ビア 101 パート2

この「ビア基礎講座」の第2回目では、前回の議論で触れたビアの基本パラメータに続いて、今回はビアの配置、配置による問題点であるプレーンの空洞化、そしてビアのユニークな使用例である転送ビアとステッチングビアについて見ていきます。

ビアに関するパラメータや詳細は、この短い記事で取り上げるよりもはるかに多いことを念頭に置いてください。しかし、この記事は初心者のPCB設計エンジニアにとって、このトピックについてさらに深く掘り下げるための良い出発点を提供します。さあ、始めましょう！

配置

トレース、コンポーネント、アウトライン、ビアなどを扱う場合には、常にこれらの要素間のクリアランス、例えばビアとトレース、ビアとビア、ビアとパッドなどの間のクリアランスを考える必要があります。通常、最小クリアランスは選択したPCB製造業者や標準によって詳細に記載されています。しかし、製造上の理由だけでなく、クロストークなどの他の理由からも、これらの最小値からは離れることをお勧めします。

さらに、電源およびグラウンドのビアを見るときには、関連するコンポーネントパッドへの接続ができるだけ短く、かつ広いことが望ましいです。これはインダクタンスを最小限に抑えるためです。これはビアをパッドの中に、または直接隣に配置するという意味ではありませんが、はんだの吸い上げ問題が発生しないように、適切な距離を保つ必要があります。

ビアはペアで来るため、通常、電源およびグラウンドのビアを近くに配置してインダクタンスを最小限に抑え、電力供給特性を向上させたいと考えます。

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ボイディング

ビアを互いに近接して配置すると、ボイディングとして知られる問題が発生します。基本的に、PCBの全厚を通るスルービアの場合、ビアが互いに近すぎると、ビアアンチパッドが近すぎるために参照平面にカットが生じることがあります。これの一例は、非接地ビアが密接に配置されたGND平面の下の画像で見ることができます。これはリターン電流を妨げ、潜在的にEMI問題を引き起こす可能性があります。

密集した設計におけるボイド（空洞）の問題は、特に特定のエリアに多数のシグナルビアがある場合、避けるのが難しいことがあります。さらに、参照平面の分割によって生じるボイドにトレースをルーティングすると、EMI性能に非常に悪影響を及ぼす可能性があります。リターン電流はこの参照の分割を迂回して流れる必要があり、その結果、場が広がり、放射とEMシグネチャが増加します。

空間が許す場合、参照平面のボイドを軽減する簡単な修正方法は、ビアを互いに十分離して配置し、これらのビアのアンチパッドの間に銅が流れるようにすることです。 

別の方法としては、HDIビアを使用することです。これには、アンチパッドのサイズを減らすためにマイクロビアを使用するか、参照平面を貫通しないブラインドビアやバリードビアを使用します。ただし、これはもちろんPCB製造コストの増加につながります。

いずれにせよ、レイアウトとルーティングの段階で常に参照平面をチェックし、ボイドがないか確認してください。最終的なGerber出力ファイルをスキャンしてボイドをチェックすることも強くお勧めします。

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トランスファービア

信号経由でレイヤーを切り替える際には、通常、基準平面も変更します（例えば、4層のSIG-GND-GND-SIGボードを考えてみてください）。トップレイヤーでトレースを使ってルーティングしている間、AC信号（>20 kHz）の返り経路は直接下の基準平面にあります。一度ボトムレイヤーに移ると、返り経路は上の基準平面にあります。

レイヤーを変更する際にZ軸を通って移動すると、返り経路とそれに伴う場はどうなるのでしょうか？その場合、場は適切な「接続点」（返り経路）を見つけようと広がりますが、これがEMI問題の原因となることがあります。このような場合、信号経由の近くに転送経由（基本的には接地された経由）を配置したいと考えます。これは、Z方向の移行中に定義された基準と返り経路を維持するためです。この転送経由は、切り替える基準が両方とも同じタイプである場合（例えば、GNDからGNDへ）にのみ機能することに注意してください。 

GNDからPWRリファレンスに切り替える場合、遷移点の近くにGNDとPWRリファレンスの間に小さな容量のキャパシタを配置する必要があります。

ステッチングビア

ステッチングビアには主に2つの理由があります。しばしば、単層または多層のPCB設計では、複数のグラウンド層や電源層、そして複数のグラウンドまたは電源の銅箔があります。ステッチングビア（グラウンドビアまたは電源ビア）がなければ、これらの様々なグラウンド層や電源層、およびその他のグラウンドや電源の銅箔はうまく接続されません。特に高周波において、インピーダンス、特にインダクタンスにより、それらの間に電圧差が生じます。これを軽減するために、これらをビアで結びつける必要があります。

ステッチングビアを配置することで、これらの層や銅箔をPCB上の複数のX-Y位置で結びつけることができます。さらに、銅の島があり、しばしば全く（またはほとんど）ビアの数が少ないために接続されていない場合、これらの銅の島はアンテナとして機能し、共振し、そしてさらに放射することがあります。これはもちろん、ボードのEMI性能に非常に悪影響を及ぼす可能性があります。

ステッチングビアの2つ目の理由または用途は、シールド目的です。実際には、シールドビアの「壁」を使用して、PCBのセクションに入るまたは出る電磁波のエネルギーを（ある特定の周波数まで）抑制することができます。シールドの間隔は、PCBにおける最大周波数によって決定されます。例えば、オーディオPCBの場合、この周波数は20kHzかもしれませんし、RF PCBの場合は2.4GHz、それ以上かもしれません。

PCBの最大周波数を知ったら、単にこの式を使用して間隔を計算する必要があります。ここで、cは光の速度、εは誘電率定数、そしてfは私たちの最大関心周波数です：

例えば、2.4 GHzで、外層（マイクロストリップ）トレース上でのルーティングを行う場合、この式によりステッチングビアの間隔は3.4 mmとなります。

この一連の記事では、PCB設計におけるビアの基本を検討し、ドリルやパッドのサイズ、ビアの種類、ビアの使用目的（転送ビアやステッチングビアを含む）など、ビアのパラメータについて見てきました。

Altium Designerの組み込みビア機能をすべてチェックしてください。これには、HDIボードで見られるマイクロビア、ブラインドビア、バリードビアなど、より複雑なタイプのビアを扱う機能が含まれています。