PCBレイアウトにおけるテンテッドビアとアンテンテッドビアの使用時期

多くの設計者が標準的な実践として取り入れているガイドラインがいくつかありますが、それについて深く考えずに実施していることがよくあります。これらの実践の中には、信号層での銅のプアを行うなど、誤解されているものやベストプラクティスなしで実装されているものがあります。また、潜在的な問題について考えずに実装されることもありますが、それは問題が特定のケースでのみ発生するからです。その一例が、PCBレイアウトでデフォルトとして実装されることがあるテンテッドビアの使用です。

これは常に正しい実践でしょうか？そして、テンテッドビアに関する可能性のある信頼性の懸念は何でしょうか？これらは、高アスペクト比ビアや積層マイクロビアに関して信頼性の懸念が提起されるとき、特に重要な質問です。この記事では、ビアテンティングを取り巻くこれらの設計ポイントと、PCBレイアウトでそれを使用すべきでない場合について検討します。

テンテッドビアとアンテンテッドビアの使用時期

ビアテンティングの背後にある考え方はシンプルです：PCB内のビアをはんだマスクで覆い、ビアホール上のパッド/リングやビアバレル自体が環境にさらされないようにします。はんだ抵抗は、ビアパッドとビアバレル内のメッキにある程度の保護を提供するために配置されます。PCBレイアウトを見ると、はんだストップマスク層を見るだけでテンティングされたビアを見つけることができます。このことは、そのはんだマスク層のガーバーファイルにも当てはまります。

ビアのテンティングは、DFA要件として、また信頼性要件として見られることがあります。ビアテンティングの利点と欠点には以下のようなものがあります：

• テンティングは、有害な化学物質や湿度など、デバイスの寿命を短縮させる環境要因からの露出を防ぎます。
• テンティングは、エポキシでのビアのプラグや充填/めっきに比べてコストが低く、ビアを保護するために使用できる最もシンプルなプロセスです。
• テンティングは、ボード上で配置およびはんだ付けされる特定のコンポーネントによって、組み立てを助けたり妨げたりすることがあります。

これらの領域を見て、テンティングされたビアを含めるか省略するかを判断するいくつかの例を見てみましょう。

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はんだウィッキングの防止

SMDコンポーネントに近い位置に配置されたビアは、基板の裏側にハンダが吸い上げられる経路を提供する可能性があります。これを解決するには3つの方法があります：

1. SMDパッドに適用されるはんだペーストの量を減らすために、ペーストマスクの開口部を小さくする
2. ビアをSMDパッドから遠ざけ、パッドとその接続ビアの間にはんだマスクダムがあることを確認する
3. SMDパッドの近くのビアを選択的にテント処理し、ペーストマスクを変更しない

私の意見では、#3が他の選択肢を考慮した上で最良のオプションです。これは、特定のビアのはんだマスク拡張を閉じるだけの非常にシンプルな変更であるためです。

小さなビアのための環境保護

テント処理は、完成穴径が約12ミル以下の小さなビアに最適です。特定の直径制限はLPIはんだマスクソリューションに依存し、製造業者は信頼性のあるテント処理を保証するために推奨する最大ビア径を提供できるはずです。ビア径が大きすぎると、はんだ抵抗が破れて小さな穴が開き、汚染物質がビアバレル内に侵入する可能性があります。これは、特に環境保護が必要な場合に、信頼性に関する懸念が生じる場所です。

ビアの内部が環境にさらされ、めっき仕上げやその他の材料（例えば、コンフォーマルコーティングなど）で保護されていない場合、露出した銅は徐々に腐食する可能性があります。ビアが片側だけテンティングされていて、何らかの汚染物質がビアバレル内に溜まる可能性がある場合、このプロセスは加速します。この露出は、デバイスが早期に故障する原因となることもあります。したがって、汚染物質がビアバレル内に溜まる可能性のある環境にさらされる可能性があるデバイスは、可能な限りテンティングを施すべきです。

