；;

(5) 電源ピンとグランドピンは、ビアを介して可能な限り近接して接続し、ビアとピン間の配線は、インダクタンスを増加させるため、可能な限り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、電源およびグランドの配線は可能な限り太くする必要があります。;

(6) 信号層の切り替え用ビアの近くに、いくつかの接地ビアを配置し、信号の短距離ループを確保します。もちろん、具体的な問題については、設計プロセスにおいてケースバイケースで分析する必要があります。 コストと信号品質の両方を考慮すると、設計者は高速PCB設計において、基板上に配線スペースをより多く確保できるよう、ビアを可能な限り小さくすることを常に望んでいます。さらに、ビアが小さければ小さいほど、その寄生容量も小さくなり、高速回路に適しています。 高密度PCB設計において、ノンスルーホールビアの使用やビアサイズの縮小は、コストの増加をもたらしています。さらに、ビアのサイズは無限に小さくすることはできません。それは、ドリル加工やメッキ工程によって制限されるためです。 プリント基板メーカー. 高速PCBのビア設計においては、バランスを適切に考慮すべきである。.

標準PCBにおける選択による

一般的なPCB設計において、ビアの寄生容量や寄生インダクタンスがPCB設計に与える影響は比較的小さいものです。1～4層のPCB設計では、通常、0.36mm/0.61mm/1.02mmのビア（ドリル穴／パッド／電源アイソレーション領域）が推奨されます。 特別な要件がある一部の信号線（電源線、グランド線、クロック線など）については、0.41mm/0.81mm/1.32mmのビアを使用するか、実際の状況に応じて他のサイズのビアを選択することも可能です。.

非スルーホール技術 PCBビアの設計において

非スルーホールビアには、ブラインドビアとベリードビアがあります。非スルーホールビア技術におけるブラインドビアおよびベリードビアの採用により、PCBのサイズと重量を大幅に削減し、層数を減らし、電磁両立性を向上させ、電子製品の機能を強化し、コストを削減できるほか、設計プロセスをより簡素かつ迅速に行うことが可能になります。.

従来のPCBの設計および製造において、ビアは多くの問題を引き起こします。第一に、ビアは利用可能なスペースの相当な部分を占めてしまいます。第二に、多数のビアが密集していると、多層PCB内での配線に大きな障害となります。 これらのビアは配線に必要なスペースを消費するだけでなく、電源層やグランド層の表面を高密度に貫通することで、それらのインピーダンス特性を乱し、故障の原因となる可能性があります。さらに、従来の機械的ドリル加工は、ノン・スルー・ビア技術を使用する場合に比べて、20倍の労力を要します。.

PCB設計において、パッドやビアのサイズは徐々に小型化が進んでいるものの、基板の層厚がそれに比例して薄くならない場合、スルーホールのアスペクト比が高くなり、信頼性が低下します。 高度なレーザー穴あけおよびプラズマドライエッチング技術の成熟に伴い、小型の非貫通型ブラインドビアや小型の埋込ビアの採用が可能になりました。 これらの非貫通ビアの直径が 0.3mm の場合、結果として生じる寄生パラメータは従来のビアの約 1/10 となり、PCB の信頼性が向上します。非貫通技術が採用されているため、基板上の大きなビアの数は少なくなり、 PCB, これにより、トレースのためのスペースがより多く確保される。.

残りのスペースは、EMI/RFI性能を向上させるための大面積シールドとして活用できます。同時に、残りのスペースをさらに活用して、内層の部品や重要なネットを部分的にシールドすることで、最適な電気的性能を確保することができます。 ノンスルービアを使用することで、部品リードのファンアウトが容易になり、高密度ピンデバイス（BGAパッケージのデバイスなど）の配線が容易になり、相互接続長を短縮し、高速回路のタイミング要件を満たすことが可能になります。.

PCBのビアと部品の穴にはどのような違いがありますか？

PCB設計において、ビアと部品穴には違いがあり、これらを混同して使用してはなりません。.

ビアは一般的に、両側間の導通を容易にする役割を果たしており、従来の加工方法としては、オイルコーティングを施す方法がある。.

部品用穴は、通常、挿入はんだ付けの際に使用する挿入穴として設計されます。.

ビアと部品穴が混同されて使用されている場合、ビアカバーインクを選択すると、スルーホールがインクで覆われたり塞がれたりし、サイズを効果的に制御できなくなってしまいます。 また、部品穴が誤ってビアとして扱われるケースもあります。この場合、ソフトウェアが自動的にビアウィンドウを閉じる際、ビアを正しく識別できず、カバーインクが必要なビアが覆われないという結果になります。.

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要約する

本記事では、Geyuan ElectronicsのエンジニアリングチームがまとめたPCBビアの設計手法をまとめただけでなく、ビアに関する基礎知識や、現在の最先端PCBビア技術についても解説しています。 これらのルールや設計手法に従うことで、シグナルインテグリティ、熱管理効率、および初回歩留まりを大幅に向上させることができます。設計プロセスの後半段階でDRC（設計ルールチェック）を実行し、PCBメーカーのプロセス仕様に基づいて最適化を行うことが不可欠です。現在、PCB製品の量産を行う専門のPCBメーカーをお探しの場合は、ぜひ お問い合わせ ご支援をお願いします。.