高周波PCB技術 - 高密度HDIビアホールの管理方法

本文の要点：

・高密度相互接続PCB設計

・HDI設計用のビア

・設計規則を用いた効果的なビアリング管理

金物店では各種タイプ、メートル法、材質、長さ、幅、ピッチなどの釘、ネジ類の取付具を管理して陳列する必要があるように、PCB設計分野でも穴を管理するような設計対象が必要で、特に高密度設計ではなおさらです。従来のPCB設計ではいくつかの異なるビアしか使用されていなかったが、現在の高密相互接続（HDI）設計では多くの異なるタイプとサイズのビアが必要となっています。また、各ビアは管理され、正しく使用され、回路基板の性能向上と誤差のない製造性を確保する必要があります。本文では、PCB設計における高密度ビアの管理ニーズおよびその実現方法について詳細に述べます。

高密度PCB設計を駆動する要因

小型電子機器に対する市場の需要が増加するにつれて、これらの機器を駆動するプリント基板も縮小せざるを得なくなり、機器に搭載できるようになりました。同時に、性能向上の要求を満たすために、電子機器は回路基板上により多くのデバイスと回路を追加しなければなりません。PCBデバイスのサイズは減少しているが、ピンの数は増加しているため、より小さなピンとより緊密な間隔を使用して設計しなければならず、問題をより複雑にしています。PCBデザイナーにとって、これは袋がますます小さくなり、中に入っているものが増えていることに相当します。従来の回路基板設計方法はすぐに限界に達しました。

図１顕微鏡下のPCB基板ビア

より小さな回路基板サイズにより多くの回路を追加する需要を満たすために、新しいPCB設計方法が誕生した-高密相互接続、略称HDI。HDI設計はより先進的な回路基板製造技術を採用し、線幅がより小さく、材料がより薄く、ブラインド穴と埋め込み穴、あるいはレーザーで掘削した微孔を備えています。これらの高密度特性のおかげで、より小さな回路基板により多くの回路を配置することができ、マルチピン集積回路に実行可能な接続ソリューションを提供することができます。

これらのHDIビアを使用することにより、他にもいくつかのメリットが得られます。

配線チャネル：ブラインド穴と埋め込み穴およびマイクロ穴がプレート層スタックを貫通しないため、設計に追加の配線チャネルが作成されます。これらの異なるビアを戦略的に配置することで、デザイナーは数百のピンを持つデバイスを配線することができます。標準的なスルーホールのみを使用する場合、このようなピンの多いデバイスは通常、すべての内層配線チャネルをブロックします。

信号整合性：小型電子機器上の多くの信号にも特定の信号整合性要件があり、スルーホールはそのような設計要件を満たすことができません。これらのビアはアンテナを形成し、EMI問題を導入したり、重要なネットワークの信号リターン経路に影響を与えたりします。ブラインドホールと埋め込み穴またはマイクロホールを使用すると、スルーホールを使用することによる信号の完全性の問題を解消することができます。

上述したこれらのビアをよりよく理解するために、次にHDI設計で使用できる異なるタイプのビアとその応用を見てみましょう。

PCB設計ツールのビアリストには、異なるビアのタイプと構成が表示されています。

HDIビアのタイプと構造

ビアは、回路基板に2つ以上の積層が接続されている穴です。一般に、ビアは、PCB基板の1つの層から別の層の対応する配線に配線ベアラの信号を転送します。走査層間で信号を伝導するために、ビアは製造過程で金属メッキされました。具体的な用途によって、ビアのサイズとパッドはそれぞれ異なります。小さなビアは信号配線に使用され、大きなビアは電源と接地配線に使用されたり、過熱したデバイスの放熱を助けたりします。

回路基板上の異なるタイプのビア

スルーホール

貫通孔は、両面プリント配線基板が初めて登場して以来使用されてきた標準的な貫通孔です。穴は機械的に掘削され、回路基板全体を貫通し、電気めっき技術を採用しています。しかし、機械ドリルが掘削できる孔径には、ドリル径と板厚のアスペクト比に応じて制限があります。一般に、貫通孔の孔径は0.15 mm以上です。

ブラインドホール

このような穿孔は貫通孔のように機械的にも穿孔されるが、より多くの製造工程を採用し、表面から一部の板層だけを穿孔する。ブラインドホールも同様にドリルサイズ制限問題に直面しています。ただし、回路基板のどちらに位置するかによっては、ブラインドホールの上または下に配線することができます。

うめこみホール

埋め込み穴はブラインド穴と同様に機械的に掘削されるが、表層ではなく回路基板の内層に止まります。埋め込み板の積層が必要なため、このようなビアも追加の製造工程を必要とします。

マイクロホール

このビアはレーザアブレーションであり、機械ドリルの0.15 mm制限よりも小さい孔径を有します。マイクロホールは回路基板の隣接する2層にしかまたがっていないため、そのアスペクト比はめっき可能なホールをはるかに小さくしています。マイクロホールは、回路基板の表層または内部に配置することもできます。マイクロホールは通常、充填と電気めっきで、基本的には隠し型であるため、ボールグリッドアレイ（BGA）などの素子の表面実装素子溶接ボールに置くことができます。孔径が小さいため、微孔に必要なパッドも通常のビアよりずっと小さく、約0.300 mmです。

HDI設計のための典型的なマイクロホール

設計ニーズに応じて、上記の異なるタイプのビアを配置して、それらを動作させることができます。例えば、微孔は他の微孔と重ねてもよいし、埋め込み孔と重ねてもよいです。これらのビアは交互に配列することもできます。前述したように、微小孔は、表面実装要素ピンのパッド内に配置することができます。表面にボンディングパッドを貼り付けてから扇動して穴を開けるまでの従来の引き廻しがないため、配線の輻輳の問題はさらに緩和されました。

上記の異なるタイプのビアはHDI設計に使用できます。次に、PCB設計者がビアの使用を効率的に管理できる方法を見てみましょう。

PCB設計CADツールにおける高密度ビアリング管理

PCB設計に使用できるオーバーホールは少数のタイプしかありませんが、異なるオーバーホールの大きさや形状を作成する方法はたくさんあります。電源と接地接続のための貫通孔は、通常は数百のピンを持つ大型BGA素子の底に配置された貫通孔を除いて、通常の配線のための貫通孔よりも大きくなっています。これらについては、BGAパッドの他に、表面実装パッドの中の微孔が必要になる場合があります。大きな要素は微孔の使用の恩恵を受けるが、微孔はピンの少ない従来の表面実装要素には適していない、この配線の場合は、標準の貫通穴を使用することをお勧めします。これらの貫通孔は電源や接地貫通孔よりも小さく、放熱用の貫通孔はより大きい。また、さまざまなサイズのブラインド穴や埋め込み穴を使用することもできます。

明らかに、HDI設計では、すべての設計ニーズを満たすために多くの異なるビアが必要であるため、戸惑いやすいです。デザイナーはその中のいくつかのビアを追跡することができるが、ビアのサイズ仕様が多くなるにつれて、ビアの管理が難しくなってきています。設計者はこれらのすべてのビアを管理しなければならないだけでなく、回路基板の領域に応じて、異なるビアを同じネットワークに使用することができます。例えば、クロック信号はSMTパッド中の微小孔を通ってBGAピンから引き出されてもよいが、その後、その線路の次の段で埋め込み孔に戻ります。しかし、このネットワークでは、追加の筒状穴壁が線路上に不要なアンテナを生成する可能性があるため、従来のビアを使用しないでください。

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