非機能パッドがPCB設計に与える影響

非機能パッドに関する議論は、しばしば全てか無かの議論として枠組みされ、信頼性や信号完全性への影響についての議論が豊富にあります。ビアにそれらを残すべきか、あるいは全てのビアからそれらを取り除くべきか？どのような設計決定にもトレードオフがあり、通常、設計のある側面が他のすべてを優先します。非機能パッドの使用に関して一般化されたルールはないため、設計者は特定のアプリケーションを考慮して、レイアウトに非機能パッドを含めるべきかどうかを決定する必要があります。

この記事では、信号完全性、信頼性、およびルーティング密度の3つの観点から非機能パッドの問題を検討します。一部の設計では、これらの問題は互いに排他的であるため、以下に挙げる設計上の課題のうち、製品にとって最も重要なものを決定する必要があります。

非機能パッドを用いた設計の信頼性

テレグラフィングとECM故障

スルーホールビアに非機能パッドが存在すると、「テレグラフィング」と呼ばれる状態を引き起こす可能性があります。ビアに銅が多すぎると、パッド間の材料が樹脂不足になります。その結果、銅スタックのイメージが、誘電体の表面層にピークとバレーとして現れます。言い換えると、銅スタックのイメージが基板表面に「テレグラフされる」のです。最近のポッドキャストのゲストが説明したように、高い箇所はエポキシが「押し出される」地域を作り出し、これによりパッドとビアバレルが直角を形成する隣接するパッド間に空隙が残り、熱的な故障を引き起こす可能性があります。

空隙の形成は、もう一つの信頼性の問題、すなわち電気化学的移動（ECM）故障を引き起こします。ビアジョイントでの空隙形成は接着問題を引き起こし、ECMパスを許容します。これにより、パッド間のわずかな電圧差により、パッド間に樹状または繊維状の構造物が成長する原因となります。これらの構造物の成長は時間とともに蓄積し、最終的には診断が困難なPCBの故障につながります。

樹枝状構造が隣接する導体間の隙間を埋めることができれば、短絡が発生します。樹枝状構造の断面積が小さい場合、電流密度が高くなり、構造が焼損して、事実上故障が除去される可能性があります。これにより、診断が困難な間欠的な故障動作が引き起こされます。

これらの材料におけるECMに関する良いレビューはこちらで見つかります：

• Yi, Pan, et al. "薄い電解質層の下での銅張り積層板と無電解ニッケル/浸金印刷回路基板の電気化学的移動挙動。" Materials 10, no. 2 (2017): 137.

私は、基板が高温にさらされ、頻繁に温度サイクルを経験し、高電圧で動作する場合、これらの点がより重要であると主張します。これらの場合、すべてのケースで故障の可能性が高くなります。したがって、他に保持する理由がない場合は、非機能パッドを取り除くことを検討してください。

アンカー用の非機能パッドの保持 vs. ドリル摩耗

多くの状況で、非機能パッドは比較的無害です。製造業者は一般的に、非機能パッドを取り除くことを好むため、それによって穴あけが容易になります。しかし、これらのパッドを保持することで、膨張や振動時に基板へのより大きなアンカリングを提供し、その結果ビアの寿命が延びると考えられています。これらの議論は部分的にビアのアスペクト比に関連しています。

アスペクト比が低いビアでは、内部の銅メッキがより均一であり、非機能パッドがビアの寿命を延ばす可能性があります。パッドによるアンカリングとビアバレル内のより均一なものが組み合わさることで、ビアが割れにくくなります。アスペクト比が高いビアでは、ビアバレルの中心部での銅コーティングが薄いため、非機能パッドの存在に関わらず、ビアバレルの中心で割れやすくなります。

リジッドフレックス基板における非機能パッド

フレックスおよびリジッドフレックスPCBの設計時には注意が必要です。メッキスルーホールビアの銅は、リジッド基板に比べてフレキシブル基板には強く接着しません。銅の接着はフレキシブル基板における信頼性の問題であるため、非機能パッドが有用になります。

