PCB技術 - PCBスルーホールによる信号伝送への影響

貫通孔は多層PCB板の重要な構成部分の一つであり、掘削コストは通常PCB板の製造コストの30%〜40%を占める。簡単に言えば、PCB上の各孔はスルーホールと呼ぶことができる。

PCBスルーホールによる信号伝送への影響

貫通孔（VIA）は多層PCBの重要な構成部分であり、掘削コストは通常PCB板の製造コストの30%〜40%を占める。簡単に言えば、PCB上の各孔はスルーホールと呼ぶことができる。機能的には、穴は2つの種類に分けることができます。1つは層間の電気的接続に使用されます。もう1つは、デバイスの固定または位置決めに使用されます。技術的には、これらの貫通孔は一般的に3つの種類に分類されています。すなわち、ブラインド孔、埋め込み孔、貫通孔です。ブラインドホールはPRINTED回路基板の上面と下面に位置し、表面回路を下の内部回路に接続するための深さを持っている。孔の深さは通常一定の割合（孔径）を超えない。埋め込み穴はプリント基板の内層の接続穴であり、プリント基板の表面には延びていない。これら2種類の穴は、積層前にスルーホール成形プロセスによって完成した回路基板の内層に位置し、スルーホールの形成過程で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の取り付けや位置決め穴として使用できる。スルーホールはプロセスにおいて実現しやすく、コストが低いため、ほとんどのプリント基板では他の2種類のスルーホールではなく、それを使用しています。以下の貫通孔は貫通孔とみなすべきであり、特に説明する必要はない。

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、他の部分はドリル孔の周囲のスペーサ領域である。この2つの部分の大きさによって、貫通孔の大きさが決まります。明らかに、高速、高密度PCBを設計する際、設計者は常に穴ができるだけ小さいことを望んでおり、このサンプルはより多くの配線空間を残すことができ、また、穴が小さいほど、それ自体の寄生容量が小さくなり、高速回路に適している。しかし、穴のサイズの減少は同時にコストの増加をもたらし、しかも穴のサイズも無制限に減少することはできず、それはドリル（ドリル）とめっき（めっき）などの技術の制限を受けている：穴が小さいほど、ドリルの時間が長くなり、中心からずれやすくなる、穴の深さが穴の直径の6倍より大きい場合、穴壁の均一な銅めっきを保証することはできない。例えば、通常の6層PCB板の厚さ（貫通孔深さ）が50 Milである場合、PCB製造業者は通常の条件下で8 Milの孔径を提供することができる。レーザー穴あけ技術の発展に伴い、穴あけのサイズも小さくなることができる。通常、穴の直径は6 Mils以下で、私たちは微孔と呼ばれています。HDI（高密度相互接続構造）設計では微細孔がよく用いられる。微小孔技術により、孔が直接パッド（パッド中のVIA）に当たることができ、これにより回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約される。

伝送路上のスルーホールはインピーダンスが不連続なブレークポイントであり、信号の反射を引き起こす。通常、貫通孔の等価インピーダンスは伝送路の等価インピーダンスより約12%低い。例えば、50オームの伝送路が貫通孔を通過すると、そのインピーダンスは6オーム減少する（具体的には貫通孔のサイズと板厚に関係し、減少するのではない）。しかし、インピーダンスの不連続性は穴を通過することによる反射が実際には非常に小さく、その反射係数は:(44-50)/(44+50)=0.06にすぎない。正孔による問題は寄生容量とインダクタンスの影響により多く集中している。

スルーホールの寄生容量

スルーホール自体はグランドに対して寄生容量を有する。敷設層上の分離孔の直径がD 2、貫通孔パッドの直径がD 1、PCB板の厚さがT、基板の誘電率が島であれば、貫通孔の寄生容量はほぼ以下の通りである：C=1.41島TD 1/（D 2-D 1）孔の寄生容量は主に信号上昇時間の延長と電気回路速度の低下によって回路に影響を与える。例えば、厚さ50 MilのPCB板について、穴の内径が10 Milで、パッドの直径が20 Milで、パッドと銅床との距離が32 Milであれば、穴の寄生容量：C＝1.41 x 4.4 x 0.050 x 0.020/（0.032-0.020）＝0.517 pFを近似するために上の式を使用することができ、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、個々の正孔の寄生容量が立ち上がり遅延に与える影響は明らかではないが、複数の正孔を用いて層間切り替えを行う場合、設計者は注意すべきであることが明らかになった。

スルーホール寄生インダクタンス

高速デジタル回路の設計では、正孔の寄生インダクタンスは寄生容量よりも有害であることが多い。その寄生直列インダクタンスはバイパス容量の寄与を弱め、電力系統全体のフィルタ効率を低下させる。貫通孔近似の寄生インダクタンスを簡単に計算するには、L=5.08 h[ln(4 h/d)+1]を使用します。ここで、Lは貫通孔インダクタンスで、貫通孔の長さで、dは中心孔の直径です。方程式から、穴の直径はインダクタンスに与える影響は小さいが、穴の長さはインダクタンスに影響を与えることがわかる。上記の例を用いても、孔外インダクタンスは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の場合、等価インピーダンスサイズはXL=λL/T 10-90=3.19λである。高周波電流が存在する場合、このインピーダンスは無視できない。特に、バイパスキャパシタは、供給層を地層に接続するために2つの穴を通過しなければならず、それによって穴の寄生インダクタンスを2倍にしなければならない。

PCBスルーホールによる信号伝送への影響

以上のスルーホール寄生特性の分析を通じて、高速PCB設計において、簡単に見えるスルーホール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分かった。正孔寄生効果の悪影響を減らすために、設計では次のようなことを試みることができます。

1.コストと信号品質の両面から、合理的な開口サイズを選択する。例えば、6-10層のMEMORYモジュールPCB設計については、10/20 mil（ドリル／パッド）ビアを選択することが好ましく、高密度の小サイズプレートの中には、8/18 milビアを使用してみることもできる。現在の技術では、より小さな穴を使用することは難しい。電源または接地線貫通孔の場合は、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ます。

2.上記の2つの公式は、より薄いPCBボードを使用することで、穴を通過する2つの寄生パラメータを減らすことができることを示しています。

3.電源と地面のピンは近くに穴をあける必要があります。ピンと穴の間のリード線が短いほど、インダクタンスが増加するため好ましい。同時に、電源と接地リード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。

4.PCBボード上の信号配線はできるだけ層を変更しない、つまり、不要な穴を使用しないようにしてください。

5.信号層が変化する穴の近くに接地穴を配置し、信号に閉ループを提供する。プリント基板に追加の接地穴を追加することもできます。もちろん、あなたのデザインには柔軟さが必要です。上記のスルーホールモデルは、各層にパッドがある場合です。場合によっては、いくつかの層のパッドを減らしたり除去したりすることができます。特に、孔密度が非常に大きい場合には、銅層に切断回路の溝が形成される可能性があり、このような問題を解決するために、孔の位置を移動するほか、銅層に孔を形成してパッドのサイズを小さくすることも考えられる。

高速PCB設計において、貫通孔の影響を十分に考慮し、合理的に制御することは回路性能の安定した信頼性を確保する鍵である。絶え間ない技術革新と設計最適化により、より効率的で信頼性の高い高速回路設計を実現することができます。