PCB メーカーは、より小型のプリント回路基板の設計にますます力を入れています。 モコテクノロジー 省略されることはありません。スルーホール部品を少なくし、表面実装技術を多く取り入れています（SMT（注）大型のめっきスルーホールについては、基板上のスペースを小さく割り当てています。めっきスルーホールの代わりに、表面実装部品の使用を増やしています。当社のすべてのPCBはビアを使用するように設計されています。
ビアとは、PCBの表面層から内部層、そして他の層へと配線を配線するために使用される、めっきされた貫通穴を指します。PCBビアは、電気接続を形成するためにめっき加工することも、機械的に穴あけ加工することもできます。
ビアは多層PCB基板に不可欠ですが、その設計と製造は容易ではありません。ビアは、基板の異なる層間の熱流と電気の流れの経路を構築します。本質的に、ビアは種類と大きさが異なるチャネルです。
PCBビアの種類
PCBビアには5つのタイプがあります。
1. ブラインド ビア – ブラインド ビアは、XNUMX つのレイヤーから次のレイヤーにのみ通過するレーザーです。
2. 埋め込みビア - このタイプのビアは内部層の間にあり、シーケンシャルまたはマルチラミネーション プロジェクトが存在する場合に必要です。
3. 貫通ビア - 貫通ビアは上から下に穴を開けて XNUMX つの外側の層をリンクします。
4. マイクロビア – マイクロビアは、機械的な穴あけではなくレーザーを使用して穴あけされるため、0.006 インチ未満が可能になります。
5. ビアインパッド - このビアは表面実装部品のパッドの内側に配置されます。
ブラインドビアと埋め込みビア
埋め込みビアとブラインドビアは、PCBの異なる層を接続するために使用されます。埋め込みビアは、基板がPCBの外部環境から完全に隠されているため、内層間の相互接続を提供します。一方、ブラインドビアは、PCB内部の1層または複数層との外層間の相互接続を提供します。これらの2つのビアは、基板サイズの増加や層数の増加によって理想的な密度が損なわれるため、HDI PCBにおいて有益です。
PCBマイクロビア
マイクロビアは、その直径がスルーホールビアの直径よりも小さいため、レーザーを用いて穴あけ加工が可能です。マイクロビア内部への銅めっきは困難であるため、その深さは2層未満です。そのため、ビアの直径が小さいほど、めっき浴の吐出能力が高くなり、無電解銅めっきが形成されます。
マイクロビアは、ボード層内の位置に応じて、スタックスキップまたはスタッガードに分類されます。
• スタックビア – 異なるレイヤーで互いに積み重ねて作成できます。
• スタッガードビア – これらのビアは複数の層に分散して配置できますが、コストがかかります。
• スキップビアは層を貫通することができ、その層に電気的接続がないことを保証します。したがって、スキップされた層はビアと電気的に接続できません。
PCBビアインパッド
ビアインパッド方式は、信号速度の高速化とPCB部品の厚みと密度の増大を背景に開発されました。標準的なビア構造とVIPPOにより、信号の配線能力と整合性が向上します。
標準ビアの信号トレースは、はんだコートからのビアへの漏れを防ぐために、メーカーによってパッドからビアまでトレースされます。ビアインパッドは、外部実装部品のパッド内にビアを配置します。
これは、PCBメーカーの要件に応じて、まず非導電性エポキシ樹脂を用いてビアを充填することで実現されます。次に、ビアを充填し、ランドスペースを確保するためにコーティングを施します。これにより信号経路が拡張され、インダクタンスと容量の影響が排除されます。
さらに重要なのは、ビアインパッドによってPCB基板のサイズが縮小され、小さなグランドを収容できる点です。この方法は、 BGA フットプリント。優れた結果を得るには、ビアインパッドを用いたバックドリル工程を実施することが不可欠です。ビアの残りの部分に見られる信号エコーは、バックドリルによって除去されます。
PCBのコンポーネント
a) バレル - 浸透した穴を埋めるために使用される導電性パイプです。
b) パッド - バレルのすべての端をトレースに接続します。
c) アンチパッド - これは、非接続層とバレルを分離するために使用されるクリアランス ホールです。
PCB設計におけるビアの一般的な用途
