PCBビア：種類・製造・設計ルール
積層構成、配線密度、電流、信頼性、周波数に応じて貫通・ブラインド・埋込み・マイクロビアを選び、パッド、アニュラリング、アンチパッド、充填、スタブ、HDI遷移部を検討します。
執筆・技術レビューElectroDesignForge Engineering Team
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ビアはプリント基板の層間を導電的に接続する構造です。パッド、アニュラーリング、穴、銅めっきされた孔壁、プレーンのクリアランスといった電気的形状に、特定の製造工程が組み合わさります。したがってビアには万能の寸法はなく、ある製造業者には容易な構造でも、別の業者には製造できないか信頼性を確保できない場合があります。
ビアは信号の層を変え、電源プレーンに接続し、熱を逃がし、層遷移でリターン経路を与え、高密度BGAから配線を引き出します。選定時には積層構成、費用、配線密度、直流電流、熱サイクル信頼性、高周波特性を考慮します。
PCBビア計算ツールは、ビア経路の抵抗、電圧降下、損失、温度上昇、容量、インダクタンス、リアクタンスの見積もりに使えます。これは初期設計の支援であり、製造業者の設計ルールと認定要求が製造上の基準です。
ビアの種類の早見表
| 種類 | 接続する層 | 代表的な工程 | 主な利点 | 主な制約 |
|---|---|---|---|---|
| 貫通ビア（PTH） | 片面から反対面まで。全層に接続可能 | 積層後に機械ドリルで穴を開け、めっきする | 安価で堅牢。スルーホール部品やプレーンに適する | 全層で面積を使い、信号が基板全厚を使わない場合はスタブが生じる |
| ブラインドビア | 外層から一つ以上の内層へ | 積層構成に応じ、積層前後の工程で制御して穴開け | 離れた層の面積を空け、スタブを減らせる | 工程と位置合わせの制約が増える |
| 埋込みビア | 内層間のみ | 内側のコアに穴開け・めっきし、その後に積層する | 外層の面積を使わない | 費用、納期、積層構成が複雑になる |
| レーザーマイクロビア | 実際には通常、隣接層間 | レーザーで加工し、めっきする | 小径でBGAの配線引き出しとHDIに有利 | HDIの製造能力、材料、アスペクト比、信頼性の確認が必要 |
| スタックドマイクロビア | 同一軸上に複数のHDI遷移 | 逐次積層。充填やキャップめっきが必要な場合が多い | 非常に省スペースな垂直接続 | 工程が難しく、接合界面と熱サイクルが重要 |
| スタガードマイクロビア | 位置をずらした複数のHDI遷移 | 逐次積層 | 全界面を同一軸上に重ねずに済む | 配線面積と中間パッドを多く使う |
IPC-6012Fは、めっき貫通穴、ブラインドビア、埋込みビア、マイクロビアを含むリジッド基板構造を扱います。ただし規格中の値がそのまま生産能力を保証するわけではありません。製造業者が提供するDFMガイドと積層表を必ず入手してください。
貫通ビア：標準的な選択とその限界
PTH（めっき貫通穴）は、積層済みの基板を機械ドリルで貫通します。穴の内壁に処理とめっきを施し、堆積した銅が孔壁の導体となって外層パッドと指定した内層をつなぎます。
重要度の低い信号、配電、放熱ビア、中程度の密度の基板に適します。PTHが内層に接続するのはパッドが設けられた場所だけです。接続しないプレーンでは穴の周囲の銅を除去します。これをアンチパッドまたはクリアランスと呼びます。
PTHのスタブ
八層基板で信号をL1からL3へ移す場合も、貫通ビアの孔壁はL3から反対面まで続きます。この未使用部分がスタブです。低周波では問題にならないことが多いものの、エッジが速くなると共振性の分岐となり、アイダイアグラムを悪化させます。
製造業者と相談し、インターフェースを確認したうえで次から選びます。
- 信号品質の余裕が許すならスタブを受け入れる。
- 層の割り当てや配線構成を変え、未使用部分を短くする。
