PCB技術 - 回路基板PCBスルーホール技術の概要

PCBビアリングは多層PCBの重要な構成要素の1つであり、ドリルリングコストは通常PCB製造コストの30%〜40%を占めている。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。

機能の観点から見ると、pcb貫通孔は2種類に分けることができる：

1つは層間の電気的接続であり、もう1つは装置の固定または位置決めである。技術面では、これらのpcb貫通孔は一般的に3つの種類に分けられ、すなわち盲孔、埋孔、貫通孔である。ブラインドホールはプリント基板の上面と底面に位置し、一定の深さを持っている。表面線と下の内部線を接続するために使用されます。孔の深さは通常一定の比率（孔径）を超えない。埋め込み穴とは、プリント基板の内層に位置する接続穴であり、基板の表面には延びていない。上記2種類の孔は回路基板の内層に位置し、積層する前に貫通孔形成プロセスによって完成し、貫通孔を形成する過程で、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、内部相互接続や部品として位置決め穴を取り付けることができる。スルーホールはプロセス上より容易に実現でき、コストが低いため、多くのプリント配線基板では他の2種類のスルーホールの代わりに使用されています。特に規定がない限り、以下の貫通孔は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つの部分の大きさによって、貫通孔の大きさが決まります。明らかに、高速で高密度のPCB設計では、設計者は、基板上により多くの配線空間を残すことができるように、貫通孔が小さいほど良いことを常に望んでいる。また、スルーホールが小さいほど、それ自体の寄生容量が大きくなる。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、貫通穴のサイズを無限に減らすことはできない。それはドリル穴や電気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、穴が長くなり、中心位置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、穴壁が銅めっきを均一にすることは保証されない。例えば、通常の6層PCB板の厚さ（貫通孔深さ）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直径は8ミルにしかならない。

pcb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。ビア接地層上の分離孔の直径が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であれば、板基板の誘電率はμであり、ビアの寄生容量は約：C＝1.41μTD 1/（D 2−D 1）であることが知られている。ビア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に対して、内径10 Mil、パッド直径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、上述の式を用いてビアを近似することができる。寄生容量はほぼ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何度も使用されている場合は、設計者は注意しなければならないことがわかる。

pcbスルーホール寄生インダクタンス

同様に、スルーホールには寄生インダクタンスと寄生容量が存在する。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損傷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。貫通孔の近似寄生インダクタンスは、L=5.08 h[ln(4 h/d)+1]で簡単に計算できます。ここで、Lは貫通孔のインダクタンス、hは貫通孔の長さ、dは中心です。穴の直径。式から、pcbビアの直径はインダクタンスに与える影響が小さく、ビアの長さがインダクタンスに与える影響が最も大きいことがわかる。上記の例を用いて、スルーホール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=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。

高速PCBにおけるスルーホール設計。

以上の過孔寄生特性の分析により、高速PCB設計では、簡単に見える過孔は回路設計効果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考慮して、合理的なビア寸法を選択する。例えば、6-10層メモリモジュールPCB設計には、10/20 Mil（ドリル/パッド）スルーホールを使用することが好ましい。高密度の小さなサイズの回路基板の中には、8/18 Milを使用してみることもできます。穴。現在の技術的条件では、小さな貫通孔を使用することは困難である。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より大きなサイズを使用することが考えられる。

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、つまり不要なビアをできるだけ使用しないようにする。

4.電源と接地ピンは近くに穴をあける必要があり、貫通穴とピンの間のリード線はできるだけ短くしなければならない。インダクタンスが増すからだ。同時に、電源線とアース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、信号に最も近いループを提供する。さらに、PCBボードに冗長な接地貫通孔を多数配置することもできる。

もちろん、PCB設計には柔軟さが必要です。前述のビアモデルは、各層にパッドがある場合である。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、貫通孔の密度が非常に高い場合、銅層中のループを分離する破断溝の形成を招く可能性がある。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、貫通孔を銅層上に配置することも考えられる。パッドサイズが小さくなる。