PCB 設計はアスペクト比に合格: 設計、シグナルインテグリティ、および製造可能性

自然界には、PCB 設計でしか真似できない美しさがあります。自然界に見られる黄金比は、植物と動物の縦横比の一般的な関係を定義する良い例です。他のものと同様に、PCB 基板には複数の層があります。導電層、誘電体層、電位障壁層、穴あけに伴う層です。スルーホールのアスペクト比は黄金比ではありませんが、独特の外観を持ち、PCB 設計において非常に重要です。

スルーホールのアスペクト比は深刻な問題であり、多くの設計者は無視したいと考えています。つまり、スルーホールのアスペクト比は、その長さをその直径で割ったものです。微妙に思えるかもしれませんが、スルーホールのアスペクト比は、さまざまな PCB アプリケーションで重要です。製造要件を検討する際には、アスペクト比を考慮することも重要です。

スルーホールのアスペクト比が高速プレートの設計に与える影響

デジタル信号伝送速度の継続的な改善に伴い、インピーダンスの不連続性は信号品質に影響を与えます。信号ラインに配置されたビアは、PCB では無視されることが多いインピーダンスの不連続です。スルーホールは、誘導性および/または容量性の不連続性を示す場合があり、これらの寄生要素は、信号がスルーホールを通過するときに信号品質を低下させます。特性インピーダンスまたはノイズ低減のどちらを通じてであっても、シグナルインテグリティは長期的な課題です。

スルーホールのインピーダンスは、追加のコンデンサやインダクタを使用してスルーホールのインピーダンスを補償することなく調整できます。アスペクト比ビアの寄生容量を補償するには、ビアバレルに沿ったすべての機能しないパッドを除去する必要があります。キャプチャパッドの直径はできるだけ小さくする必要があります。これにより、配線スペースを最大化することもできます。さらに、ドリルバックを使用してスタブでそれを削除すると、シグナルインテグリティの問題を軽減できます。スルーホールのパイルが残っていると、誘導性の不連続性が生じ、信号がスルーホールを通過するときに信号の反射が発生します。

PCB board

差動トレースと同様に、高速信号用のビアは差動方式で設計できます。信号スルーホールは、接地回路スルーホールと並べて配置できます。対称性を維持し、クロストークの低減を最大限に活用するために、差動配電ラインに使用される接地および信号ビアは、縦横比を含めて同じ形状でなければなりません。接地ビアを増やすと、挿入/リターンロスも改善されます。

穴あけ公差

ボードの要件と PCB 製造材料の要件を理解すると、ボードの厚さだけがボードの問題ではありません。メーカーが異なれば、製造能力も異なります。ほとんどのメーカーは、幅と高さの比率が 6:1 から 10:1 のスルーホールを配置できるはずです。 IPC 信頼性基準では、6:1 から 8:1 のアスペクト比も指定されています。 8:1 のアスペクト比は、PCB メーカーにとって必要と考えられています。

止り穴や埋め込み穴を使用する場合でも、穴を機械ドリルで配置する場合でも、重要なパラメーターは長さと幅の比率ではなく穴の直径です。直径が小さいほど、穴あけ公差を厳しくする必要があります。ドリルビットがターゲットからわずかにずれると、ドリルビットがスルーホールにつながるトレースを突き破り、回路基板が事実上役に立たなくなります。

レーザー穴あけは、機械穴あけと同じ水平方向の機械公差要件に直面しています。しかしながら、レーザー穿孔は、プレートを機械的穿孔中に加えられる応力にさらすことなく、より小さい貫通孔の形成を容易にする。このプロセスは、PCB 製造を大幅に改善し、電子製品の生産関係を大きく変えることができます。

得られたアスペクト比は、焦点深度をビームウエストで割った値に比例し、アスペクト比はこれら 2 つのパラメータを制御することでわずかに制御できます。超高速 UV レーザーなどのより短い波長のレーザーを使用すると、ビアの直径をさらに縮小し、製造および製造中の穴あけ時間を短縮できます。

電気めっきの挑戦を通して

穴を開けるには、回路の深さの増加や製造の増加の必要性など、複雑さをある程度理解する必要があります。スルーホールのアスペクト比は、内部めっきの難しさに影響します。電気めっき溶液を使用して、スルーホールの内部に銅を堆積させます。スルーホール内を完全にめっきするには、めっき液が毛細管現象コアを通してスルーホール内に吸い込まれなければなりません。

マイクロカラム電気めっきに関わる物理学と化学は非常に興味深いものです。毛細管現象の間、表面張力によってめっき液がスルーホールに引き込まれ、銅が壁に沿って堆積し始めます。溶液表面に形成されたメニスカスにより、銅前駆体は、スルーホールのより深い領域で溶液から急速に消費されます。その結果、スルーホールバレルの内側部分は、スルーホールの縁よりも薄いコーティングを有することができる。

スルーホールのアスペクト比が大きいと、スルーホール内部の銅被膜が薄くなり、熱応力によりスルーホールの中心部にクラックが入りやすくなります。粘度の低いめっき液の方が、アスペクト比の高いスルーホールの内部をより効果的に覆うことができます。これにより、スルーホールの構造強度が向上するだけでなく、熱応力耐性の信頼性も向上します。

スルーホールの強度や信頼性はメーカーごとに異なります。これは、スルーホールのアスペクト比が同じであっても発生する可能性があります。スルーホールに堆積する銅の重量と、製造工程で使用される電気めっき法による中心部の厚さにより、信頼性に大きな違いが生じます。 PCB 処理、PCB アセンブリ、および処理工場は、アスペクト比 (設計、信号の完全性、および製造可能性) を通じて PCB 設計を共有しています。