ビアの種類：PCB相互接続の包括的ガイド

エレクトロニクスとコンピューティングデバイスでは、回路は制御プロンプトから画面へ様々な信号を伝送する小さな緑色の基板によって伝導されます。例えば、すべてのスマートフォン内部には、数千の異なる機能とコマンドの信号を伝導する様々なチップとコンポーネントを持つプリント基板（PCB）があります。タッチスクリーンのプロンプトを押すたびに、内部基板上の信号の一つをアクティベートしています。これらの信号のほとんどは、PCBビアを通じて伝導されます。

ジャンプ先： ビアとは？｜ビアの主な種類｜PCBに適したビア要件の決定方法

ビアとは？

プリント基板において、ビアは導電目的で基板の層を貫通する穴です。各穴は、回路層間で電気信号を通す導電パスとして機能します。ビアはプリント基板の様々なレベルを貫通します。PCBの設計によっては、トップからボトムまですべての層を貫通する穴が必要な場合があります。あるいは、一部のビアはトップまたはボトム層のみを貫通し、一部は内層を通して配置されます。プリント基板のビアには様々なオプションがあります。

ビアはプリント基板で最も重要な機能の一つです。したがって、基板製造に関わるコストの相当部分を占めます。

これらの異なる種類のビアが同じ基本目的を果たすにもかかわらず、特定のPCB設計では特定の種類のビアが他より適しています。この記事では、PCB設計における様々な種類のビアと、それぞれがプリント基板上で電気接続をどう促進するかを説明します。

 

ビアの主な種類

PCB層での位置により、ビアには2つの主要カテゴリがあります。ブラインドホールとベリッドホールです。

ブラインドホールでは、穴が基板のトップまたはボトム層を貫通しますが、内部層のいずれにも達する前に止まります。光に基板をかざしても見通せないため、ブラインドホールと呼ばれます。ブラインドホール作成プロセスは、基板のどこでドリルを止めるかを知る必要があるため困難です。そのため、多くのPCBメーカーはこのタイプのホールめっきを避けます。

もう一つのビアタイプはベリッドホールで、一つ以上の内部層を通して現れることがあります。ベリッドホールは層間にサンドイッチされているため、肉眼では見えません。多層基板でブラインド層を持つには、トップとボトム層が基板に適用される前に、内部層でのホールめっきをPCB組立の早期段階で完了させる必要があります。

ビアがどこに配置されても、以下の3つの主要タイプのいずれかである可能性が高いです。

• スルーホール
• ビアインパッド
• マイクロビア

1. スルーホール

最も明確なビアタイプはメッキスルーホールで、多層基板のすべての層を貫通します。スルーホールは通常、ブラインドホールとベリッドホールより大きく、肉眼で識別しやすいです。光に基板をかざすと、光がメッキスルーホールを直線的に貫通します。スルーホールは、ブラインドホールのように穴の深さを気にせず単純にすべての層を貫通ドリルできるため、作成も容易です。

スルーホール技術は20世紀半ばにポイントツーポイント構造に取って代わって登場しました。1950年代から1980年代にかけて、プリント基板上のほぼすべての機能がスルーホールに取り付けられていた時期に最も一般的でした。

スルーホール技術の初期には、PCBのトラックは上面のみに印刷されていました。技術が進歩するにつれ、印刷は両面に現れるようになりました。最終的に多層基板が使用されるようになり、この時点でスルーホールは導電層間の接点を可能にするメッキスルーホールに更新されました。今日、メッキスルーホールはPCBの異なる層を接続するために使用されます。スルーホールは通常、ワイヤーリードを持つコンポーネントの実装に使用されます。アキシャルリードコンポーネントはこれらの穴を通して配置され、短距離の接続に使用されます。

