基準を満たす：IPC 6012 クラス3 ビアサイズとアニュラーリング

上の画像のPCBレイアウト、特にシルクスクリーンを突き抜けるビアとドリルホールを見てください。これらのビアのいくつかが中心からずれていることがはっきりとわかります。つまり、これらのビアを作成したドリルの打ち込みが受け側のランドの真ん中ではなかったということです。これにより、アニュラーリングが残され、これは特定のIPC製品クラスでは欠陥とみなされるかもしれません。リジッドボードのIPC基準において、異なるタイプのボード（HDI、フレックスなど）で欠陥とみなされる可能性のあるいくつかの製造特性があります。アニュラーリングは、欠陥とみなされる可能性のある多くの構造特性のうちの一つに過ぎません。

デザイナーはしばしば、残されたアニュラーリングとパッドサイズを混同しますが、私もその一人です。しかし、両者は関連しています。デザイナーは、製造中に残されるアニュラーリングが十分に大きくなるように、表面層に十分に大きなパッドサイズを配置する必要があります。アニュラーリングが十分に大きければ、ドリルの打ち込みは欠陥とはみなされず、ボードは検査に合格するでしょう。

IPC-2221規格では、クラス1から3の製品に対して、環状リングが一律に適用されます。新しいIPC-6012規格では、クラス3製品を除くすべての製品でブレイクアウトが許可されています。この記事では、高信頼性リジッドPCBの標準製造要件であるIPC-6012クラス3の環状リングの制限について説明します。

IPC-6012クラス3環状リングサイズ

IPC規格は、デバイスの信頼性レベルに基づいて3つの製品分類（クラス1、クラス2、クラス3）を定義しています。これらのクラスごとに、PCBの製造、清掃、検査に関するガイドラインの性能と資格要件がそれぞれ定められています。コンポーネントの配置、ビアホールのめっき、残留汚染物質、トレースサイズ、およびPCBA内のその他の考慮事項などの問題が、これらのクラスの各規格で取り扱われています。

製造後にメッキされたスルーホールビアが受け入れられるためには、各IPクラスで残された環状リングが十分に大きいことを確認する必要があります。したがって、「環状リングのサイズ決め」という作業は、実際にはビアに適切なランドサイズを選ぶことに他なりません。ビアのランドが十分に大きければ、製造公差をPCBでうまく対応できたことになります。

環状リングの視覚化

下の図は、PCB製造プロセス中のドリリングで残された環状リングがどのように生じるかを示しています。左の画像はブレイクアウトを示しており、これはIPC-6012基準では許可されていますが、IPC-2221A基準では許可されていません。IPC-6012は、リジッドPCBに使用される主要な適格性基準なので、パッドとビアのサイズを決める際に考慮すべきです。また、クラス3の環状リングの限界は、2つの基準で一貫しています。

環状リングは外層と内層で2つの方法で測定されます：

• 外層の場合、環状リングはビア壁のメッキの端からパッドの端まで測定されます。
• 内層において、環状リングは穴の端からパッドの端まで測定されます。

これは、2つの値がメッキの厚さによって異なることを意味し、これはクラス1および2の場合は最小0.8ミル、クラス3の場合は1ミルです。ほとんどの製造業者は、製品内の未充填のメッキスルーホールビアを、IPC-6012標準の表3-2に記載されている機械的に穿孔された穴の最小穴壁メッキ要件（クラス3の最小メッキ厚さ1ミル）よりもわずかに厚くメッキします。

最小環状リングサイズ要件

IPC-6012によると、クラス3製品はいくらかの残りの環状リングが必要であり、クラス1およびクラス2製品はいくらかのブレイクアウトを許容します。

IPC 6012基準によると、顕著な環状リング要件を持つのはクラス3のみであることがわかります。クラス2およびクラス1の製品にある程度の信頼性を確保するために、残された環状リングは内層で0ミル、外層ではめっきの厚さと等しくすべきだと私は述べたいと思います。これにより、環状リングがパッドの端にちょうど触れる接線条件を満たすことになり、ブレイクアウトがなく、設計は成功製造されたとみなされます。

環状リングサイズからパッドサイズを計算する

パッドまたはランドサイズは、簡単な方程式L = a + 2b + cで計算できます。ここで、aはドリル穴（内部）または完成穴（外部）の直径、bは最小アニュラリングサイズ、cは製造許容差です。cをCNCドリルの許容されるズレと考えてください。ほとんどの製造業者は（またはすべきですが）クラスCの製造許容差を目指します。これは最高の分類であり、c = 8ミルの制限があります（製造許容差の分類については、IPC-2221標準の表1.6.3を参照してください）。上記の表と式から、例として12ミルのビアに対するアニュラリング要件を計算することができます。

クラス3の製品に12ミル直径のビアを配置したいとします。上述のめっき要件によると、完成穴は10ミル直径になります。これらの値を使用して、クラスCの製造許容差を想定したクラス3製品の最小アニュラリングサイズを計算することができます。

• 内層の最小パッドサイズ： L = 12ミル + (2 x 1ミル) + 8ミル = 22ミル
• 外層の最小パッドサイズ： L = 10ミル + (2 x 2ミル) + 8ミル = 22ミル

したがって、めっきが最小1ミルに設定されているため、全層における最小のビアランドサイズを（ビア直径）+ 10ミルに設定できることがわかります。これは、IPC-6012 クラス3の年輪要件に準拠するための「最も安全な」ビアとパッドのサイズ設定方法と見なされます。

