高速 PCB 設計でスルーホール技術 (THT) を最大限に活用する方法

現在、高速 PCB 設計は、電気通信、コンピューター、グラフ、画像処理などの多くの分野で広く適用されており、すべてのハイテク付加価値製品は、低消費電力、低電磁放射、高信頼性、小型化、軽量化を目指して設計されています。重さ。これらの目標を達成するために、スルーホール技術 (THT) の設計と実装は、高速 PCB 設計において非常に重要です。

スルーホール技術

スルー ホールは、多層 PCB 設計に不可欠な部品の 1 つです。スルー ホールは、ビア、パッド、および電源プレーンの分離領域の 3 つの部分で構成されます。これは、次の図で示すことができます。 THT は、回路基板の各内部層または平面からの銅箔を互いに接続できるように、穴の壁に金属の層を化学蒸着法でメッキすることによって得られます。スルーホールの2辺は通常のパッド形状で生成され、どちらも上下層のトレースで直接接続することができ、未接続のままにすることもできます。スルー ホールは、電気接続、固定、およびコンポーネントの位置決めに役割を果たします。

THTに関する限り、スルーホールは一般にスルーホールビア、ブラインドビア、埋め込みビアに分類されます。
a.スルーホールビアは、回路基板のすべての層を貫通し、内部相互接続または位置決め穴としての役割を果たします。スルーホール ビアは技術的に低コストで利用できるため、ほとんどの PCB で広く適用されています。
b.ブラインド ビアとは、表面トレースと内部トレースを特定の深さで接続するための穴のことです。
ビアの深さとビアの直径の比は通常一定の値を超えない。
c.埋め込みビアとは、回路基板の表面に展開できないため、PCB 基板の外観からは見えない内層にある接続ビアを指します。

ブラインド ビアと埋め込みビアの両方が回路基板の内層に配置され、積層の前に生成されます。

THT の寄生容量

スルー ホールには、グランドに対する寄生容量があります。グランドプレーンの絶縁ビアの直径は D₂ です;スルーホールパッドの直径はD₁; PCBの厚さはTです。基板材料の誘電率はεです。すると、スルーホールの寄生容量は、C=1.41εTD₁ で計算できます。 /(D₂ -D₁ )

寄生容量が回路に及ぼす主な影響は、信号の立ち上がり時間が長くなり、回路の実行速度が低下することです。したがって、寄生容量が低いほど良いのです。

THT の寄生インダクタンス

スルーホールにも寄生インダクタンスがあります。高速デジタル回路の設計プロセスでは、通常、寄生インダクタンスによるハザードは寄生容量によるハザードよりも大きくなります。寄生直列インダクタンスは、バイパス容量の機能を弱め、電力システム全体のフィルタリング効果を低下させます。スルーホールのインダクタンスをL、スルーホールの長さをh、ビアの直径をdとすると、スルーホールの寄生インダクタンスは、L=5.08h[In(4h/d)+1]の式で求めることができます。

その式に基づくと、スルー ホールの直径がインダクタンスに関連することはほとんどなく、インダクタンスに影響を与える最大の要素はスルー ホールの長さです。

非 THT (ブラインド ビアと埋め込みビアを含む)

非 THT に関して言えば、ブラインド ビアおよび埋め込みビアのアプリケーションは、PCB のサイズと層数を含む品質を劇的に削減し、電磁適合性 (EMC) を改善し、コストを最小限に抑えることができます。さらに、設計作業がはるかに簡単になります。従来の PCB 設計および PCB 製造プロセスでは、スルー ホールは通常、多くの問題を引き起こします。まず、有効スペースの大部分を占めています。第二に、スルー ホールの密度が高すぎると、PCB ボードの内部トレースに問題が生じます。

PCB 設計では、パッドとスルー ホールのサイズは常に縮小されていますが、基板の厚さが不均衡に減少するとアスペクト比が上昇し、アスペクト比が増加すると信頼性が低下します。レーザー穴あけ技術とプラズマ ドライ エッチング技術の成熟により、非 THT スモール ブラインド ビアと埋め込みビアが別の可能性になりました。これらの穴の直径が 0.3mm の場合、寄生パラメータは従来のビアの 10 分の 1 になり、PCB の信頼性が向上します。

非 THT を適用すると、多くの大きなスルー ホールが PCB ボード上に配置されるため、トレース用に多くのスペースを残すことができます。残りのスペースは、EMI/RFI パフォーマンスを向上させるために、大規模なエリアのシールドとして使用できます。さらに、より多くの残りのスペースを内部コンポーネントと主要なネットワーク ケーブルの部分シールドとして使用して、最適な電気的性能を発揮できるようにすることもできます。非 THT ビアの適用により、コンポーネント ピンが貫通しやすくなり、BGA (ボール グリッド アレイ) コンポーネントなどの高密度ピン コンポーネントのトレースが容易になります。

通常の PCB での THT 設計

通常の PCB 設計段階では、寄生容量と寄生インダクタンスがスルー ホールに影響を与えることはめったにありません。 1 ～ 4 層の PCB 設計に関する限り、0.36mm、0.61mm、または 1.02mm などの直径のスルー ホールを、ビア、パッド、およびグランド プレーンの分離領域にそれぞれ選択できます。特別な要件を持つ一部の信号トレースは、直径 0.41mm、0.81mm、および 1.32mm のスルー ホールに依存する場合があります。

高速 PCB の THT 設計

上記の THT の寄生特性から、高速 PCB 設計では単純に見える THT が回路設計に大きな悪影響を与える傾向があることがわかります。 THT の寄生効果に由来する悪影響を軽減するために、次のヒントを参考にしてください。
a.適切な THT サイズを選択する必要があります。複数の層と通常の密度の PCB 設計になると、THT は、ビア、パッド、および分離領域のスルー ホール パラメータがそれぞれ 0.25mm、0.51mm、および 0.91mm になるように選択する必要があります。高密度 PCB では、ビア、パッド、絶縁領域用に 0.20mm、0.46mm、0.86mm のパラメータでスルー ホールを選択することもできます。非THTも選択的です。電源やグランドに関わるスルーホールは、大きなサイズのスルーホールを選択してインピーダンスを下げることができます。
b.電源プレーンの分離領域が大きいほど、優れています。スルーホール密度に関する限り、D₁ の値は 通常は D₂ の合計です
c．
d.信号配線は層間を跨がないように配置する、つまりスルーホールの数を少なくするのが最適である。
d.より薄い PCB は、寄生パラメータの低減に有益であるように活用されます。
e.スルー ホールは電源ピンとグランド ピンのできるだけ近くに配置し、THT とピンの間のリードはできるだけ短くする必要があります。これらはインダクタンスの改善につながるからです。さらに、インピーダンスを下げるために、電源とグランドのリード線をできるだけ太くすることができます。

もちろん、特定の問題は、PCB 設計段階で具体的に分析する必要があります。コストと信号品質という 2 つの側面を避けることはできません。許容できるコストで最適な信号品質を実現するには、高速 PCB 設計時にバランスの取れた考慮事項を考慮する必要があります。

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