ブラインドビアとバリードビアとは何か、そしてどのように使用されるのか？

私の以前の記事のいくつかや他の多くの公開文書で指摘されているように、コンポーネントのリードピッチはますます細かくなり、小型フォームファクターのデバイスが今日開発されている製品（携帯電話など）の大部分を占めるようになってきました。

これらの混雑したPCBの両面にコンポーネントを接続する方法は、製品開発チームが最初に考慮すべき要因の一つであるべきです。通常、この接続プロセスはブラインドビアとバリードビアの使用を通じて行われます。この記事では、使用されるビアの各種類、その応用と利点、およびその短所について説明します。

いくつかの基本と起源の歴史—ブラインドビア

まず、ビアの起源に少し踏み込み、それらがどのように使用されるかを理解することが役立ちます。ビアは、PCBの一方の面から他方の面、または内層に信号を通すために、穿孔されメッキされた穴です。ビアは、コンポーネントのリードを信号トレースやプレーンに接続したり、信号が信号層を変更するのを許可するために使用できます。ビアがPCBを通り抜ける場合、それはスルーホールビアまたはスルービアと呼ばれます。

図1. 様々なタイプのビア

ブラインドビア

ビアがPCBの一方の面から始まり、完全に通り抜けない場合、それはブラインドビアと呼ばれます。ブラインドビアの4つのタイプは以下の通りです：

• フォト定義ブラインドビア。
• シーケンシャルラミネーションブラインドビア。
• 制御深度ブラインドビア。
• レーザードリルブラインドビア。

これらのタイプは以下で詳しく説明されています。

フォト定義ブラインドビア：フォト定義ビアは、フォトセンシティブ樹脂のシートをコアに積層して作成されます（このコアは、電源プレーンやいくつかの埋め込み信号層を含む積層層で構成されています）。フォトセンシティブ材料の層は、穴を作成する領域を覆うパターンで覆われ、その後、PCB上の残りの材料を硬化させる波長の光にさらされます。これに続いて、PCBはエッチング溶液に浸され、穴の中の材料が除去されます。これにより、次の層へのパスが作成されます。エッチングプロセスの後、穴とPCBの外表面に銅がめっきされ、PCBの外層が作成されます。この操作は通常、PCBの両側で同時に行われ、両側に層が追加されます。

フォト定義ビアは、多層有機BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージや携帯電話のPCBを作成するために一般的に使用されます。それらを使用する利点は、数千のブラインドビアを作成するコストが、たった一つを作成するコストと同じであることです。少数のブラインドビアのみが必要な場合、その使用はコストの不利益となります。

TRANSLATE: シーケンシャル・ラミネーション・ブラインド・ビア：シーケンシャル・ラミネート・ブラインド・ビアは、非常に薄いラミネート片を二層PCBを作成するために必要な全工程を経て処理することで作成されます。ラミネートはドリルで穴を開け、めっきされ、エッチングされて、ボードの第2層を形成する側の特徴を定義します。もう一方の側は固体の銅シートのまま残され、完成したPCBの第1層を形成します。このサブアセンブリは、PCBの他の全層とともにラミネートされます。その結果得られた組み合わせたラミネーションは、多層PCBの外層を作成するために必要な全工程を経て処理されます。シーケンシャル・ラミネーション・ブラインド・ビアは、多くの初期の携帯電話PCBの作成に使用されました。これは、追加のプロセスステップが必要であり、ドリル、エッチング、めっき操作を通じて非常に薄いラミネートを取り扱う際の歩留まり損失が関連しているため、ブラインド・ビアを形成する最も高価な方法です。その結果、ブラインド・ビアが必要な場合には最後の手段として考慮されるべきです。

制御深さドリルブラインドビア：図1からわかるように、制御深さのブラインドビアはスルーホールビアと同じ方法で作成されます。ここでは、ドリルがPCBを部分的にしか貫通しないように設定されます。アートワークの設計者は、ドリルによって貫通される第2層にパッドを配置します。ドリル穴の下にドリル穴と接触する可能性のある特徴がないように注意が払われます。銅は、スルーホールビアの銅がめっきされるのと同時に、ドリル穴にもめっきされます。