クラス1および2のパッドサイズについてはどうでしょうか？これらのガイドラインを見てみましょう：

• クラス3製品の場合、外部環状リングにはb = 2ミル、内部環状リングにはb = 1ミルを採用します
• クラス1および2製品の場合、技術的にはb

したがって、全クラスで1ミルの穴壁メッキ厚を要求する場合、ビアランドサイズは（ビア直径）+ 8ミルと快適に言えます。

要約とティアドロップ

これが、ビアの配置とパッドサイズの選択時にデザイナーが従うことができる、基本的で最も安全なガイドラインを示していることを願っています。クラス3の場合は（ビア直径）+ 10ミル、クラス1/2の場合は（ビア直径）+ 8ミルのガイドラインは、おそらく地球上のどのメーカーでも製造可能であり、これがビアとパッドのサイズを決定する際に私が取るアプローチです。

Class 3製品の信頼性をさらに高めるために、私は常にビアパッドにティアドロップを追加します、特にトレースが細く、ドリルホールがトレースをパッドから切断するリスクがある場合には特にそうします。これは、内部レイヤーで制御インピーダンストレースをルーティングする際に必要になるかもしれない、追加の信頼性の対策を提供します。そのような例の状況では、インピーダンス目標を達成するために細いトレースが必要になるかもしれませんが、ビアパッドにティアドロップを追加することは、穴のサイズを減らすよりも信頼性を確保する簡単な方法です。ある時点で、薄い誘電体と細いトレースを使用していると、機械的なドリルサイズをこれ以上小さくすることはできず、信頼性を確保するためにティアドロップを使用する必要があります。

Via-in-PadとIPC-6012クラス3の要件

さらに高密度になると、コンポーネントへの配線のためにビア・イン・パッドを使用する必要が出てくるかもしれません。ビア・イン・パッドは技術的には一般的にプラグやキャップをせずに使用できますが、組み立てや信頼性の観点から最善の方法はプラグとキャップをすることです。プラグとキャップが可能な主な標準化されたビアのタイプはIPC-4761で指定されており、この記事で概説されています。リンクされた記事のビアタイプのリストはビアのための標準化された定義に過ぎませんが、これらの全てがクラス3の要件として受け入れられるわけではありません。

ビア・イン・パッドのクラス3要件は以下の通りです。ここで使用される値は上記のクラス3要件からわずかに変更を加えて適応されたものです。

• 充填材料：ビアは非導電性のエポキシで充填されるべきです。
• キャッピングとメッキ：ビアはキャップされ、メッキされるべきです。
• キャップの厚さ：キャップメッキは最小で12ミクロン（0.472ミル）であるべきです。
• 突出/平面性：ビア内の突出は50ミクロン（1.96ミル）を超えてはならない。これには平坦化ステップが必要になるかもしれません。
• 最小ドリルサイズ： パッド内の穴は、少なくとも150ミクロン（6ミル）でなければなりません。
• 最小パッドサイズ： 最小パッドサイズは、ドリル径 + 0.010インチです。
• パッドクリアランス： ビア・イン・パッドは、隣接する銅の特徴、他のビア・イン・パッドを含む、少なくとも6ミル離れていなければなりません。
• 最小アニュラーリング： ビア穴を囲む最小の銅は2ミルです。

PCBレイアウトでビア・イン・パッドを使用する場合、プラグとキャップの定義も製造業者に提供する必要があります。プラグとキャップの処理は、PCB全体で使用することも、ビア・イン・パッドが使用されている特定の場所に限定することもできます。いずれの場合も、それらの位置要件を製造業者に伝える必要があります。

これは、フィルとキャップ情報をGerberエクスポートとして含めることで簡単に行うことができます。通常、フィルデータを含むGerberレイヤーを作成し、別のレイヤーにキャップデータを作成します。これらのオプションは、Gerberエクスポート、ODB++エクスポート、またはIPC-2581エクスポートを設定する際に、出力ファイルに追加することができます。以下にGerberエクスポートの例を示します。

Gerber/ODB++/IPC-2581データがエクスポートされると、プラグ/フィル/キャップデータをCAMアプリケーションで確認できます。このデータは独自のレイヤーに表示され、製造業者のプロセスエンジニアリングチームは、充填とめっきが必要な特定のビアを確認できるようになります。このデータはマスク開口部に似ていますが、ドリリング中に配置される穴のサイズに一致するため、Gerberファイルを確認する際にこのデータをマスク開口部と混同しないでください。

最後に、標準のIPC-4761ビアタイプのいずれかを使用してビア・イン・パッドを使用する場合は、以下を記載した製造ノートを必ず含めてください：

• Gerberレイヤー(LAYER EXTENSION)のビアは、IPC-4761タイプXXXX基準に従って製造されるべきです。
• ビアは非導電性エポキシで充填されるべきです。
• ビアはめっきされるべきです。結果として生じる突起は、IPC-6012クラス3の要件に従ってXXXXミルを超えてはなりません。

IPC-6012 クラス3 アニュラーリング基準に準拠するためにPCBビアとルーティングを設計する必要がある場合は、Altium Designer^®のパッドスタック設計とルーティング機能を使用してください。設計が徹底的な設計レビューと製造の準備が整ったら、チームはAltium 365^™プラットフォームを通じてリアルタイムで共有および協力できます。設計チームは、Altium 365を使用して、製造データ、プロジェクトファイル、および設計レビューを安全なクラウドプラットフォームおよびAltium Designer内で共有できます。

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