- ブラインドビアまたはHDI構造を使う。
- バックドリルを指定する。接続層の近くに余裕を残し、制御された穴開けで不要な孔壁を除去します。
バックドリルは明示すべき製造工程です。直径、深さ、公差、残す層、機械加工の禁止領域を指定します。配線後に場当たり的な形状修正として追加すべきではありません。
ブラインドビアと埋込みビア：工程を踏まえた高密度化
ブラインドビアは外層から始まり内層で終わります。埋込みビアは全体が内層にあり、残りの層を積層する前に一部の層で形成します。
これらを使うと、接続に関係しない層からパッドとクリアランスをなくせます。BGAの下、高密度コネクタのそば、内層の配線領域が不足する場所に有用です。
製造業者との早期の協議が必要です。
- 各ビア種で許される層の組み合わせ。
- 穴開け工程の位置と必要な積層回数。
- 保証される穴位置と位置合わせの公差。
- 内層の受けパッドに指定寸法があるか。
- めっき、洗浄、検査が要求される信頼性水準に適合するか。
CADツールで描けるからといって、安易に「L1からL4へのブラインドビア」を配置しないでください。利用できる層の組み合わせは論理的な層数だけでなく、実際の積層構造によって決まります。
レーザーマイクロビアとHDI
マイクロビアは高密度相互接続（HDI）で使う小さな接続穴で、通常はレーザーで加工します。表面の開口が底部より広いテーパー形状になることが多く、PTHとは違って短い層遷移、通常は隣接層間に限られます。
深さが短いと、穴開け、洗浄、めっきに適した深さと直径の比を保ちやすくなります。比率、仕上がり径、受けパッド、材料は工程によって異なります。一つの基板やBGAの例から普遍的な設計則を作らないでください。
単一、スタックド、スタガードのマイクロビア
単一マイクロビアは一組の層を接続します。複数のHDI層を移る場合は、次の構成があります。
- スタックドマイクロビア：同じ垂直軸にそろえます。配線面積は小さくなりますが、次の層を形成する前に制御された充填とキャップめっきが必要な場合が多くあります。
- スタガードマイクロビア：各段を異なるパッド位置に配置します。面積は増えますが、すべての接合界面を同じ位置に重ねずに済みます。
- 機械加工ビアとの組み合わせ：例えばL1–L2のマイクロビアに続いて、コアを貫くPTHまたは埋込みビアを使います。
多段構造の工程を逐次積層と呼びます。各回で製造時間、累積公差、信頼性評価が必要な界面が増えます。スタックドマイクロビアは単なる小さいPTHではありません。充填、表面めっき、受けパッドの準備、リフロー後の導通試験には特に注意が必要です。
IPCは、マイクロビアの故障が室温で潜在化し、リフロー中に現れる場合があると警告しています。高い信頼性が必要な製品では、実際のビア構造と注文した工程に合ったクーポンと試験を求めます。
パッド内ビア：最大密度には詳細な指定が必要
パッド内ビアは、特にBGAの下で、部品パッドの中にビアを直接配置します。層を変える前に配線を引き出す必要がなく、非常に細かいボールピッチに対応できます。
パッド内の開放穴はリフロー中にはんだを吸い込んだり、表面を不均一にしたりします。パッド内ビアを使うなら、通常は製造仕様に次の処理を記載します。
- 非導電性または導電性の充填材。
- 必要なソルダーマスクの被覆。
- 銅のキャップめっきと要求される平坦度。
- リフロープロファイル、BGA寸法、検査との適合性。
VIPPOはめっきで覆ったパッド内ビアを指す略語としてよく使われますが、通称だけでは製造条件を指定できません。IPC-4761にはテント、プラグ、充填、被覆、充填・キャップなどの区分があります。製造注記で処理種別と受け入れ基準を明記してください。
製造業者に伝える形状寸法
寸法の名称を正しく使うことで、大半の誤解を防げます。
| 要素 | 目的 | 確認事項 |
|---|---|---|
| 工具径 | 仕上げ前のドリルまたはレーザーによる穴径 | 仕上がり穴径やCAD上の寸法と一致するとは限らない |
