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PCB技術

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多層PCBのビアを処理する方法は?
2020-09-12
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Author:Dag      Share

Viaは、多層PCBの最も重要な部分の1つです。掘削のコストは通常、PCB製造のコストの30%から40%を占めます。つまり、PCBのすべての穴をビアと呼ぶことができます。


機能の観点から、ビアは2つのタイプ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用です。プロセスの観点から、これらのビアは一般に3つのカテゴリに分類されます。ブラインドビア、埋め込みビア、スルービアです。止まり穴はプリント基板の上面と下面にあり、一定の深さがあります。以下の表面回路と内部回路を接続するために使用されます。穴の深さは通常、特定の比率(開口部)以下です。埋め込み穴とは、プリント回路基板の内層にある接続穴のことで、回路基板の表面までは伸びていません。


3番目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、内部相互接続またはコンポーネントの設置位置決め穴として使用できます。スルーホールは実現が容易でコストが低いため、ほとんどのプリント回路基板は他の2つではなくスルーホールを使用しています。下記のビアは、特別な指示がない限り、貫通穴と見なされます。


設計の観点から、貫通穴は主に2つの部分で構成され、1つは中央のドリル穴で、もう1つはドリル穴の周囲のパッド領域です。これら2つのパーツのサイズによって、ビアのサイズが決まります。明らかに、高速で高密度のPCB設計では、設計者は常にビアが小さいほど良いことを望んでいるため、ボード上により多くの配線スペースを確保できます。さらに、ビアが小さいほど、それ自体の寄生容量が小さくなり、高速回路に適しています。ただし、穴のサイズを小さくするとコストが高くなり、スルーホールのサイズを無制限に小さくすることはできません。穴あけとめっきの技術によって制限されます。穴が小さいほど、穴あけ時間が長くなり、中心位置から外れやすくなります。また、穴の深さが穴の直径の6倍を超える場合、穴の壁に均一な銅メッキを保証することは不可能です。たとえば、通常の6層PCBの厚さ(スルーホールの深さ)が50ミルの場合、通常の条件下では、PCBメーカーが提供するドリル穴の直径は8ミルにしか達しません。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけ穴のサイズもますます小さくすることができます。一般に、直径が6ミル以下のスルーホールはミクロポアと呼ばれます。ミクロポアは、HDI(高密度相互接続構造)の設計でよく使用されます。ミクロポーラス技術により、ビアをパッドに直接打ち抜くことができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。穴の壁に均一な銅メッキを保証することは不可能です。たとえば、通常の6層PCBの厚さ(スルーホールの深さ)が50ミルの場合、通常の条件下では、PCBメーカーが提供するドリル穴の直径は8ミルにしか達しません。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけ穴のサイズもますます小さくすることができます。一般に、直径が6ミル以下のスルーホールはミクロポアと呼ばれます。ミクロポアは、HDI(高密度相互接続構造)の設計でよく使用されます。ミクロポーラス技術により、ビアをパッドに直接打ち抜くことができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。穴の壁に均一な銅メッキを保証することは不可能です。たとえば、通常の6層PCBの厚さ(スルーホールの深さ)が50ミルの場合、通常の条件下では、PCBメーカーが提供するドリル穴の直径は8ミルにしか達しません。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけ穴のサイズもますます小さくすることができます。一般に、直径が6ミル以下のスルーホールはミクロポアと呼ばれます。ミクロポアは、HDI(高密度相互接続構造)の設計でよく使用されます。ミクロポーラス技術により、ビアをパッドに直接打ち抜くことができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。PCBメーカーが提供するドリル穴の直径は8ミルにしか達しません。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけ穴のサイズもますます小さくすることができます。一般に、直径が6ミル以下のスルーホールはミクロポアと呼ばれます。ミクロポアは、HDI(高密度相互接続構造)の設計でよく使用されます。ミクロポーラス技術により、ビアをパッドに直接打ち抜くことができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。PCBメーカーが提供するドリル穴の直径は8ミルにしか達しません。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけ穴のサイズもますます小さくすることができます。一般に、直径が6ミル以下のスルーホールはミクロポアと呼ばれます。ミクロポアは、HDI(高密度相互接続構造)の設計でよく使用されます。ミクロポーラス技術により、ビアをパッドに直接打ち抜くことができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。

