スティッチングビアについて知っておくべきこと

スティッチングビアは、PCBの表面層全体でよく見られるものです。誰かが銅箔を正しく使用している場合、理想的には、ビア配列がクロストーク/干渉を抑制するように、適切なスティッチングビア分離距離を計算します。もう1つのオプションは、低抵抗と低インピーダンスを提供できるレイヤー間の複数の並列接続し、DCまたはACで大電流を提供できるように使用することです。

このガイドでは、スティッチングビアの標準的な用途と、PCBで使用する必要がある場合について説明します。PCB設計のこの1つの領域は、ほとんどの設計では不要であるとしばしば述べられている銅箔に関連しているため、一部の設計者の間で論争の的になる可能性があります。銅箔についての意見はさまざまですが、スティッチングビアは、低周波数および高周波数のPCBで重要な用途を持っています。

PCBのスティッチングビアの基本

スティッチングビアは単純な構造です。通常、PCBスタックアップ全体で接地されているビアの周期的な配列です。このようにして、多層にあるGNDネット間をつないでいます。レイヤー間の電源接続を含むビア配列の1つの用途があります（以下を参照）。これらの構造は、RF設計においても重要な用途があり、スティッチングビアが誤用されることがあります。

PCBでビアのスティッチングの用途の一部を以下の動画でご紹介しています。スティッチングの主な用途は、高速PCB設計、RF PCB設計、複数のレイヤーにまたがる電源配線など多岐にわたります。

これらの用途についてそれぞれ詳しく見ていきましょう。

典型的な用途：GND接続

スティッチングビアの標準的な用途は、複数のレイヤーにわたってGNDを接続することです。多層PCBでは、同じGNDネットに複数の銅箔領域が割り当てられているのが一般的です。スティッチングビアは、これらをあらゆる場所で接続し、PCBの基準プレーンに沿って伝搬するリターン電流に対して最小限のインピーダンスを確保するための便利なツールです。

複数のGNDを接続するために、定期的なスティッチングビアの使用は必要はないことに注意してください。GNDはどこかに接続する必要があり、リターンパスが電源リターンポイントに簡単にナビゲートできるようにするには、複数の接続が望ましいかもしれません。

ビアを介したレイヤー遷移

これは、GNDに接続されたスティッチングビアが真に価値を発揮する領域の1つです。デジタル回路とRF回路のレイヤー遷移には、PCBの相互接続に沿った信号伝搬を制御するための明確なGND基準が必要です。レイヤー遷移を行う場合、スティッチングビア配列内にある近くのビアは、トレースの下のGNDプレーンと同じ機能を実行できます。

一般に、スティッチングビア配列をPCBに配置する場合、信号ビアを通過するレイヤー遷移の近くにスティッチングビアが配置されることがよくあります。場合によっては、これで問題なく動作し、ビア遷移リジョン内でのノイズの放出やノイズへの感受性に関連する問題は発生しないことがあります。特に、低速のGPIO、I2C、UART、またはその他の低速デジタルプロトコルの場合（または、低周波数のアナログの場合）、信号ビアの近くで接地されたスティッチングビアがあることで、ノイズを十分に抑えることができます。

高速デジタルとRFでは状況が異なり、意図的に設計したスティッチングビア配列を信号ビアの近くに配置する必要があります。スティッチングビア配列は、スティッチングビアのエッジに沿って誘導されるリターン電流に低インピーダンスパスを提供することを目的としています。これらの遷移でスティッチングビアを配置するもう1つの理由は、スティッチングビアに囲まれたビア構造内にこの信号を含む電磁界を閉じ込めるためです。

この場合のノイズ抑制メカニズムは「シールド」と呼ばれることがあり、あたかもビアが電磁波の犠牲相互接続への結合を防止しているかのような働きをします。これはある程度正しいです。スティッチングビア構造を信号ビアの近くに配置すると、次の2つの方法でノイズを低減できます。

1. ビアがGNDに近いため、ビアリジョンのループインダクタンスは低くなります。
2. GNDに近づくと、信号ビア/GNDビア遷移がビアに沿って発生する総静電容量を支配します。

2点目は、GNDプレーンを信号トレースに近づけることで、寄生容量を減らすような働きをすることです。この記事では、他の信号ネットへの寄生容量結合を減らす方法を紹介しましたが、ここでも同じような結果が期待できます。

スティッチングビアとアンチパッドがビアのインピーダンスに影響

前のセクションでのキャパシタンスとインダクタンスを変更することによりもたらされる実際の成果は、レイヤー遷移でのスティッチングビアの配置がビアインピーダンスを決定するということです。関連する部分はアンチパッドで、理想的にはスティッチングビアと交差する必要があるため、一緒になってインピーダンスを変更します。ほとんどのビアインピーダンスカリキュレーターは、ビア配列のスティッチングの存在とレイヤー遷移の周囲にあるアンチパッドのサイズにより、実際のビアインピーダンス を完全に考慮することができません。