一部のビアをテンティングしないでおく場合は、PCBAにコンフォーマルコーティングを施して、追加の環境保護を提供することができます。これは、湿度やほこりなどの環境上の懸念がある場合には素晴らしい解決策ですが、宇宙や特殊な工業システムなど、低圧環境でのアウトガスが問題になる可能性があります。

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テンティングされたビアとテンティングされていないビアの組み立て上の懸念

テンティング・ビアは、特定のケースで組み立てに関していくつかの懸念を生じさせることがあります。潜在的な組み立て問題は、細ピッチコンポーネントを組み立てる必要があるか、または高密度で作業していて、ビア・イン・パッドが必要になる限界に近づいているかどうかに依存します。PCB組み立てにおけるビアのテンティングは、二つの観点から考慮されるべきです：

• 組み立て中にはんだが基板の裏側に吸い込まれる可能性はありますか？もしそうなら、コンポーネントのフットプリント近くのビアをテントします。
• 過剰なフラックス残留物が汚染や短絡を引き起こす問題となる可能性がありますか？もしそうなら、コンポーネントのフットプリントの近くまたは下にあるビアのテントを解除します。

ここでの素晴らしい例は、QFNコンポーネントまたは大きなTOパッケージの下にあるグラウンドパッドです。このパッドにはビアが含まれますが、電気的接続を行い、コンポーネントから熱が容易に逃げるようにするために、コンポーネントにはんだ付けする必要があります。しかし、基板の裏側には、はんだの吸い込みを防ぐためにテンティングが施されているかもしれません。この場合、私は吸い込みがより重要であり、基板の裏側に他のコンポーネントがある場合、はんだの吸い込みが発生すると短絡する可能性があるため、これらのビアは特にテンティングされるべきだと主張します。

BGAにドッグボーンファンアウトがある場合、二つの目標が矛盾していることが明らかです。ファンアウトのビアをアンテントのままにしておくと、組み立て中にフラックスの明確な逃げ道ができ、表面のめっき材料が銅を環境損傷から保護します。しかし、これらのビアをテントすると、BGAパッドと同じ側で、はんだが基板の裏側に吸い込まれるのを防ぐことができます。

私の意見と経験では、分岐点はBGAパッドとビアの間の許容されるはんだ抵抗スリバーです。ビアをアンテントのままにしておき、はんだストップマスクスリバーが薄すぎる場合、製造後に剥がれる可能性があり、はんだマスクダムを失い、BGAはんだボールが開いたビアバレルを通って流れるリスクがあります。アンテントのビアが薄すぎるはんだマスクスリバーを残す場合、ビアをテントして、組み立て中に信頼できるノークリーンフラックスの使用を要求することをお勧めします。組み立て業者は、彼らのノークリーンフラックスがリフロー中にはんだボールがショートすることがあるかどうか、データを持っているか知っているべきです。

片面か両面か？

次に尋ねるべきでないほど明らかな質問は、一方の面だけにテントするか、両面にテントするかです。

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私の見解では、ビアにテントをするなら、両面にするべきです。例外は、ビア・イン・パッド、露出した銅のポリゴン/レール内のビア、またはグラウンドパッド内のビアの場合です（下記のTOパッケージの例を参照）。これらの特徴は露出した銅を必要とするため、ビアは片側が露出し、もう片側にのみテントをすることができます。それ以外の場合は、ビアが十分に大きくなったら、テントをせずに、露出した導体を保護する適切なめっきを選択してください。

テント付きビア対テントなしビアの要約

明らかに、上記の懸念事項のリストから、潜在的な環境汚染から保護するためにテントをすることと、組み立ての汚染物質が組み立てから自然に排出されることを確実にするためにデザインをテントなしにすることの間にはトレードオフがあります。これらが特定のシステムで懸念される場合、PCBAは徹底的にテストされ、テント付きビアに基づいてデザインが信頼性の問題に悩まされないことを確認する必要があります。

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