• 信号配線 – 多くのPCB基板では、信号配線に貫通ビアが使用されています。ただし、厚い基板では埋め込みビアまたはブラインドビアが使用され、軽い基板ではマイクロビアのみが使用されています。
• 電源ルーティング – ほとんどの PCB ボードのビアは、電源およびグランド ネット ルーティングに幅広のスルーホール ビアを使用するように制限されていますが、ブラインド ビアも使用できます。
• エスケープルーティング – 大型表面実装（SMT）部品では、エスケープルーティングにスルーホールビアが主に使用されます。エスケープルーティングにはマイクロビアまたはブラインドビアが最も一般的に使用されますが、多ピンBGAなどのソリッドパッケージではビアインパッドが使用されることもあります。
• スティッチング – スルーホールビアまたはブラインドビアは、プレーンへの多数の接続を提供するために使用できます。例えば、ビアをスティッチングした金属ストリップで回路の敏感な領域を囲み、グランドプレーンと接続することでEMI保護を実現します。
• 熱伝導 – ビアは、部品から接続された内部プレーン層を介した熱伝導に使用されます。通常、サーマルビアは高密度のブラインドビアまたはスルーホールビアを必要とし、これらのビアはデバイスのパッド内に配置する必要があります。
PCB設計におけるビアの重要性
シンプルな回路基板であれば、ビアは不要です。しかし、多層基板を扱う場合にのみビアが必要になります。PCB基板の設計において、ビアは不可欠です。その理由は以下のとおりです。
• 多層基板におけるコンポーネントの優れた密度を実現できます。
• 多層基板では、配線を上下に様々な方向に配線できるため、配線密度が向上します。ビアは異なる配線間の接続を可能にし、垂直方向の接続要素として機能します。
• ビアが配線プロセスに統合されていない場合、 多層PCB、 コンポーネントはコンパクトに配置されることになります。
• 層間の電力および信号伝送を容易にします。ビアを使用しない場合は、PCB部品は単一プレーン上に配線する必要があります。さらに重要なのは、多層PCBでは表面実装部品が多いため、単一プレーン上で部品を配線することが困難であるということです。
ビアに関するPCB設計のヒント
PCB でビアを使用する場合は、以下のヒントを考慮することが重要です。
• PCB を設計するときは、最大限のビア構造を採用する必要があります。
• スタッガード ビアとスタック ビアをスタックする場合、スタック ビアを埋める必要があるため、スタッガード ビアを検討してください。
• 信号効率と電気性能を最大限まで高めるため、アスペクト比を可能な限り低減します。さらに、EMI、ノイズ、クロストークを最小限に抑えます。
次のような理由から、より小さなビアを使用することをお勧めします。
• 浮遊インダクタンスと静電容量を低減することで、高品質の HDI ボードを構築できます。
• ビアインパッドは、サーマルパッド内にある場合を除き、必ず充填してください。
• BGAが固定されているパッドマトリックスには、ブラインドビアまたはスルーホールビアが含まれている可能性があることを常に念頭に置いてください。その場合は、はんだ接合部の損傷を防ぐため、ビアを平坦化し、充填するようにしてください。
• PCB を設計する際には、ビアがバーのはんだ接合部を固定するのに役立ち、セットがブロックされて QFN 接合部内で優れたはんだ接合部の形成が妨げられるのを防ぐことを理解することが重要です。
• サーマルパッドを扱う際は、スルーホールではなく、アセンブリ工程で加工してください。これは、パッド上部のはんだコートステンシル内に窓ガラス状の開口部を設けることでのみ実現できます。これにより、設計工程におけるガス放出やはんだの融着の影響を排除できます。
• BGA パッケージの位置を使用して、ビアのクリアランスと配線されたコンポーネント内の最小のトレースを常に監視します。
• ビアインパッドのアセンブリを常に埋めます。
• ドッグボーンを組み立てるときに、事前に決められた短いトレースを使用してビアをパッドから分離します。
• PCB ドキュメントには、すべての穴とフィーチャー コードに対して XY ポイントを持つドリル テンプレートが必要です。
治療を通じて
PCBメーカーは、PCBの熱性能を向上させるために、ビアに追加の処理を施します。これらの追加処理は、充填、被覆、プラグの差し込み、導電性充填といった、組み立てにおける様々な問題の発生を防ぐのにも役立ちます。ビアへの適切な処理は、コストのかかるトラブルシューティング作業を削減する上で不可欠となります。
