PCBスルーホールの基本概念とスルーホール方式の紹介

1 ミシン目の基本概念

スルーホール（VIA）はの重要な部分です 多層PCB、およびドリル穴のコストは通常、PCBボード作成のコストの30％から40％を占めます。簡単に言えば、PCB上のすべての穴をパスホールと呼ぶことができます。機能の観点から、穴はXNUMXつのカテゴリに分類できます。XNUMXつは層間の電気的接続に使用されます。もうXNUMXつは、デバイスの固定または位置決めに使用されます。プロセスの観点から、これらのスルーホールは一般にXNUMXつのカテゴリに分類されます。つまり、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、表面回路を下の内部回路に接続するための一定の深さがあります。穴の深さは通常、特定の比率（開口部）を超えません。埋め込み穴は、プリント回路基板の表面まで伸びていない、プリント回路基板の内層の接続穴です。 XNUMX種類の穴は回路基板の内層にあり、積層前にスルーホール成形プロセスによって完成され、スルーホールの形成中にいくつかの内層が重なる場合があります。スルーホールと呼ばれるXNUMX番目のタイプは、回路基板全体を貫通し、内部相互接続に使用したり、コンポーネントの取り付けおよび位置決め穴として使用したりできます。スルーホールはプロセスでの実装が容易であるため、コストが低く、他のXNUMX種類のスルーホールではなく、ほとんどのプリント回路基板が使用されます。以下の貫通穴は、特別な説明がない限り、貫通穴と見なされます。

PCBスルーホールの基本概念とスルーホール方式の紹介

設計の観点から、スルーホールは主にXNUMXつの部分で構成され、XNUMXつは中央のドリル穴で、もうXNUMXつはドリル穴の周囲のパッド領域です。これらのXNUMXつの部分のサイズによって、スルーホールのサイズが決まります。明らかに、高速高密度PCBの設計では、設計者は常に穴をできるだけ小さくする必要があります。このサンプルでは、より多くの配線スペースを残すことができます。さらに、穴が小さいほど、それ自体の寄生容量は小さくなります。高速回路に適しています。しかし、同時に穴のサイズを小さくするとコストが増加し、穴のサイズを無制限に小さくすることはできません。穴のサイズは、ドリル（ドリル）やメッキ（メッキ）などの技術によって制限されます。穴が小さいほど、穴あけにかかる時間が長いほど、中心位置から外れやすくなります。穴の深さが穴の直径の6倍を超える場合、穴の壁の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ボードの厚さ（スルーホールの深さ）が50Milの場合、PCBメーカーが提供できる最小の穴の直径は8Milです。レーザー穴あけ技術の開発により、穴あけのサイズもますます小さくすることができます。一般的に、穴の直径は6Mils以下であり、マイクロホールと呼ばれます。マイクロホールは、HDI（高密度相互接続構造）設計でよく使用されます。マイクロホールテクノロジーにより、穴をパッド（VIA-in-pad）に直接当てることができるため、回路性能が大幅に向上し、配線スペースが節約されます。

伝送線路の貫通穴はインピーダンスの不連続性のブレークポイントであり、信号の反射を引き起こします。一般に、スルーホールの等価インピーダンスは、伝送ライン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、スルーホールを通過するときに6オーム減少します（これは、スルーホールのサイズとプレートの厚さにも関係しますが、絶対的な減少ではありません）。ただし、穴を通る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のみです。穴によって引き起こされる問題は、寄生容量と寄生インダクタンスの影響に焦点を当てています。

穴を通る寄生容量とインダクタンス

寄生浮遊容量は穴自体に存在します。敷設層の穴の溶接抵抗ゾーンの直径がD2、溶接パッドの直径がD1、PCBボードの厚さがT、基板の誘電率がεの場合、の寄生容量は穴は約C =1.41εTD1/（D2-D1）です。

回路に対する寄生容量の主な影響は、信号の立ち上がり時間を長くし、回路速度を低下させることです。たとえば、厚さが50MilのPCBボードの場合、スルーホールパッドの直径が20Mil（ボアホールの直径が10Mil）で、はんだブロックの直径が40Milの場合、の寄生容量を概算できます。上記の式によるスルーホール： C = 1.41×4.4×0.050×0.020 /（0.040-0.020）= 0.31pF静電容量による立ち上がり時間の変化は、おおよそ次のとおりです。 T10-90 = 2.2c（Z0 / 2）= 2.2×0.31x（50/2）= 17.05psこれらの値から、単一スルーの寄生容量によって引き起こされる立ち上がり遅延と減速の影響はあるものの、スルーホールを複数回レイヤー間で切り替えるために使用する場合、複数のスルーホールが使用されます。デザインには注意してください。実際の設計では、穴と銅敷設ゾーン（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、スルーホールの寄生インダクタンスは寄生容量の寄生インダクタンスよりも有害です。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、電力システム全体のフィルタリング効果を低下させます。次の実験式を使用して、スルーホール近似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は穴のインダクタンス、Hは穴の長さ、Dは中央の穴の直径です。式から、穴の直径はインダクタンスにほとんど影響を与えませんが、穴の長さはインダクタンスに最も大きな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、穴からのインダクタンスは次のように計算できます。

L = 5.08×0.050 [ln（4×0.050 / 0.010）+1] = 1.015nh信号の立ち上がり時間が1nsの場合、等価インピーダンスサイズはXL =πL/ T10-90 =3.19ωです。このインピーダンスは、高周波電流が存在する場合は無視できません。特に、バイパスコンデンサは、電源層を地層に接続するためにXNUMXつの穴を通過する必要があるため、穴の寄生インダクタンスがXNUMX倍になります。

三、穴の使い方

スルーホールの寄生特性の上記の分析を通して、高速PCB設計では、一見単純なスルーホールが回路設計に大きな悪影響をもたらすことが多いことがわかります。穴の寄生効果の悪影響を減らすために、設計で次のようにすることができます。

1. コストと信号品質を考慮して、適切な穴のサイズが選択されます。必要に応じて、さまざまなサイズの穴の使用を検討してください。たとえば、電源ケーブルまたはアースケーブルの場合は、インピーダンスを減らすために大きなサイズを使用することを検討してください。信号配線の場合は、小さな穴を使用してください。もちろん、穴のサイズが小さくなると、対応するコストも増加します。

2. 上で説明したXNUMXつの式は、より薄いPCBボードを使用すると、ミシン目のXNUMXつの寄生パラメータを減らすのに役立つことを示しています。

3. PCBボード上の信号配線は、可能な限り層を変更しないでください。つまり、不要な穴を可能な限り使用しないでください。

4. 電源とアースのピンは最も近い穴にドリルで開け、穴とピンの間のリード線はできるだけ短くする必要があります。等価インダクタンスを減らすために、複数の貫通穴を並列に検討することができます。

5. 信号に最も近いループを提供するために、信号レイヤリングの穴の近くにいくつかの接地穴が配置されています。 PCBに多くの追加の接地穴を配置することもできます。もちろん、設計には柔軟性が必要です。上記のスルーホールモデルは、各層にパッドがある状況です。場合によっては、一部のレイヤーのパッドを減らしたり、削除したりすることもできます。特に穴の密度が非常に大きい場合、銅層にカットオフ回路溝が形成される可能性があり、穴の位置を移動するだけでなく、このような問題を解決するために、穴を考慮することもできますパッドのサイズを小さくするために銅層に。

6. 密度の高い高速PCBボードの場合、マイクロホールを検討できます。