スルーホールは、1990年代と2000年代にコンピュータタワーで使用された大型マザーボードでよく見られます。PCBスルーホールコンポーネントは、これらの古いマザーボードに差し込まれた古いPCI（ペリフェラルコンポーネントインターコネクト）カードでも見られました。例えば、タワー内部のPCIスロットに接続されるサウンドカードは、通常スルーホールで基板に取り付けられたコンポーネントを特徴としていました。同様の機能は、今日のオールインワンフラットスクリーンデバイスより前の古いコンピュータのグラフィックカードにも見られました。

小型・コンパクトなモバイルコンピューティングデバイスと電子ガジェットの人気増大に伴い、PCBはスルーホールコンポーネントをほとんど、あるいは全く含まない設計になっています。したがって、大型スルーホールを含む基板を設計者が使い続ける理由はほとんどありません。これらは、マイクロビアでより効率的に活用できる基板スペースを大量に消費するためです。実際、設計者が基板を小型に保つには、マイクロビアと表面実装を可能な限り使用すべきです。この傾向が続けば、スルーホールは今後数年で完全に段階的に廃止されるでしょう。

 

2. ビアインパッド

今日のプリント基板でより人気のある設計の一つは、ボールグリッドアレイ（BGA）パッドへのビア適用、別名ビアインパッドです。ビアインパッド設計では、ビアがPCBのBGAパッド上に配置されます。この設計が人気になったのは、ビアに必要なスペース量を最小化できるためです。したがって、ビアインパッドにより、メーカーは信号をルーティングするためにより少ないスペースを必要とする、より小さなプリント基板を作れます。ビアインパッドは、ポケットに入る、時には手首に装着するように設計された今日のコンパクトな電子・コンピューティングデバイスに最適な技術です。

ビアインパッド設計は、ホールがコンポーネントの直下の層に直接接続するため、ルーティングに特に便利です。これにより、デバイスのフットプリント外周を外れるリスクなしに信号をルーティングできます。

ただし、すべてのメーカーがBGAパッドへのビア配置を採用しているわけではありません。一部のPCBメーカーにとっての主な欠点の一つは、パッドを純銅または銅で覆われた非導電性材料で充填する必要があることです。そうでなければ、半田がパッドから流れ出し、PCBが接続性を失います。

一部のメーカーにとってのもう一つの制約要因は、ビアにコストと時間がかかる追加ステップが必要なことです。一部の設計者は単純にPCB作成コストを増やしたくありません。さらに、パッドにビアを配置すると、必要なドリル直径が変わります。

これらの問題にもかかわらず、BGAパッドへのビア配置には様々な利点があります。コストを度外視すれば、より小さな基板、そして究極的により小さなデバイスを作れます。特定の現代ガジェットとモバイルデバイスでは、ビアインパッド設計が唯一の選択肢かもしれません。

標準ビアレイアウトでは、ソルダーマスクを適用してビアへの半田流入を防止できます。ビアインパッド設計では、空気が閉じ込められるとPCB生産中にアウトガスを引き起こすため、バレルを充填なしでフリーにしておくことはできません。したがって、BGAパッドに配置する際はビアを充填する必要があります。設計を機能させるには、フラットな平面も必要です。これにより、微細ピッチBGAをほぼ問題なく接続できます。

インパッドビアはエポキシで充填できます。これはドリルとめっきステップ後に行うべきです。もう一つのオプションは銅で充填することです。これはビアがレーザーアブレーションされている場合に機能します。どちらの方法を選んでも、パッドがホール直径に十分大きく、十分な公差があることを確認する必要があります。さらに、設計はIPCクラス2と3の基準を満たす必要があります。

ビアインパッドが標準ビアレイアウトより優れているかどうかまだ迷っている場合、PCBメーカーに相談し、新技術が彼らの基板をどう変えたかを見るべきです。

 

3. マイクロビア

PCB設計において、150ミクロン未満のビアはマイクロビアとして知られ、多くの高密度相互接続（HDI）基板で使用されます。設計者はマイクロビアを好みます。穴のサイズが小さく、ドリルが必要なホールより基板上で遥かに少ないスペースを消費するためです。マイクロビアでは、層が銅めっきで互いに接続されます。

