プリント基板はなぜパッド上ビア設計が必要なのか

プリント基板(PCB)の設計において、パッド上ビア設計は特殊な設計手法であり、主に以下の機能を持ちます:
1、高密度配線要求の満足
配線空間の増加
電子製品の小型化・多機能化が進むにつれ、PCB上の電子部品密度はますます高くなり、配線空間が極めて限定的になります。
パッド上ビア設計は、限られた平面空間内でパッド上にビアを設置することで異なる層間の電気的接続を実現し、配線により多くの経路選択肢を提供し、効果的に配線空間を増加させます。
例えば、一部のハイエンドスマートフォンのマザーボード設計では、多くの機能モジュールが統合されているため部品密度が非常に高く、パッド上ビア設計を採用することでPCBサイズを増やすことなく複雑な配線要求を満たせます。
複雑な回路接続の実現
一部の複雑な回路設計では、複数の異なるネットワーク間の接続を実現する必要がある場合がありますが、従来の配線方法では要求を満たせないことがあります。
パッド上ビア設計は、キーノードにビアを設置することで異なるネットワークを接続し、複雑な回路機能を実現できます。
例えば、高速デジタル回路では信号の整合性を確保するため、信号のインピーダンスを厳密に制御する必要があります。パッド上ビア設計を通じて、特定位置に接地ビアを導入することで信号の基準面切り替えを実現し、信号のインピーダンスを調整して高速信号伝送の要求を満たせます。
2、電気的性能の向上
信号伝送インピーダンスの低減
信号がPCB上を伝送する際、インピーダンスの不連続性は信号反射や減衰などの問題を引き起こし、信号品質に影響を与えます。
パッド上ビア設計は、ビアの位置・サイズ・形状を最適化することで信号伝送経路上のインピーダンス不連続性を低減し、信号伝送インピーダンスを減少させて信号の整合性を向上させます。
例えば、高速差動信号伝送では、パッドビアの位置と間隔を合理的に設計することで差動ペアのインピーダンスをより整合させ、差動信号間のクロストークを低減し、信号の伝送品質を向上させられます。
電磁干渉の低減
電子製品において、電磁干渉は一般的な問題であり、回路の正常動作に影響を与えます。
パッド上ビア設計は、敏感な信号と干渉源を分離することで電磁干渉の影響を低減できます。
例えば、アナログ回路とデジタル回路が共存するPCBでは、アナロググラウンドとデジタルグラウンドの間にパッド上ビアを設置することでグラウンド面の分割を実現し、デジタル回路からアナログ回路への干渉を低減できます。
3、冷却性能の向上
冷却経路の提供
電子部品の電力密度が高まるにつれ、放熱は電子製品の信頼性に影響する重要な要素の一つとなっています。
パッド上ビア設計は、PCB上に放熱経路を形成し、発熱部品からの熱を放熱層や外部放熱器に伝達することで放熱効率を向上させます。
例えば、高電力LED照明器具のプリント基板設計において、LEDパッド上にビアオンパッドを設定することで、LEDから発生する熱を迅速にプリント基板の放熱層に伝達し、LEDの動作温度を低下させ、その信頼性と寿命を向上させることができます。
均一な放熱分布
一部の大面積プリント基板では、放熱が不均一であると、局部温度が過度に上昇し、電子部品の性能と寿命に影響を及ぼす可能性があります。
ビアオンパッド設計は、スルーホールを合理的に配置することで、熱をプリント基板上により均一に分散させ、局部過熱の問題を回避することができます。
例えば、サーバーマザーボードなどの大型プリント基板の設計では、通常、大量のビアオンパッドを使用して放熱性能を最適化し、マザーボード全体の温度が安全範囲内に収まるようにします。
4、特殊なパッケージング要件への対応
BGAなどのパッケージ形態への対応
ボールグリッドアレイ(BGA)パッケージングは集積回路の一般的なパッケージ形態であり、ピン数が多く間隔が狭いため、プリント基板設計に対して高い要求があります。
ビアオンパッド設計は、BGAパッケージングされたチップに対して良好な電気的接続と放熱経路を提供し、高密度・高性能の要件を満たすことができます。
例えば、一部の高性能コンピュータマザーボードやグラフィックスカードの設計では、BGAパッケージングされたチップが広く使用されており、ビアオンパッド設計は不可欠な部分となっています。
特殊部品の取り付け対応
一部の特殊な応用シナリオでは、特殊な形状やサイズの電子部品を取り付ける必要がある場合があり、従来のプリント基板設計では要件を満たせないことがあります。
ビアオンパッド設計は、特殊部品の取り付け要件に応じてカスタマイズでき、特殊部品に対して信頼性の高い接続と固定を提供します。
例えば、一部の産業制御装置では、大型の放熱器や誘導性部品を取り付ける必要がある場合があり、プリント基板上にビアオンパッドを設定することで、これらの部品を確実に取り付け、良好に接続することができます。
ビアオンパッドの基準とは何ですか?
ビアオンパッド設計の許容基準は、主に以下の側面を含みます:
1、電気的性能
導通性
ビアオンパッドは良好な電気的導通性を保証しなければなりません。マルチメーターまたは専用の導通試験機で抵抗値をテストできます。抵抗値は設計値を満たす必要があります。
例えば、一般的なデジタル回路では、ビアオンパッドのオン抵抗は50ミリオーム未満であるべきです。高精度アナログ回路や高速信号伝送ラインでは、オン抵抗はさらに低く、10ミリオーム未満が要求される場合があります。
インピーダンス制御
高速デジタル回路やRF回路では、ビアオンパッドのインピーダンスは設計要件を満たす必要があります。通常、インピーダンス測定装置を使用してインピーダンス値をテストし、ビアオンパッドの品質を管理下に置きます。インピーダンス値は指定された許容範囲内でなければなりません。
例えば、50オームの伝送ラインの場合、ビアオンパッドのインピーダンスは45~55オームの間で制御されるべきです。
信号完全性
信号完全性テストを通じて、ビアオンパッドが信号伝送に与える影響を評価します。
オシロスコープやネットワークアナライザーなどの装置を使用して、信号の波形、振幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間などのパラメータを確認し、信号がビアオンパッドを通過する際に明らかな歪み、減衰、反射がないことを保証します。
例えば、高速デジタル信号では、信号がビアオンパッドを通過した後の立ち上がり時間と立ち下がり時間の変化が10%を超えないことが要求されます。RF信号では、反射係数が-15dB未満であることが要求されます。
5. パッド上のビアに関するIPC-6012DまたはIPC 4671 VII規格
ビア充填材および銅パッドへの金属化コーティングの密着性。銅厚。充填材と銅表面間の平坦性。充填材と金属化層の熱膨張係数(CTE)の不一致による気泡の発生(充填材の収縮)。ビア充填率が100%未満の場合、金属化キャップが薄すぎたり、くぼみが生じたりする可能性があり、これも空気が閉じ込められてBGAはんだ接合部にボイドを生じる原因となる。金属化コーティングのピンホールは、BGAはんだ接合を目的としたキャップ付きビアのランドにおいて、はんだ付け不可能な領域を生み出す。くぼみによるはんだ体積の減少も懸念事項である。
A: 理想的な状態:くぼみや突起なし。
B: くぼみまたは突起あり。

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|
クラス I |
クラス II |
クラス III |
|
キャップ銅厚 (um) |
AABUS |
5 |
12 |
|
くぼみ 最大 (um) |
AABUS |
127 |
76 |
|
突起 最大 (um) |
AABUS |
50 |
50 |
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