精密PCB製造、高周波PCB、高速PCB、標準PCB、多層PCB、およびPCBアセンブリ。
最も信頼性の高いPCB&PCBAカスタムサービスファクトリー。
PCBブログ

PCBブログ - 高速PCBボード設計におけるスルーホールの悪影響を回避する方法

PCBブログ

PCBブログ - 高速PCBボード設計におけるスルーホールの悪影響を回避する方法

高速PCBボード設計におけるスルーホールの悪影響を回避する方法

2022-10-10
View:194
Author:iPCB

1.貫通孔の基本概念

貫通孔は 多層PCBボード, ドリルコストは通常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. 機能的な観点から, 貫通孔は2種類に分けることができます:1種類は層間の電気接続として使用します;2番目, デバイスの固定または位置決め. 技術面, これらの貫通孔は通常3種類に分類される, すなわちブラインドホール, 埋め込み穴と貫通穴. ブラインドホールはプリント基板の上面と底面にある, しかも一定の深さを持っている. 表面線と下部内部線を接続する. The depth of the hole usually does not exceed a certain ratio (aperture). プリフィル穴とは、プリント基板の内層に位置する接続穴のことである, プリント基板の表面に伸びない. 上記の2種類の穴は回路基板の内層にあります. 積層前, 貫通孔形成プロセスは、孔を完成するために使用される. 穴形成中, いくつかの内層を重ねることができます. 3つ目は貫通孔と呼ばれています, これは回路基板全体を貫通しており、内部相互接続や部品の取り付けや位置決め穴として使用できる. 貫通孔は技術的に実現しやすく、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の代わりに使用されています. 以下の貫通孔, 別に規定がない限り, 貫通孔と思われる. デザインの観点から見ると, 貫通穴は主に2つの部分から構成されています。1つは中間ドリル穴です。, もう1つはドリル穴の周りのスペーサ領域です. 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, 高速度と高密度を設計する場合 PCBボード, 設計者は常に貫通孔が小さいほど, ほどよい, これにより、ボード上により多くの配線スペースを残すことができます. さらに, 貫通孔が小さいほど, その寄生容量が小さいほど, 高速回路に最適. しかしながら, 穴の寸法を小さくするとコストも増加します, また、貫通孔の寸法を無制限に小さくすることはできない. ドリルとメッキ技術によって制限されています:穴が小さいほど, 掘削時間が長くなるほど, そして中心からずれやすい、ドリル深さがドリル直径の6倍を超える場合, 穴壁の均一な銅めっきを確保することは不可能である. 例えば, if the thickness (through-hole depth) of a normal 6-layer PCB is 50Mil, そして通常の条件下で, PCBメーカーが提供する穴の直径は8 Milにしかならない. レーザードリル技術の発展に伴い, ドリル穴のサイズも小さくすることができます. ありふれた, 直径が6 Mil以下の貫通孔を微小孔と呼ぶ. Microholes are often used in HDI (high-density interconnection structure) design. マイクロホール技術により、パッドに貫通孔を直接打ち抜くことができる, 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ます。. 伝送路上の貫通孔は不連続インピーダンスを持つブレークポイントとして現れる, これは信号反射を引き起こす. ありふれた, スルーホール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, the impedance of a 50 ohm transmission line will decrease by 6 ohm when it passes through the vias (specifically related to the size of the vias and the thickness of the plates, not the reduction). しかしながら, スルーホールの不連続インピーダンスによる反射は実際には非常に小さい, and its reflection coefficient is only (44-50)/(44+50)=0.06. スルーホールによる問題は寄生容量とインダクタンスの影響に集中している.


PCBボード

2.ビアの寄生容量とインダクタンス

スルーホール自体に寄生寄生容量が存在する。床上のスルーホールの半田マスク領域の直径がD 2で、スルーホール半田パッドの直径がD 1で、PCBの厚さがTで、基板の誘電率がμであることが知られている場合、そして、スルーホールの寄生容量は約C=1.41μである。TD 1/(D 2-D 1)スルーホールの容量は、主に信号立ち上がり時間の延長と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では、スルーホールパッドの直径が20 Mil(ドリル直径10 Mil)であり、半田マスク領域の直径が40 Milである場合、オンホールの寄生容量は、上式近似により計算することができます:C=1.41 x 4.4 x 0.050 x 0.020/(0.040-0.020)=0.31 pF。この容量による立ち上がり時間の変化は、T 10-90=2.2 C(Z 0/2)=2.2 x 0.31 x(50/2)=17.05 ps程度です。これらの値から、単一のスルーホール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、配線にスルーホールを複数回用いて層間切り替えを行うと、複数のスルーホールが使用されることがわかるので、設計上よく考慮すべきである。実際の設計では、スルーホールと銅被覆領域との間の距離を増やしたり、パッドの直径を小さくしたりすることで寄生容量を低減することができる。スルーホールには寄生容量とインダクタンスが存在する。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よりも大きな害をもたらすことが多い。その寄生直列インダクタンスはバイパスキャパシタの寄与と電力供給システム全体のフィルタリング効果を弱める。以下の経験式を用いて、貫通孔の近似寄生インダクタンスを簡単に計算することができる:L=5.08 h[ln(4 h/d)+1]、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は中心穿孔の直径である。数式から、貫通孔の直径はインダクタンスに与える影響が小さく、貫通孔の長さはインダクタンスに与える影響が少ないことがわかる。上記の例を用いて、スルーホールのインダクタンスをL=5.08 x 0.050[ln(4 x 0.050/0.010)+1]=1.015 nH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=ビルジL/T 10-90=3.19μ©と算出することができる。高周波電流が通過する場合、このインピーダンスを無視することはできません。特に、バイパスコンデンサは電源層と地層を接続する際に2つのスルーホールを通過する必要があるため、スルーホールの寄生インダクタンスは倍増する。


3.貫通穴の使用方法

以上のスルーホール寄生特性の分析により、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、設計では以下の措置をとることができる:

1)コストと信号品質を考慮して、合理的なスルーホールサイズを選択した。必要に応じて、異なるサイズの貫通孔を使用することが考えられます。例えば、電源やアースビアについては、インピーダンスを下げるために大きなサイズを使用することが考えられ、信号配線については小さなビアを使用することができます。もちろん、貫通孔のサイズが小さくなるにつれて、それに応じたコストが増加します。

2)上記の2つの公式から、薄いPCBを使用することは、貫通孔の2つの寄生パラメータを低減するのに有利であると結論することができる。

3)PCB上の信号配線は、層をできるだけ変更しない、つまり、不要なスルーホールをできるだけ使用しないこと。

4)電源と接地のピンは近くに穴を開け、貫通穴とピンの間のリードはできるだけ短くしなければならない。等価インダクタンスを低減するために、複数のスルーホールを並列にドリルすることができます。

5)信号層の変更を行うために、いくつかの接地貫通孔を貫通孔の近くに配置し、それによって信号に近接回路を提供する。PCBに冗長な接地貫通孔を置くこともできます。

6) For high-speed PCBボード 高密度, 微小貫通孔が考えられる.