multilayer pcb

多層PCB

ビアは伝送ライン上の不連続なインピーダンスブレークポイントであり、信号の反射を引き起こす可能性があります。一般に、ビアの等価インピーダンスは伝送線路の等価インピーダンスよりも約12%低くなります。たとえば、50オームの伝送ラインのインピーダンスはビアを通過するときに6オーム減少します(これはビアのサイズとプレートの厚さに関係しますが、減少には関係しません)。しかし、ビアのインピーダンスの不連続性によって引き起こされる反射は実際には非常に小さく、その反射係数は(44-50)/(44 + 50)= 0.06のみであり、ビアによって引き起こされる問題は主に寄生容量の影響に焦点を当てています。インダクタンス。




ビアの寄生容量とインダクタンス


ビアのソルダーマスク領域の直径がD2、ビアパッドの直径がD1、PCBの厚さがt、基板の誘電率がεの場合、ビアの寄生容量は約C =1.41εTD1/( d2-d1)


回路に対するビアの寄生容量の主な影響は、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す。たとえば、厚さが50milのPCBの場合、ビアパッドの直径が20MIL(穴あけ直径が10mil)で、はんだマスクの直径が40milの場合、次の式でビアの寄生容量を概算できます。 C = 1.41x4.4x0.050x0.020 /(0.040-0.020)=0.31pf。この容量によって引き起こされる立ち上がり時間の変動は次のとおりです。t10-90= 2.2c(Z0 / 2)= 2.2x0.31x(50/2)= 17.05ps


これらの値から、単一ビアの寄生容量の影響は明らかではありませんが、配線のレイヤスイッチングにビアを繰り返し使用すると、複数のビアが使用されることがわかります。設計。実際の設計では、ビアと銅層(アンチパッド)の間の距離を大きくするか、パッドの直径を小さくすることで、寄生容量を減らすことができます。


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って引き起こされる害は、寄生容量の害よりも大きいことがよくあります。その寄生直列インダクタンスは、バイパス容量の寄与と電力システム全体のフィルタリング効率を弱めます。次の実験式を使用して、ビアの寄生インダクタンスを簡単に計算できます。l= 5.08h [ln(4h / D)+ 1]、ここで、lはビアのインダクタンス、hはビアの長さ、 Dは中央の穴の直径です。式から、ビアの直径はインダクタンスにほとんど影響を与えないのに対し、ビアの穴の長さはインダクタンスに影響を与えることがわかります。上記の例を引き続き使用すると、ビアインダクタンスを次のように計算できます。l= 5.08x0.050 [ln(4x0.050 / 0.010)+ 1] = 1.015nh。信号の立ち上がり時間が1nsの場合、その場合、その等価インピーダンスは次のようになります。XL=πL/ t10-90 =3.19Ω。高周波電流が流れる場合、このインピーダンスは無視できません。電源層と層を接続する場合、バイパス容量は2つのビアを通過する必要があるため、ビアの寄生インダクタンスは2倍になることに注意してください。




ビアの使い方


上記のビアの寄生特性の分析から、高速PCB設計では、一見単純なビアが回路設計に大きな悪影響を与えることがよくあることがわかります。ビアの寄生効果によって引き起こされる悪影響を減らすために、設計で次のことを行うために最善を尽くすことができます。


1.コストと信号品質の2つの側面から、ビアサイズの妥当なサイズを選択します。必要に応じて、さまざまなサイズのビアを検討できます。たとえば、電源またはアース線のビアの場合、インピーダンスを減らすために大きなサイズを使用でき、信号配線には小さなビアを使用できます。もちろん、ビアのサイズが小さくなると、それに対応するコストも増加します。


2.上記の2つの式から、より薄いPCBの使用は、ビアの2つの寄生パラメータを減らすのに有益であると結論付けることができます。


3. PCBボード上の信号配線の層を変更しないようにします。つまり、不要なビアを使用しないようにします。


4.電源とアースのピンは近くにドリルで開ける必要があり、ビアとピンの間のリード線は短いほど良いです。等価インダクタンスを低減するために、並列の複数のビアを検討することができます。


5.信号の閉ループを提供するために、信号層の変更のビアの近くにいくつかの接地されたビアを配置します。一部の冗長接地ビアは、PCBボードに配置することもできます。


6.高密度の高速PCBの場合、マイクロビアを検討できます。