| 仕上がり穴径 | めっき後の開口 | 部品のクリアランスや内部の導体断面積を決める |
| 孔壁銅厚 | 穴の内壁の銅の厚さ | 抵抗、熱サイクル性能、通電能力を左右する |
| パッド（ランド） | 穴の周囲の銅領域 | 穴位置、位置合わせ、組立公差を吸収する必要がある |
| アニュラーリング | 仕上がり穴の縁とパッドの縁の間に残る銅の幅 | CADの公称形状だけでなく、穴開け後の最小残存幅を確認する |
| 受けパッド | ブラインドビアやマイクロビアが終端する内層のランド | 工程、位置合わせ、信頼性クラスに依存する |
| アンチパッド | 接続しないプレーン内の開口 | 絶縁を確保し、容量、インダクタンス、インピーダンスに影響する |
機械加工した穴では、アスペクト比は通常、穴の深さとドリル径の比です。DFM協議には有用ですが、単一の値で製造可能性は保証できません。めっき能力、積層回数、材料、仕上がり径、要求クラスも関係します。
PTHでは公称パッド径だけでは足りません。穴開けと位置合わせの公差を考慮してもアニュラーリングを残す必要があります。マイクロビアの受けパッドにもレーザー位置ずれとテーパー形状を考慮します。汎用ライブラリに頼らず、製造業者のDFM文書の値をCADルールへ反映してください。
電流、抵抗、並列ビア
ビアの銅は中実円柱ではありません。充填されていないPTHでは、主に孔壁の銅に電流が流れます。一次近似の断面積は仕上がり穴の周囲の銅リングの面積です。めっき長が長いほど抵抗は増え、仕上がり穴径と孔壁銅厚が大きいほど減ります。
PCBビア計算ツールは、20 °Cでの銅の抵抗率とその温度変化を使ってこの原理を適用します。続いて次を計算します。
- 一つのめっき経路の抵抗。
- 実際に並列接続された経路の等価値。
- 電圧降下とジュール損失。
- 入力したビア群の熱抵抗から求める平衡温度。
- 選んだ温度上限での連続電流の推定値。
「ビア一本あたりのアンペア数」では分からないこと
ビア一本あたりの普遍的な電流定格はありません。温度は接続するプレーン、銅面積、経路の数と対称性、基板厚、気流、近くの熱源、通電時間で決まります。形状が同じ二つのビアでも温度は大きく異なり得ます。
電流を分担させるには、給電と接続を十分に対称にする必要があります。離れた位置にあるビア群を細い配線や分割プレーンで結んでも、電流が均等に分かれるとは限りません。パッドと接続する銅にも同じ電流を運べる面積が必要です。電源接続ではそこが実際の制限になる場合があります。
部品の下に置くサーマルビアは実装面も検討します。ソルダーマスクの開口、はんだ量、平坦度、放熱、部品メーカーの指示によって、プラグ、充填、被覆したビアが必要になることがあります。
高周波ビア：リターン経路、アンチパッド、共振
層遷移は孔壁抵抗だけで決まりません。高周波ではパッド、プレーン、アンチパッド、ビア長、スタブ、リターン経路が分布定数的な不連続を作ります。
リターン経路
リターン電流は電磁的に最も近い基準面に沿います。信号が層を変えて基準面も変わる場合、遷移点の近くにグラウンドまたはリターン用のビアを配置します。短い帰路を与えてループ面積を抑えられます。ない場合はプレーン間容量や遠回りの経路を通るため、放射、コモンモード、信号劣化が増えます。
アンチパッドとパッド
基準プレーンにおけるアンチパッドは単なるマスクの細部ではありません。孔壁とプレーンの容量結合を変えます。クリアランスを広げると通常はその容量が下がりますが、インダクタンスや電源・リターン経路の連続性も変わります。信頼できるシミュレーションには実際のパッド形状、アンチパッド、隣接ビア、プレーンを含めます。
LC見積もりを使う場面
計算ツールは、めっき長、孔壁径、クリアランス、比誘電率に基づく同軸形状の集中定数一次近似を使います。選択肢の比較や明らかに不利な形状の発見に役立ちますが、実際の接続部のSパラメータは求められず、次の要素を正確にはモデル化しません。
- 分布定数のスタブと共振。
- 円形でないアンチパッドと複数のプレーン。