A) カバーリング - 製造業者がはんだマスクを乾燥フィルムで覆う際によく用いられるプロセスです。乾燥フィルムの厚さは4mmで、大きな穴でも効果的に覆うことができます。
B) 充填 – 製造業者は、非導電性エポキシペーストを用いて、通常のビアまたは侵入ビアを充填します。充填されたビアは数ミリメートルの深さがあり、ソルダーマスクがパッドに到達できません。ソルダーマスクはパッドとビア間のはんだブリッジの発生を最小限に抑えるため、中密度のPCBに最適な手法です。
C) プラギング – この処理では、ビアの端部を非導電性エポキシペーストで塞ぎ、はんだ付け工程中のはんだの浸み出しや流れ込みを防ぎます。エポキシペーストが効果的に穴を開けるためには、ビアの直径は20mm未満である必要があります。製造業者は、塞がれたビアを覆うためにソルダーマスクを使用します。
D) 導電性充填 – PCB製造業者は、純銅または銅を含むエポキシ樹脂を用いて導電性ペーストをマイクロビアに充填し、PCBの導電性を向上させます。この導電性充填技術は、あらゆる種類のビアに使用できます。
導電性ビアフィルと非導電性ビアフィル
PCBメーカーは、ビアホールをエポキシ樹脂だけで完全に塞ぐ「ビアフィル」と呼ばれる独自の製造方法を採用しています。ビアフィルの主な利点は以下のとおりです。
• 組み立ての歩留まりを向上
• 表面実装の信頼性が向上します
• 空気や液体が詰まる可能性を最小限に抑えて一貫性を向上させます。
非導電性ビアフィルは、銅めっきビアを用いて電力と熱を伝導します。ビアの充填には、特殊な低収縮エポキシ樹脂が使用されます。一方、導電性ビアフィルは、エポキシ樹脂全体に銀や銅の粒子を分散させることで、電気伝導性と熱伝導性を高めます。
非導電性充填材の熱伝導率は0.25W/mKですが、導電性充填材の熱伝導率は3.5～15W/mKの範囲です。一方、電気めっき銅の熱伝導率は250W/mKを超えます。
一部のアプリケーションでは、導電性ビアフィルで必要な導電性が得られる場合が多いですが、非導電性ペーストを使用してビアを追加することも可能です。優れた熱伝導性と電気伝導性により、コストへの影響を軽減できます。
ビアの種類とビアの直径の違い
以下の表では、異なるビアタイプにおけるビア径の違いについて説明しています。また、ビアパッド、最小ビア径、正確なビアリングについても明確に説明しています。 PCB設計 用途に応じたビアを用いたレイアウト。さらに、この表にはPCBへの実装に不可欠な様々な寸法の詳細が示されています。また、各ビアタイプのアスペクト比も記載されています。
適切な経由地を選択する際に考慮すべき要素
あらゆるPCBプロジェクトにおいて、製造性を考慮した設計を理解し、適切なビアを選択することが不可欠です。PCBプロジェクトに着手する際には、常に以下の要素を考慮してください。
1) ビアの種類 – プロジェクトに最適なビアの種類を決定します。ビアフィルやビアテクノロジーを利用できず、XNUMX層しか利用できない場合は、大きな穴がいくつか存在する可能性があります。
2) ビアサイズ – PCBの標準ビアサイズは10mmですが、PCBビアめっき後は7mmになります。ビアサイズは基板の厚さによって決まります。機械式ドリルとレーザードリルのどちらのマイクロビアも、穴径は4mmです。
3) ビア許容差 – ほとんどの PCB プロバイダーは社内ガイドラインをすべて提供していますが、ビアの穴サイズの許容差を明記することが重要です。
4) 最も適切なテクノロジーをサポートする – 埋め込みビアまたはブラインドビアが必要な場合は、必ず PCB サプライヤーにその種類のテクノロジーをサポートするスタックアップを作成するように依頼してください。
5) IPCガイドライン – PCBメーカーの指示に従ってビア間の距離など、関連技術のIPCガイドラインを厳守することが不可欠です。軍用、クラス2、クラス3、クラス3DSのIPC組み立てガイドラインは若干異なるため、これらを考慮することが重要です。
6) アニュラーリング – ビアパッドのサイズは非常に重要であるため、穴あけ後にビアに十分な大きさのアニュラーリングが形成されるようにすることが重要です。機械式ドリルは穴あけ時に多少のズレが生じるため、ブレイクアウトドリルでビアに十分なアニュラーリングが形成されないと、ビアが損傷する可能性があります。
