PCBニュース - ビア寄生容量とインダクタンス

スルーホール自体には寄生浮遊容量がある。ビア接地層上のソルダーレジスト膜の直径がD 2であり、ビアパッドの直径がD 1であり、PCB板の厚さがTであり、板基板の誘電率がµµであることが知られていれば、ビアの寄生容量はほぼ以下の通りである：

C=1.41μTD1/（D2-D1）

スルーホールの寄生容量が回路に与える主な影響は、信号の立ち上がり時間を長くし、回路の速度を下げることである。例えば、厚さ50 MilのPCBについて、スルーホールパッドの直径が20 Mil（穴の直径が10 Mils）、はんだマスクの直径が40 Milであれば、上記の式によりスルーホール寄生容量をほぼ：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.040-0.020）=0.31pF

この部分の容量による立ち上がり時間変化量は、ほぼ：

T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.31x（50/2）=17.05ps

これらの値から、単一ビアの寄生容量による立ち上がり遅延の影響は明らかではないが、ビアが層間を切り替えるためにトレースに複数回使用される場合、複数のビアが使用されることがわかる。、設計はよく考えなければならない。実際の設計では、スルーホールと銅領域（パッド防止）との間の距離を大きくしたり、パッドの直径を小さくしたりすることで寄生容量を小さくすることができます。

寄生容量と寄生インダクタンスはいずれもスルーホールに存在する。高速デジタル回路の設計では、スルーホール寄生インダクタンスによる危害は寄生容量の影響よりも大きいことが多い。その寄生直列インダクタンスはバイパスコンデンサの寄与を弱め、電力系統全体のフィルタリング効果を弱める。貫通孔の寄生インダクタンスを簡単に計算するには、次の経験式を使用します。

L=5.08h[ln（4h/d）+1]

ここで、Lは貫通孔のインダクタンスを指し、hは貫通孔の長さ、dは中心孔の直径である。数式から、スルーホールの直径がインダクタンスに与える影響は小さいが、スルーホールの長さがインダクタンスに与える影響は最も大きいことがわかる。上記の例を使用すると、スルーホールのインダクタンスは、

L=5.08x0.050[ln（4x0.050/0.010）+1]=1.015nH

信号の立ち上がり時間が1 nsであれば、等価インピーダンスはXL=πL/T 10-90=3.19μである。高周波電流が通過すると、このインピーダンスを無視することはできません。特に注意すべきなのは、電源平面と接地平面を接続する際に、バイパスコンデンサは2つのスルーホールを通過する必要があり、これによりスルーホールの寄生インダクタンスは指数関数的に増加します。

穴の使用方法

以上の過孔寄生特性の分析により、高速PCB設計において、簡単に見える過孔はPCB回路設計に大きなマイナス影響を与えることが多いことが明らかになった。貫通孔寄生効果による悪影響を低減するために、設計では以下の作業を行うことができる：

1.コストと信号品質を総合的に考慮し、合理的なビアサイズを選択する。必要に応じて、異なる寸法の貫通孔を使用することを考慮することができます。例えば、電源または接地ビアについては、インピーダンスを低減するために大きなサイズを使用することが考えられ、信号トレースについては、小さなビアを使用することができる。もちろん、貫通孔のサイズが小さくなるにつれて、その分のコストも増加します。

2.上記2つの公式は、より薄いPCBを使用することが貫通孔の2つの寄生パラメータを減らすのに有利であると結論することができる。

3.PCBボード上の信号の引き廻しの階数をできるだけ変更しない、すなわち不要なビアをできるだけ使用しない。

4.電源とアースのピンは近くに穴をあけるべきで、穴とピンの間のリードはできるだけ短くしなければならない。等価インダクタンスを低減するために、複数の貫通孔を並列にドリルすることを考慮する。

5.信号変換層の貫通孔の近くに接地貫通孔を配置し、信号に最も近い戻り経路を提供する。PCBに冗長な接地貫通孔を置くこともできます。

6.高密度高速PCBボードには、マイクロ貫通孔を使用することが考えられる。