PCB技術 - 信号伝送に及ぼすPCB貫通孔の影響

Through hole (VIA) is one of the important components of 多層PCB 板, そして、穿孔穴のコストは、PCB基板製造コストの30 %から40 %を占める. 簡単に言えば, PCB上のホールはパスホールと呼ばれる.

信号伝送に及ぼすPCB貫通孔の影響

スルーホール（via）は多層pcbの重要な部分であり，穴開けのコストは通常基板基板製造コストの30 %から40 %を占める。簡単に言えば、PCB上のあらゆる穴をパスホールと呼ぶことができる。機能に関して、穴は2つのカテゴリーに分けられることができます：1つは、層の間の電気接続のために使われます;もう一つは、デバイスの固定または位置決めに使用されます。これらのスルーホールは、一般的に、ブラインドビア、埋め込みビア、スルービアの3種類に分けられる。盲目の穴は、プリント回路基板の上下の表層に位置して、表層回路を下の内部回路に接続するための確かな深さを有する。孔の深さは、ある比率（開口）を超えない。埋め込み孔は、プリント回路基板の表面に延在しないプリント回路基板の内層の接続孔である。つのタイプのホールは、回路基板の内側の層に位置しており、これは積層前の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部層が重なることがある。

スルーホールと呼ばれる第3のタイプは、回路基板全体を貫通し、内部相互接続に使用することができるか、または部品のための穴を取り付け、位置決めすることができる。スルーホールは、この工程で実装が容易であるため、コストが低く、他の2種類のスルーホールではなく、プリント回路基板の大半が使用される。以下の貫通孔は、特別な説明がない場合、貫通孔と考えられる。

設計上の観点から、貫通穴は主に中央部のドリル穴であり、他方はドリル穴の周りのパッド領域である。これらの2つの部品のサイズは、スルーホールのサイズを決定する。明らかに、高速で高密度のPCBの設計では、設計者は常にホールをできるだけ小さくし、このサンプルはより多くの配線スペースを残すことができ、加えて、より小さなホールは、自身の寄生容量が小さく、高速回路に適している。しかし、穴のサイズが減少すると同時にコストが増加し、穴の大きさを制限せずに削減することはできませんが、ドリル（ドリル）とメッキ（メッキ）と他の技術によって制限されます：穴が小さく、ドリルにかかるほど、それが中心から逸脱するのは簡単です孔の深さが穴の直径の6倍以上になると，孔壁の均一な銅めっきを保証できない。例えば、通常の6層PCBボードの厚さ（スルーホール深さ）が50ミルである場合、PCB製造者は通常の条件下で8 milの孔径を提供することができる。レーザ穴あけ技術の開発により，穴あけの寸法も小さく，小さくすることができる。一般的に、穴の直径は6ミリ以下であり、マイクロホールと呼ぶ。マイクロホールは、HDI（高密度相互接続構造）設計でしばしば使用される。マイクロホール技術は、穴をパッド（パッドで）を直接打つことができます。そして、それは回路性能を大いに改善して、配線スペースを節約します。

伝送線路上のスルーホールは、信号の反射を引き起こすインピーダンス不連続のブレークポイントである。一般に、貫通孔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 %低い。例えば、50オームの伝送線路のインピーダンスは、スルーホールを通過するとき、6オームで減少する（貫通孔の大きさと板厚の比は、減少しない）。しかし、ホールを通るインピーダンスの不連続による反射は、実際には非常に小さく、その反射係数は（44−50）／（44＋50）＝0.06だけである。正孔に起因する問題は，寄生容量とインダクタンスの影響により注目されている。

穴を通しての寄生容量

スルーホール自体は接地に寄生容量を有する。この場合、貫通孔の直径はD 2であり、貫通孔パッドの直径はD 1であり、PCB基板の厚さはTであり、基板の誘電率は1／5である。スルーホールの寄生容量は、以下の通りである。例えば、50 milの厚さのPCB基板において、孔の内径が10 milである場合、パッドの直径は20ミルであり、パッドと銅フロアとの距離は32ミルであり、上記の式を用いて正孔の寄生容量を近似できる。4 x 0050 x 0020 /( 0.032 - 0.020 )= 0.517 pfは、この部分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である。517 x（55 / 2）= 31.28 ps。これらの値から、単一のホールからの寄生容量が立ち上がり遅延に与える影響は明らかではないが、複数の正孔がlayer - to - layerスイッチングに使用される場合、設計者は慎重でなければならないことは明らかである。

スルーホール寄生インダクタンス

高速デジタル回路の設計において、正孔の寄生インダクタンスは、寄生容量よりもしばしば有害である。その寄生直列インダクタンスはバイパスキャパシタンスの貢献を弱めて、全体の電力系統のフィルタリング効果を減らします。ここで、L＝5.08 H〔LN（4 H／D）＋1〕を用いたスルーホール近似の寄生インダクタンスを計算することができ、Lはスルーホールインダクタンス、Hは貫通孔の長さ、Dは中心孔の直径である。正孔の直径はインダクタンスにほとんど影響を与えないが、ホールの長さはインダクタンスに影響を及ぼすことがわかる。上記の例を用いても、ホールのインダクタンスをL＝5.08 x 0として計算することができる。050［Ln（4×0.050／0.010）＋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の大きさはXL＝Δ×L／T 10−90＝3.19アンペアである。このインピーダンスは高周波電流の存在下では無視できない。特に、バイパスコンデンサは、供給層を形成に接続するために2つの孔を通過しなければならないので、正孔の寄生インダクタンスを2倍にする。

信号伝送に及ぼすPCB貫通孔の影響

つの高速PCBスルーホール設計

スルーホールの寄生特性の解析により、高速PCB設計において、一見単純なスルーホールは、回路設計に大きな負の効果をもたらすことが多い。正孔の寄生効果の悪影響を低減するために、以下のように設計することができる。

つは、コストと2つの側面の信号品質から、穴の合理的なサイズを選択します。たとえば、メモリモジュールのPCB設計の6 - 10層については、穴を介して10 / 20ミル（ドリル/パッド）を選択する方が良い、いくつかの高密度小型ボードの場合は、穴を通して8 / 18ミルを使用しようとすることもできます。現在の技術では、より小さな穴を使用するのは難しいでしょう。電源または接地線貫通孔は、より大きなサイズを使用してインピーダンスを低減することが考えられる。

上述の2つの式は、より薄いPCBボードを使用することによって、孔を通る2つの寄生パラメータを減少させるのを助けることを示している。

（3）電源及びグランドのピンを近くでドリル加工する。ピンとホールとの間のリード線は、インダクタンスの増加につながるので、より短い。同時に、電源および接地リード線は、インピーダンスを減らすためにできるだけ厚くなければならない。

4は、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、不要な穴を使用しないようにしてください。

5 .信号層の穴の近くにいくつかの接地孔を配置して、信号の閉ループを提供する。あなたは、PCBに余分のグラウンド穴をたくさん置くことさえできます。もちろん、あなたのデザインで柔軟にする必要があります。以上説明したスルーホールモデルは、各層にパッドがある状況である。場合によっては、いくつかの層でパッドを減らすか、あるいは取り除くことができます。特に、ホール密度が非常に大きい場合には、銅層のカットオフ回路溝の形成につながる可能性があり、このような問題を解決するために、ホールの位置を移動させることに加えて、銅層の孔を考慮してパッドのサイズを小さくすることもできる。