マイクロビアは円錐形で作られ、これによりビア側面を銅めっきしやすくなります。マイクロビアは隣接する2層を貫通できますが、それ以上は貫通できません。基板設計で複数層を貫通するビアが必要な場合、複数のマイクロビアを適切にスタックする必要があります。

製造観点から、スタックマイクロビアの作成はコストと時間がかかるプロセスです。一つのマイクロビアの上に別のマイクロビアが必要な基板では、最も一般的な設計は2つのマイクロビアを特徴とします。スタックに関しては、究極の限界は4つのマイクロビアです。しかし、高コストのため4つのマイクロビアがPCB製造で適用されることは稀です。

スタックマイクロビアの代替オプションはスタッガードマイクロビアで、2番目または3番目のマイクロビアが上のものより一段下がった階段状に配置されます。スタックマイクロビアと同様、スタッガードマイクロビアも多層PCBでは製造が困難かつ高コストです。

マイクロビアが基板の外層から入り、内層に達して止まる場合、それはブラインドマイクロビアと呼ばれます。ブラインドマイクロビアでは、プリント基板上の配線密度を高められます。外層の信号を基盤層にルーティングする必要がある場合、ブラインドマイクロビアが最短距離を提供するため特に有利です。HDI基板では、ブラインドマイクロビアにより、例えばマイクロビアを上位2層または下位2層に配置できる4層PCBのような、多層基板でのスペース最適化が可能になります。

一部のケースでは、マイクロビアが2層全体を貫通します。この説明に当てはまるブラインドビアはスキップビアと呼ばれます。しかし、メーカーはスキップビアを推奨しません。穴の性質上、めっきに関する問題が生じる可能性があるためです。

PCBの2つの内層を接続するマイクロビアは、ベリッドマイクロビアとして知られます。ベリッドマイクロビアをPCB設計に含めるには、ホールを含む層をまずドリルし、その後外層を適用する必要があります。ベリッドマイクロビアでは、プリント基板の2つの内層を接続できます。ドリルは機械工具またはレーザーで実行できます。

PCBにマイクロビアを配置する際、ホールサイズのアスペクト比に注意を払うことが重要です。そうでなければ、基板を適切にめっきすることが不可能になる可能性があります。

 

PCBに適したビア要件の決定方法

PCB設計で選択するビアタイプは、基板のサイズと目的に基づくべきです。古い大型コンピューティングデバイスで使用される基板を作る場合、古い基準に準拠したPCB設計が必要でしょう。なぜなら、新しいものは問題のデバイスと互換性がない可能性が高いためです。これらの古いデバイスの一部では、スルーホールコンポーネントを持つ大型PCBが唯一の選択肢となるでしょう。

より小さなデバイス向けのPCBを設計する場合、小さな基板に収まるデバイスでスペースを最大化する必要があるため、スルーホールコンポーネントを使用する理由は実質的にありません。例えば、PCB設計がわずか1平方インチのサイズしかない場合、許容される少ないスペースに伝導すべき信号が多すぎるため、大型スルーホールに必要なスペースはありません。そのサイズの基板は、短距離で強力な信号を伝達できるブラインドマイクロビアで遥かによく機能します。

ただし、マイクロビアでより小さなPCBを作るプロセスは、そのような基板が伴う労力により、より多くの投資を必要とする可能性があります。しかし、これらの小さな基板の利点は、特に新しく画期的なデバイスを販売していて、最終的に大ヒットになる可能性がある場合、投資を容易に回収できます。

 

Millennium CircuitsからのPCB製品とサービス

プリント基板の設計において、ブラインドおよびベリッドマイクロビアなど、選択できるビアの配列があります。今日のより小さなPCBでは、マイクロビアにより、20年前には一般的だったかさばるスルーホールコンポーネントの性能を超える速度と処理能力で、デバイスに多数の機能を搭載できます。最もコンパクトで最適なPCB設計を生み出すには、これらのピースを組み立てられるチームが不可欠です。Millennium Circuitsに問い合わせて、PCB製品とサービスの見積もりを取得してください。