GNDプレーンを通るビアとアンチパッドのスティッチングはインピーダンスに影響を与えますが、ビアへの入力インピーダンスは、周波数が約3～5GHzを超えるまで、50オーム（または約100オームの差）から大きく逸脱することはありません。低周波数では、スティッチングビアの量とアンチパッドのサイズがビアインピーダンスに影響することを心配する必要はありません。ビアは電気的に非常に短いため、ほとんどの場合、影響に気付かないでしょう。5GHzを超えた場合は注意が必要です。不適切に配置されたスティッチングビアと大きなアンチパッドでは十分な容量性負荷が提供されず、インピーダンスが約100オームに達する誘導性のビア遷移が発生するからです。例として、スティッチングビアと大きなアンチパッドを使用しないビア遷移のSパラメーターを以下に示します。

この場合のステッチングビアは、ミッドレンジの周波数での差動ペアの容量性負荷にあまり影響しません。信号ビアの間隔が大きくなると、スティッチングビアが信号ビアのインピーダンスに及ぼす影響が強くなります。信号ビアが互いに接近している場合、アンチパッドがビアインピーダンスのより大きな決定要因になります。信号ビア同士が近く、アンチパッドが小さい場合は、スティッチングビアの影響に気付かない場合があります。

スティッチングビアはシールドを提供するかどうか

特定の周波数までは、答えは「Yes」です。シールドを提供する目的で使用する場合、設計者が必要なビア間の間隔を推測するだけである可能性があります。ただし、導波管でシールドと呼んでいるものは、フィールド閉じ込めと呼ぶ方が適切である場合があります。呼び名がどうであれ、スティッチングビアは、ある周波数までは電磁波の伝播をブロックできます。

抑制したい特定の周波数に対して、ビア間のピッチはおよそ次のようになります。

特に電磁波の伝播を遮断する目的でスティッチングビアを配置するためのこの間隔要件は、PCB上の導波管内で波を閉じ込めるために使用される要件と同じです。

アンテナフィードラインとして使用される接地済みコプレーナ導波管の例を以下に示します。この例では、ピッチは20ミルで、上記の式に基づいて最大43GHzまでのシールドに適しています。高速信号が近くを移動する場合、このフィードラインに沿って高いシールド効果が期待でき、RFラインへのクロストークを抑えるのに役立ちます。

スティッチングビアはノイズを除去する魔法ではなく、配線のベストプラクティスを利用しない理由にもならないことに留意すべきでしょう。上記の方法でスティッチングビアを使用した場合でも、RF基板の適切な配置と配線戦略を実践する必要があります。

電源システムのスティッチングビア

電源システムのPCBレイアウトで使用される場合は、通常、スティッチングビアは大きな間隔で配置される典型的な配置ではありません。実際、これらの設計では、接地された大規模な銅箔領域でそれらが使用されているのをまったく見ない場合があります。ただし、スティッチングビア配置を使用して、電源ネット上に低抵抗層遷移を作成できます。これにより、ビアは層間で低損失で大電流を流すことができるようになります。

一定量の電流を転送するには、いくつのスティッチングビアが必要でしょうか。これは一般的なビアのDC抵抗により異なります。典型的なビアドリルの直径とパッドサイズ（10/20ミル）と1ミル厚の壁めっきの場合、ビア抵抗は約1.5mΩ、熱抵抗は約180°C/Wとになります。このビアに20A（DC）を流そうとすると、600mWの電力が消費され、ビアの温度が108°C上昇することが予想されます。

温度上昇を許容範囲内に保つために、配列内で複数のビアを使用する必要があります。これらのビアを10個並列した場合、各ビアは 2A（DC）を伝送し、予想される温度上昇はビアごとに（したがって配列全体）で1.08°Cとなります。これは、スティッチングビア数の制限を決定するために、温度上昇ターゲットをどのように使用できるかを示しています。

スティッチングビア配置の自動化

スティッチングビアの配置については、基板周辺に正確な間隔で多数のビアを配置する必要があります。これは、ほとんどのCADツールでは困難な場合があります。より単純なCADツールでは、スティッチングビアを手動で配置する必要があり、その後、おそらく基板の各行/列をコピーして貼り付けて配列を形成します。

Altium DesignerのPCBエディターには、ユーザー定義のサイズと間隔でスティッチングビアを配置するための使いやすい機能が搭載されています。ビアテンプレートを選択選択することも、ビアサイズとレイヤ遷移をカスタム設定して配置することもできます。この機能へは、PCBエディター内の「ツール」メニューからアクセスできます。この機能の詳細については、関連資料をご覧ください。

では、スティッチングビアを使用する客観的に「正しい」方法は存在するのでしょうか？答えはそれほど明確ではない場合があります。配列を介したステッチングが非常に特定の目的で使用される例をいくつか示しました。

• GNDの接続のみが必要な場合（高速/RFなし)、スティッチングビアは便利ですが、必須ではありません
• レイヤー全体にわたる基準を提供する場合、スティッチングビアも低速信号でEMIを最小限に抑えるのに便利です
• 電源を供給する場合、狭い間隔でビアを配置することで、最小限の温度上昇で大電流を供給できます
• 高速信号遷移の場合、信号の完全性を保証するために、ランダムに配置されたスティッチングビアに頼ることはできません

そのため、スティッチングビアのサイズや間隔、配置については、シールドが未解決の課題として残されています。スティッチングビアがノイズ結合やEMIに与える影響について詳しくは、PCBレイアウトにおける銅箔に関するこちらの記事をお読みください。

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