高速デジタルPCBにおけるブラインド・埋め込みビア設計の習得

ブラインド/埋め込みビアの主要パラメータと性能指標

大規模・超大規模集積回路のシステム応用増加に伴い、チップ集積度拡大、小型化、ピン数増加、高速化により、回路基板は多層化・複雑化の傾向を示しています。ほとんどの高速多層PCBはスルーホールビアで層間接続を実現しますが、表層から裏層まで貫通しない電気接続では、冗長なスルーホールビアスタブが生じ、PCB伝送品質を著しく悪化させます。したがって、高性能・高要求な高速デジタルシステムでは、冗長スタブの影響を無視できません。コストと性能のバランスを図る試みとして、ブラインド/埋め込みビア設計が登場し、冗長スタブ効果を効果的に回避してシステム伝送品質を向上させます。

本稿ではブラインド/埋め込みビア設計を研究対象とし、モデリングシミュレーションを通じて、ビア径、パッド、アンチパッドなどのパラメータがSパラメータやインピーダンス連続性などの信号特性に与える影響を分析し、高速PCBブラインド/埋め込みビア設計への実践的指針を提供します。

ビアの分類と等価電気モデル

高速デジタル回路多層PCBでは、あるプレーンの配線と別プレーンの配線を接続するためにビアが必要です。ビアは異層間配線を接続する電気導体です。PCB設計差異により、ビアはスルーホールビア、ブラインドビア、埋め込みビアに分類されます（図1）。

• スルーホールビア： PCB全層を貫通し、層間相互接続や部品位置決め用ビアとして使用。
• ブラインドビア： PCB全層を貫通せず、内層と表層配線を接続。
• 埋め込みビア： PCB内層間のみを接続。外観からは直接見えない。

ビアを単なる電気接続と見なすことはできず、信号品質への影響を考慮する必要があります。ビアアーキテクチャ設計が高速デジタル回路性能に与える影響を深く理解することは、信号品質問題の優れた解決に役立ち、高速デジタルシステム設計の最適化と高速信号伝送品質向上につながります。

高速回路におけるビアの等価電気モデルを図2に示します（C₁、C₂：寄生容量、L：寄生インダクタンス）。

このモデルに基づき、高速回路の全ビアはグランドに対する寄生容量を生成します。寄生容量は以下の式で計算可能です：

式中、ビア寄生容量＝アンチパッド径、ビアパッド径、基板材料誘電率、PCB厚みの関数です。高速デジタル回路では、ビア寄生容量により信号立ち上がり時間が遅延・低下し、回路速度が低下します。特性インピーダンスZ₀の伝送線路では、寄生容量と信号立ち上がり時間の関係は以下の式で表せます：

高速信号がビアを通過する際、寄生インダクタンスも生成されます。高速デジタル回路では、寄生インダクタンスの影響が寄生容量より大きいです。寄生インダクタンスは以下の式で計算可能：

式中、ビア寄生インダクタンス＝ビア長さとビア径の関数です。また、寄生インダクタンスによる等価インピーダンスも無視できず、等価インピーダンスと寄生容量・立ち上がり時間の関係は以下の式で表せます：

上記式より、ビア電気性能は設計パラメータに応じて変化します。ビア径、長さ、パッド、アンチパッドの変更は高速回路でインピーダンス不連続を生じ、信号品質に大きく影響します。本稿の信号特性分析は、S₁₁（反射損失）とS₂₁（挿入損失）の指標に基づきます。挿入損失減衰度が-3dB未満の場合、有効帯域幅を用いてブラインド/埋め込みビアの信号伝送性能を判断・分析します。さらに、TDRシミュレーションでインピーダンス不連続による反射を分析可能です。

ブラインド/埋め込みビアのモデリングシミュレーションと結果分析

ブラインド/埋め込みビアが高速PCB信号特性に与える影響を研究するため、HFSSソフトウェアで8層PCBモデルを設計しました（図3）。

このPCBでは、層1-2、4-5、7-8が信号層、第3層が電源層、第6層がグランド層、各層厚0.2mm（8mil）、誘電体材料FR-4、誘電率4。信号線路幅0.1mm（4mil）、厚み0.13mm（1.1mil）。シミュレーションでは信号立ち上がり時間20ps、最高スイープ周波数100GHzに設定。

ブラインド/埋め込みビアとスルーホールビアの信号特性比較

第1層から第5層へ信号線を接続する場合、ブラインドビアを適用可能。ブラインドビア半径0.1mm（4mil）、長さ0.81mm（32mil）に設定。

比較のためスルーホールビア接続も設計し、半径0.1mm。この場合スルーホールビアスタブ長は0.6mm。

シミュレーション結果：40～80GHz帯域で、ブラインドビアの反射損失（S₁₁）は4～7dB、スルーホールビアは4～10dB。挿入損失（S₂₁）ピークはブラインドビア76GHz、スルーホールビア52GHz。挿入損失-3dB基準での動作帯域幅は、ブラインドビア22GHz、スルーホールビア15GHz。