制御深さビアは、追加の機器やプロセスステップが必要ないため、ブラインドビアの中で最も安価なタイプです。これらのビアの制限は、穴が機械ドリルで作成できるほど大きくなければならず、その下のエリアはドリル穴によって偶然触れられる可能性のある回路からクリアに保たれなければならないことです。

レーザードリルブラインドビア：これらは、PCBのすべての層が積層された後、外層がエッチングされめっきされる前に作成されます。レーザーは、外層の銅と第1層と第2層の間の絶縁材料をアブレーション（除去）するために使用されます。このプロセスで使用されるレーザーには2種類あります：

• CO₂レーザー
• エキシマレーザー

CO₂レーザーは最も強力なレーザーであり、そのため穴を素早くあける能力を持っています。このレーザーの問題点は、光の波長が第1層の銅を除去しないことです。その結果、レーザーによる穴あけステップの前に、銅の穴をエッチングするためのエッチングステップを行う必要があります。加工ステップをもう一つ増やすだけでなく、必要なフォトイメージングステップは、レーザー使用時には見えない第2層のパッドとフォトマスクマスクを合わせるというアライメント問題を伴います。

エキシマレーザーは、銅層とその下の誘電体材料の両方を貫通し、一段階でブラインドビアを形成する能力があります。このタイプのレーザーは、銅層を事前に穿孔する必要がなく、追加のアートワークも不要であるため、レーザー穿孔されたブラインドビアに選ばれるレーザーとなっています。レーザーが銅と誘電体の両方を貫通できるため、外層の銅とその下の誘電体を通過する穴が、第2層の銅パッドを切断しないように設定する際には注意が必要です。

図2は、第2層のパッドを穿孔せずに、穴の中の不要な材料をすべて取り除いたレーザー穿孔された穴を示しています。

ブラインドビアの電気的利点

信号線のビアは、メッキスルーホールのバレルとそれを通過する平面によって生じる寄生容量に悩まされます。この寄生容量は、主にPCBを通過する円筒形のメッキスルーホールの外側の面積によって決まります。この面積は、ドリルの直径とPCBの厚さによって決定されます。今日の高データレートでは、この寄生容量が信号を成功裏に使用できないほど劣化させる可能性があります。したがって、この寄生容量を減少させる方法が必要です。ブラインドビアは、ビアの長さを短くし、その直径を減少させることでこれを実現します。その結果、ブラインドビアは4.8 Gb/sを超える速度で動作する信号線を接続する良い方法です。

ブラインドビアの短所

PCBが積層された後にドリルで開けられるブラインドビア（フォト定義、制御深度、レーザー）を使用する際のいくつかの欠点があります。最初の制限は、穴の深さと直径です。ブラインドビアはPCBの表面にある盲孔です。穴の深さがその直径に比べて深い場合、銅が穴の底と側面に堆積されるようにメッキ化学薬品をこの穴に入れることは困難です。メッキが成功裏に行われることを保証するためには、穴の直径はその深さと同じくらい大きくなければなりません。これはアスペクト比が1:1以下であると定義されます。多くの製造業者は、適切なメッキを保証するために、穴の深さの1.5倍の直径が必要です。ほとんどの場合、これはPCBの第2層以下にブラインドビアをドリルすることを妨げます。開発エンジニアは、

図2

に示されているような0.5mmピッチのコンポーネントを使用して、第1層または

2

層のいずれかで全てのピンを接続できなければなりません。

この図に示された部品ではこれを行うことができなかったため、多くのピンが部品の下からファンアウトされ、PCB内のより深い層への貫通穴接続が可能になりました。

ブラインドビアを使用する際の2つ目の制限は、意図した層でドリルを停止させる能力を持つことです。レーザードリルを使用する場合、第1層の銅とその下の誘電体材料を貫通させなければならず、第2層にある銅接続パッドを貫通してはなりません。これは、レーザービームを慎重に調整する必要があることを意味します。制御深度ドリルを使用する場合、接続が行われる層より下の層にある銅に触れる前にドリルを停止させなければなりません。

ブラインドビアに関連する3つ目の問題は、ブラインドビアが配置されたパッドにコンポーネントをはんだ付けすることに関連しています。穴によって信頼性の問題が発生する可能性があります。（私たちの本の第1巻の参照47でこの問題について説明しています）。はんだペーストがパッドに適用されると、ブラインドビア内の空気が穴の下、ちょうどBGAの下に閉じ込められます。この微小な気泡は、PCBがさまざまな動作温度を経る際に、ジョイントが十分に弱まり、オープンサーキットが発生する原因となります。この問題を解決するには2つの方法があります：