- リターン電流、グラウンドビア、パッド、引き出し配線。
- 誘電損失、銅表面の粗さ、分散。
- 近接する層遷移同士の結合。
高速インターフェースでは、リスクに応じて3D電磁界シミュレーション、ライブラリのSパラメータ、またはテストクーポンとTDR測定を使います。マイクロストリップとストリップラインのインピーダンスおよび差動ペアのインピーダンスも参照してください。
ビアの保護と表面仕上げ
ビア表面の処理は、はんだの吸い込み防止、平坦面の維持、銅露出の制限、実装性向上、パッド内ビアの準備に役立ちます。
| 処理 | 主な用途 | 注意点 |
|---|---|---|
| テントビア | ソルダーマスクがビア開口を覆う | マスクがすべての穴を覆うとは限らない。径とテントのルールを確認する |
| プラグビア | プラグ材を穴に入れる | プラグだけで平坦面や銅キャップが得られるわけではない |
| 充填ビア | 穴の容積をより完全に充填する | 材料、許される空隙、熱的適合性を指定する |
| 充填・被覆ビア | 充填後にソルダーマスクやフィルムで被覆する | 表面へのアクセスを制限する場合がある。必要なら両面を指定する |
| 充填・キャップビア | 充填後に銅のキャップめっきを施す | パッド内ビアで一般的。平坦度と信頼性を評価する |
IPC-4761はType IからVIIまでを含む有用な用語を定義します。製造仕様には「パッド内ビアを充填し、共面性に影響するくぼみがない銅キャップを施す」のように明確な条件を書き、「充填」だけの記載は避けてください。
選定手順
- **部品と配線の要求から始める。**BGAピッチ、引き出し層、差動ペア、PTHが配線を妨げる場所を確認します。
- **製造業者と積層を決める。**コア、プリプレグ、HDIの層の組み合わせ、積層順序をファンアウト確定前に定義します。
- **成立する最も単純な構造を使う。**通常はPTHから検討し、密度、スタブ、実装の要求がある場合に限りブラインド、埋込み、マイクロビアへ移ります。
- **仕上がり寸法のルールを確認する。**DFMガイドの工具径、仕上がり穴径、パッド、アニュラーリング、アンチパッド、受けパッド、間隔をCADへ取り込みます。
- **電流と熱を評価する。**ビア、パッド、プレーン、隣接銅、冷却条件を含む全体を評価します。
- **高速の層遷移をRF構造として扱う。**リターンビアと規定したアンチパッドを設け、必要に応じてスタブを解析または測定します。
- **検証可能な製造注記を書く。**ビア種、層、処理、充填・キャップの基準、バックドリル、必要なクーポンを明記します。
リリース前のチェックリスト
- 各ビアの種類、開始・終了層、積層に紐付くパッドスタックのルールは明確か。
- 穴径とパッド径が、工具径、仕上がり寸法、公称値のどれか明示されているか。
- 残るアニュラーリング、受けパッド、アンチパッドは選んだ製造業者のDFMに適合するか。
- ブラインド、埋込み、マイクロビアは利用可能な層の組み合わせと積層工程に合うか。
- 並列ビアの接続は十分に対称で、周囲の銅面積は足りるか。
- パッド内ビアとサーマルビアの充填、キャップ、マスク、平坦度の要求は明確か。
- 高速の層遷移にはリターン経路、定義されたアンチパッド、スタブの検証計画があるか。
- クーポン、断面観察、インピーダンス測定、信頼性試験は最終用途に見合うか。
参考文献
- IPC-2221C — プリント基板設計の一般規格：製品に適用される文書で補完する設計の基本原則。
- IPC-6012F — リジッドプリント基板の認定と性能仕様：ブラインド、埋込み、マイクロビアを含むリジッド基板の認定と性能。
- IPC-4761 — ビア保護の定義と種類：ビアの用語と保護方法。
- IPCの設計クーポン資料：構造クーポンは貫通、ブラインド、埋込み、スタックド／スタガードマイクロビアなどを対象とします。
- 選んだ製造業者のDFMガイド、積層表、HDI能力、認定計画：一般的な値より常に優先します。