PCBブログ - PCB板ビアの寄生容量と寄生インダクタンス

1.通過

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。機能的には、ビアは2つの種類に分けることができます：1つの種類は層と層の間の電気的接続に使用されます、もう1つは、装置の固定または位置決めに使用されます。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、ビアは主に2つの部分から構成されており、一部は中間穴であり、もう一部は穴の周囲のパッド領域であり、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期限に減少させることはできない。ドリル穴やメッキなどの技術によって制限されています：穴が小さいほど、ドリル穴にかかる時間が長くなり、中心位置からずれやすくなります。また、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できる保証はない。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非常に小さく、8ミルにしか達しない。

2.ビア寄生容量

正孔自体は地面に寄生容量を持っている。接地層上のビアのアイソレーション孔径がD 2、ビアパッド径がD 1、PCB板の厚さがT、基板の誘電率がIslaµであることが知られていれば、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役割は、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ある。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。寄生容量は大体：C＝1.41 x 4.4 x 0.050 x 0.020/（0.032-0.020）=0.517 pFであり、この部分の容量による上昇時間の変化は：T 10-90=2.2 C（Z 0/2）=2.2 x 0.517 x（55/2）=31.28 psである。これらの値から、単一ビアの寄生容量による緩やかな上昇の効果は明らかではないが、トレース内のレイヤ間の切り替えにビアが複数回使用されている場合は、設計者はよく考慮しなければならないことがわかる。

3.ビア寄生インダクタンス

同様に、寄生インダクタンスは、ビアの寄生容量とともに存在する。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。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与える影響が大きい。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。特に注意が必要なのは、電源層と接地層を接続する際に、バイパスコンデンサは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ことです。

4.高速PCBボード上のビア設計

以上の過孔寄生特性の分析により、高速PCBボードの設計において、簡単に見える過孔は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。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基板設計には、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、信号に閉じた戻り経路を提供する。PCBボード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。前述したオーバーホールモデルは、各層にパッドがある場合であり、場合によっては、一部の層のパッドを削減したり除去したりすることができます。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、貫通孔の位置を移動することに加えて、PCB板貫通孔を銅層上に配置することも考えられる。パッドのサイズが小さくなります。