一部のメーカーは、フレックス基板やリジッドフレックス基板において、カプトンマイラーフレックス材料のアンカーとして機能するために、いくつかの非機能パッドを残すことを推奨しています。フレックスPCBのビアに沿ってすべての非機能パッドが取り除かれると、機能パッド間の隙間が非常に大きくなり、メッキが穴壁から剥がれ始める可能性があります。機能パッドと非機能パッドの両方が、ビアバレルに沿って分散されたアンカーポイントとして機能します。これにより、フレックスまたはリジッドフレックスPCBのビアの強度が増します。

高度な基板：ルーティング密度と高速/RF

非機能パッドは、薄い多層HDI基板の内層で貴重なスペースを占めます。基板が熱サイクル下で安定していることが確実であれば、内層のトレースルーティングを密にするために非機能パッドを取り除くことが望ましい場合があります。これは、信頼性の懸念がないより高度な設計での課題です。

非機能パッドを取り除くことが有用な別の領域は、高速設計やRF設計で、特により速い信号や高周波信号を運ぶビアにおいてです。これらの設計の他のビアは、上記の他の推奨事項に基づいて処理することができます。

これらのようなより高度な設計で重要な理由は、信号の整合性、特に特定のインピーダンスへのビア遷移の設計にあります。ビア遷移でインピーダンス目標を達成するには、2つの要素が必要です：

• ステッチングビア
• プレーン層のアンチパッド

非機能パッドは、ビアの壁に沿って追加の分散容量を作り出し、ビア構造は高周波での容量性負荷に非常に敏感です。この感度は非常に高く、WiFiとmmWave周波数の間でビアのインピーダンスが誘導性から容量性に切り替わることがあります。この関連記事で議論したように。そのため、私はこれらのビア遷移で非機能パッドを単に取り除くことを好みます。これにより、内部層のアンチパッドを同じ直径に設定でき、非常に高い周波数でこれらの構造を最適化するためのパラメータ空間が減少します。

PCBのすべてのパッドスタックをカスタマイズする

結論から言うと、非機能パッドはPCBを適切に製造するために必須ではありませんが、それらを残しても必ずしも失敗するわけではありません。いくつかのガイドラインでは、すべての非機能パッドを常に取り除くように述べています。個人的には、レイアウトとルーティングの容易さのために、よりシンプルな設計ではNFPを保持することを好みますが、信号を持つより高度な設計では取り除くべきです。私にとっては、二つの領域に boil down します：IPCクラス（または問題の製品に対する同等の信頼性基準）、またはビア構造がRF/高速チャネル上にあるかどうか。

クラス2対クラス3のスルーホール - クラス3の設計を行っていて、その穴がスルーホール部品用である場合、ブレイクアウトを全面的に防ぐために、上層/下層と一致する十分に大きなパッドを機能層に残し、それ以外の場所では取り除きます。機能パッドのサイズはクラス3の場合、（ビア/パッド）直径が（D/D + 10ミル）になります。

RF/高速 - 高速チャネルで制御されたビアインピーダンスが必要なビアについては、NFPを取り除いて、望ましい値にビアインピーダンスを確実に設定できるようにします。これを行う理由は、SimbeorやCSTのようなビア設計ツールでインピーダンスを設定する方が簡単だからです。NFPを取り除くことで、設計空間から1つのパラメータが削除されます。しかし、信頼性が主な懸念事項である場合は、パッドスタックにNFPが残ります。

Altium Designer^®を使用すると、.内のすべてのレイヤーでパッドスタックを簡単にカスタマイズできます。パッドスタックを作成するために外部プログラムを必要とせず、すべてがPCBエディタ内で行われます。異なるレイヤーに異なるNFPサイズを配置したり、特定のレイヤーでNFPを削除したりすることもできます。この便利なツールは、ルーティング密度、信頼性、および高速ビア設計のバランスを取るのに役立ちます。

Altium Designer内でカスタムパッドスタックを作成するのは簡単です。ドキュメントで詳細を学びましょう。

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