特性インピーダンス変化範囲は、ブラインドビア46～52Ω、スルーホールビア42～53Ω。ブラインドビアの方が伝送線路インピーダンス連続性に優れます。Sパラメータ安定性とTDR特性インピーダンス変化から、ブラインドビアは表層-内層間、または裏層-内層間の信号線接続でスルーホールビアより優れた伝送品質を示します。

第2層から第5層へ接続する場合、埋め込みビアを適用。半径0.1mm、長さ0.57mm。比較用スルーホールビア半径0.1mm、第1-2層間スタブ0.23mm、第5-8層間スタブ0.6mm。

シミュレーション結果：40～80GHzで埋め込みビア反射損失（S₁₁）は4～8dBで滑らか。スルーホールビアは4～10dB、特に32GHzで13dBへ急変し伝送安定性に影響。挿入損失（S₂₁）ピークは埋め込みビア77GHz、スルーホールビア54GHz。-3dB基準動作帯域幅：埋め込みビア32GHz、スルーホールビア20GHz。

特性TDR変化範囲：埋め込みビア41.8～52Ω、スルーホールビア37.5～52Ω。埋め込みビアの方がインピーダンス連続性に優れます。Sパラメータ安定性とTDRから、埋め込みビアは内層間信号線接続でスルーホールビアより優れた伝送品質を示します。

ブラインド/埋め込みビア径、パッド、アンチパッドの信号特性への影響

ブラインド/埋め込みビアのパッドとアンチパッドサイズを固定し、ビア半径初期値0.1mmを0.1～0.175mmで変化させた場合：

• ブラインドビア半径0.1→0.175mmでインピーダンス変化範囲6→13.5Ω、インピーダンス不連続度増大、挿入損失S₂₁範囲拡大。20～60GHzで最大減衰1.7dB増。
• 埋め込みビア半径4→7milでインピーダンス変化範囲10→17Ω、不連続度増大、S₂₁範囲拡大。20～60GHzで最大減衰1.6dB増。

ビア径とアンチパッド固定で、パッド半径初期値0.2mmを0.2～0.28mmで変化：

• ブラインドビアパッド0.2→0.28mmでインピーダンス変化範囲6.5→10.5Ω、S₂₁範囲拡大、最大減衰2dB増。
• 埋め込みビアパッド0.2→0.28mmでインピーダンス変化範囲10.5→15.5Ω、不連続度増大、S₂₁範囲拡大、最大減衰3.2dB増。

ビア径とパッド固定で、アンチパッド初期値0.3mmを0.3～0.375mmで変化：

• ブラインドビアアンチパッド0.3→0.375mmでインピーダンス変化範囲6.5→5.5Ω、不連続度とS₂₁範囲が減少、最大減衰3.2dB増。
• 埋め込みビアアンチパッド0.3→0.375mmでインピーダンス変化範囲10→7.5Ω、不連続度とS₂₁範囲減少、最大減衰3dB増。

結論

HFSSで構築した8層ブラインド/埋め込みビアPCBモデルにより、Sパラメータと特性インピーダンスTDRを比較。ブラインド/埋め込みビアはスルーホールビアより挿入損失が小さく、インピーダンス不連続も優れています。挿入損失-3dB条件下で、ブラインド/埋め込みビアはスルーホールビアより広い動作帯域幅を持ちます。

ビア径、パッド、アンチパッドがブラインド/埋め込みビア信号特性に与える影響も分析しました。ブラインド/埋め込みビア径とパッドサイズ増大に伴い、信号挿入損失減衰は縮小するがインピーダンス不連続度は増大。一方、アンチパッドサイズ増大では、挿入損失減衰とインピーダンス不連続度の両方が縮小します。

設計ガイドライン（挿入損失-3dB、有効動作帯域幅20GHz達成目標）：

• ブラインドビア半径 ≤ 0.175mm、埋め込みビア半径 ≤ 0.23mm
• ブラインドビアパッド ≤ 0.25mm、埋め込みビアパッド ≤ 0.275mm
• ブラインドビアアンチパッド ≥ 0.25mm、埋め込みビアアンチパッド ≥ 0.23mm

インピーダンス変化範囲 ±10% 制御目標：

• ブラインド/埋め込みビア半径 ≤ 0.125mm
• ブラインドビアパッド ≤ 0.25mm、埋め込みビアパッド ≤ 0.175mm
• ブラインドビアアンチパッド ≥ 0.275mm、埋め込みビアアンチパッド ≥ 0.4mm

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参考資料

• ブラインドビアと埋め込みビアの比較
• PCBCartのフル機能PCB製造サービス
• PCB製造以外にも、PCBCartは高度なターンキーPCB実装サービスを提供
• クイックPCB実装見積もり・生産のためのPCB設計ファイル要件
• HDIフレックスリジッドPCBにおける埋め込み・ブラインドビアの知られざる3つの重要要素