PCBブログ - PCB上のビア

オーバーホールは多層PCB板の重要な構成部分の1つであり、ドリルコストは通常PCB板の生産コストの30%〜40%を占めている。簡単に言うと、PCB上の各穴はビアと呼ぶことができます。

1.機能の観点から見ると、ビアは2つの種類に分けることができます：

1）層間の電気的接続として使用される、

2）装置を固定または位置決めするために使用されます。

技術的には、これらのビアは通常、ブラインドビア、埋め込みビア、貫通ビアの3種類に分類される。

ブラインドホールはプリント基板の上面と下面に位置し、表面回路と下面の内部回路を接続するための深さがあり、穴の深さは通常一定の割合（直径）を超えない。

埋め込み型ビアとは、プリント基板の内層に位置する接続孔であり、基板表面には延びていない。上記の2種類の穴は回路基板の内層に位置し、積層前にスルーホール形成プロセスによって完成した。貫通孔の形成過程において、いくつかの内層を重ねることができる。

第3のタイプはスルーホールと呼ばれ、回路基板全体を貫通し、内部相互接続やアセンブリとしての取り付け位置決め穴に使用できる。スルーホールはプロセスの中でより容易に実現でき、コストが低いため、ほとんどのプリント基板は他の2つのスルーホールの代わりにそれを使用しています。特に規定がない限り、以下に言及する貫通孔はすべて貫通孔とみなされる。設計の観点から見ると、貫通孔は主に2つの部分から構成されており、一部は中間のドリル孔であり、もう一部はドリル孔の周囲のスペーサ領域であり、下図に示すようになっている。この2つの部分の大きさは、穴を通る大きさを決定します。明らかに、高速高密度PCBボードの設計では、設計者は常にビアが小さいほど良いことを望んでおり、これによりボードにより多くの配線空間を残すことができる。また、ビアが小さいほど、それ自体の寄生容量が多くなります。ビアが小さいほど高速回路に適しています。しかし、穴のサイズの減少はコストの増加にもつながり、穴を通過するサイズを無限に減少させることはできない。それはドリル穴やめっきなどの技術に制限されている：穴が小さいほど、ドリル穴が多いほど、所要時間が長くなり、中心からずれやすくなる、穴の深さがドリル直径の6倍を超えると、穴壁が均一に銅めっきされることは保証されない。例えば、一般的な6層PCB板の厚さ（貫通孔の深さ）は約50ミルであるため、PCB板メーカーが提供する孔の直径は8ミルにしかならない。

2.ビアの寄生容量ビア自体はグランドに寄生容量を有する。接地層上のビアの分離孔径がD 2、ビアパッドの径がD 1、PCB板の厚さがTであれば、板基板の誘電率がIslaµであれば、ビアの寄生容量は、C=1.41 IslaµTD 1/（D 2-D 1）ビア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延長し、回路の速度を低下させることであることが知られている。

例えば、厚さ50 MilのPCB板について、内径10 Mil、パッド径20 Milのビアを使用し、パッドと接地銅領域の間の距離が32 Milであれば、上記の式でビアを近似することができます。寄生容量が粗い：

C=1.41x4.4x0.050x0.020/（0.032-0.020）=0.517pF，

この部分の容量による立ち上がり時間の変化は、

T10-90=2.2C（Z0/2）=2.2x0.517x（55/2）=31.28ps。

これらの値から、単一ビアの寄生容量による上昇と遅延の影響は明らかではないが、トレースにビアを複数回使用してレイヤ間を切り替える場合は、設計者は慎重に考慮すべきであることがわかる。

3.ビアの寄生インダクタンスも同様に、ビアの浮遊容量にも寄生インダクタンスがある。高速デジタル回路の設計では、ビアの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低下させる。穴の近似寄生インダクタンスは、L=5.08 h[ln(4 h/d)+1]

ここで、Lはビアのインダクタンスであり、hはビア長さであり、dは中心ドリルの直径である。数式から分かるように、ビアの直径はインダクタンスに与える影響が小さく、ビアの長さはインダクタンスに影響する。上記の例を用いて、ビアのインダクタンスは、L＝5.08 x 0.050［ln（4 x 0.050/0.010）+1］＝1.015 nHと計算することができる。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=λL/T 10-90=3.19となる。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。なお、バイパスコンデンサは、電源層と接地層を接続する際に2つのビアを通過する必要があり、ビアの寄生インダクタンスを倍増させる必要がある。

4、高速PCBボード中のビア設計は以上のビア寄生特性の分析を通じて、高速PCBボードの設計において、簡単に見えるビアは回路設計に多くの不便をもたらすことが多いことが分かる。マイナスの影響。オーバーホール寄生効果による悪影響を減らすために、設計では可能な限り多くのことを行うことができます。

1）コストと信号品質を考慮して、合理的なサイズのビアを選択する。例えば、6-10層メモリモジュールPCBボードの設計には、10/20 Mil（ドリル/パッド）ビアを使用することが好ましい。高密度の小型プレートの中には、8/18 Milを使用してみることもできます。穴をあける。現在の技術的条件では、より小さなビアを使用することは難しい。電源または接地ビアの場合は、インピーダンスを低減するためにより大きなサイズを使用することを考慮します。

2）上で議論した2つの公式から、より薄いPCBボードを使用することは、ビアの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上の信号トレースのレイヤをできるだけ変更しない、つまり、不要なビアを使用しないようにする。

4）電源とアースのピンはできるだけドリル穴に近づけるようにしてください。ビアとピンの間のリード線は、インダクタンスを高めるので、短い方が良いです。同時に、電源と接地のリード線はできるだけ厚くして、インピーダンスを下げるべきです。

5）信号変更層のビア近傍に接地ビアを配置し、信号に短いリターン経路を提供する。PCBに冗長接地ビアを大量に置くこともできます。もちろん、設計にも柔軟性が必要です。各層にパッドがある場合は、前述のオーバーホールモデルでは、一部の層のパッドを減らすことも除去することもできます。特に、ビア密度が非常に高い場合、これにより銅層上に遮断器が形成される可能性がある。この問題を解決するために、スルーホールの位置を移動することに加えて、スルーホールを銅層上に置くことも考えられます。PCB基板上のパッドサイズが小さくなります。