1. 穴を図4に示すように、めっき銅で完全に埋めてください。

2. パッドの横にブラインドビアをドリルします。

図4. 表面ビアが銅で満たされた積層ブラインドビア

図4では、3つのブラインドビアが一つ上のもう一つに積層されています。下のビアは、PCB内の他のビアと一緒に形成されました。上の2つのビアは、以下で説明するビルドアッププロセスを使用して形成されました。各ビアは図1に示されているように形成されました。ブラインドビアと他のすべてのビアにめっきを施した後、パネルはめっき抵抗操作に戻され、新しい抵抗層が露出し、ブラインドビアのみが露出するパターンにさらされました。その後、ブラインドビア内の空洞が完全に埋まるまで銅がめっきされました。この操作は、しばしばボタンめっきと呼ばれます。すべてのブラインドビアが銅で満たされることを確実にするために、銅が表面より上に突き出るまでめっき操作が行われます。めっきプロセスが完了した後、めっき抵抗が取り除かれ、PCBの全表面が銅を滑らかにするために砂をかけられます。めっきプロセスのこれらの追加ステップは、完成したPCBのコストを増加させます。図4は、ブラインドビア操作が一つ上のもう一つに3回行われたことを示しています。

バブル問題に対する別のアプローチとして、コンポーネントの側面にブラインドビアをドリルする方法があります（これは、私たちの第1巻の参考文献47でも説明されています）。このアプローチには、追加のプロセスステップは必要ありません。ただし、製品開発者がパッドの側面にブラインドビアのためのスペースを追加することを許可する必要があります。

図5. オフセットレーザードリルドブラインドビア

これは、前述のバブルがはんだボールの中心ではなく側面に形成されるため、バブル問題を軽減します。注：はんだボールの直下にない気泡は問題を引き起こしません。

図4に示すように、2層にビアを構築する必要があり、ビアを銅で完全にメッキする追加のステップを踏みたくない場合、別のアプローチがあります。この場合、最初のビアによって形成された空洞の上に来ないように、2番目のビアを最初のものの側面に配置します。

ブラインドビアの問題

上記の通り、ブラインドビアが「悪化」する方法はいくつかあります。上記の問題は、設計中の製品に対して間違ったタイプのビアを選択したり、ビアを全体のボード設計に正しく組み込まなかったり、正しい方法で製造されなかった結果である場合があります。ビアが悪化するもう一つの方法は、ラミネートに使用されるガラスクロスに関連しています。図6-8は、これらのタイプの悪いビアの例です。それらはすべて、ラミネート内のガラスクロスの織り方の非均一性、つまり機械的に広げられたガラスの欠如が原因で悪かったです。機械的に広げられたガラスの話題については、以前のブログで議論しました。

図6. 悪いブラインドビアの例1

図7. 悪いブラインドビアの例2

図8. 悪いブラインドビアの例3

埋め込みビア

TRANSLATE: PCBの2つの内層の間を通過するが、どちらの表面にも触れない場合、それは埋め込みビアと呼ばれます。一般的な誤りは、ブラインドビアをマイクロビアと呼ぶことです。IPCによると、マイクロビアは直径が8ミル以下のビアであり、PCBを完全に通過するかどうかにかかわらず、そのように定義されます。埋め込みビアは、図1に示すように任意の2層の間を通過することも、図9に示すように複数の層を通過することもあります。

図9. 埋め込みビア

どちらの場合でも、埋め込みビアは、図10に示されているプロセスを通じて関与する内層のセットを処理することによって形成されます。これらは、ビルドアッププロセスを使用して外側に追加の層が追加された完成したPCBを作成するために関与するすべてのステップです。これは明らかに、直接の多層処理よりも高価なプロセスです。多くの高ピン数デバイスで使用されるBGA基板や携帯電話などがこの方法で作られています。

Altium Designerでのブラインドビアとバリードビアの使用方法については、こちらで詳しく読むことができます。他に質問がありますか？Altiumの専門家に電話してください。または、Altium Designer^®を使用したPCBビア作成のための最適なツールセットについてさらに読むことでスキルアップしてください。