ビア（エレクトロニクス）

ビアの種類：（1）スルーホール。（2）ブラインドビア。（3）埋め込みビア。灰色と緑色の層は非導電性で、オレンジ色の薄い層と赤色のビアは導電性です。

ビア（ラテン語で「経路」または「道」を意味する）は、プリント回路基板（PCB）または集積回路の2つ以上の金属層間の電気的接続です。基本的にビアとは、隣接する2つ以上の層を貫通する小さなドリル穴のことです。この穴には金属（多くの場合銅）がめっきされ、絶縁層を介した電気的接続を形成します。

ビアはPCB 製造において重要な懸案事項です。[ 1 ]ビアは複数の層を横切る垂直構造であるため、設計の大部分とは異なる仕様で指定され、エラーが発生する可能性が高くなります。ビアでは位置合わせ (異なる層をどれだけ密接に揃えるか) が最も厳しく要求されます。ビアは他のフィーチャとは異なるツールを使用して製造されます。通常、ビアは他のフィーチャよりも許容誤差が緩いツールです。穴またはいずれかの層が少しでもずれていると、間違った電気接続が行われる可能性があります。これは表面からは見えない場合があります。穴を開けた後、単に銅層上に導電材料を残しておくのではなく、穴を導電材料で裏打ちする必要があります。最初は問題のないボードでも、ビアが周囲の基板とは異なる熱に反応するため、後で問題が発生する可能性があります。また、ビアは電気インピーダンスの不連続性を表し、信号の整合性に問題を引き起こす可能性があります。

プリント基板

1.6 mm PCB 上の 1 ミルめっきビア電流容量と抵抗と直径の関係を示す PCB ビア電流容量チャート。

プリント基板（PCB）設計において、ビアは基板の異なる銅層上の対応する位置にある2つのパッドで構成され、基板を貫通する穴によって電気的に接続されます。この穴は電気めっきによって導電性を持たせるか、チューブやリベットで裏打ちされます。高密度多層PCBにはマイクロビアが使用される場合があります。ブラインドビアは基板の片面のみに露出しますが、埋め込みビアは基板のどちらの面にも露出せずに内部層を接続します。サーマルビアはパワーデバイスから熱を逃がし、通常は約12個のアレイで使用されます。[ 2 ] [ 3 ]

ビアは次の要素で構成されます。

  1. バレル - ドリルで穴を埋める導電性チューブ
  2. パッド - バレルの両端をコンポーネント、プレーン、またはトレースに接続します
  3. アンチパッド - バレルと接続されていない金属層との間のクリアランスホール
城郭状の穴を備えたRaspberry Pi Pico

ビアはPTVまたはメッキスルービアとも呼ばれますが、メッキスルーホール（PTH）と混同しないでください。ビアはPCB上の銅層間の相互接続として使用されますが、PTHは通常ビアよりも大きく作られ、非SMT抵抗器、コンデンサ、DIPパッケージICなどの部品リードを受け入れるためのメッキ穴として使用されます。PTHは機械的接続用の穴としても使用できますが、ビアは使用できません。PTHの別の用途はキャスタレーション穴として知られており、PTHはボードの端に配置され、ボードがパネルから削り出される際に半分に切断されます。主な用途は、スタック内の1つのPCBを別のPCBにはんだ付けできるようにすることです。つまり、ファスナーとコネクタの両方の役割を果たします。[ 4 ]

右の図に、3 つの主要な種類のビアを示します。PCB を作成する基本的な手順は、基板材料の作成と層状の積み重ね、ビアのめっきによる貫通ドリル加工、フォトリソグラフィーとエッチングを使用した銅トレースのパターン化です。この標準手順では、可能なビア構成はスルーホールに限定されます。[ a ]レーザーなどの深さ制御ドリル技術を使用すると、より多様なビアタイプが可能になります。レーザードリルは、機械式ドリルで開けるよりも小さく正確に配置された穴にも使用できます。PCB の製造は、通常、いわゆるコア、基本的な両面 PCB から始まります。最初の 2 層を超える層は、この基本的な構成要素から積み重ねられます。コアの下からさらに 2 層連続して積み重ねると、1-2 ビア、1-3 ビア、およびスルーホールを作成できます。各タイプのビアは、各積み重ね段階でのドリル加工によって作成されます。1 つの層をコアの上に積み重ね、他の層を下から積み重ねると、可能なビア構成は 1-3、2-3、およびスルーホールになります。ユーザーは、PCBメーカーが許可する積層方法とビアに関する情報を収集する必要があります。安価な基板では、スルーホールのみが設けられ、ビアと接触しない層にはアンチパッド（またはクリアランス）が配置されます。

IPC 4761

IPC 4761 では次のビア タイプが定義されています。

  • タイプI: テント経由
  • タイプII: テントで覆われた
  • タイプIII-a: プラグビア、片側は非導電性材料で密封
  • タイプIII-b: 両側が非導電性材料で密封されたプラグビア
  • タイプ IV-a: プラグで塞がれたビア、非導電性材料で密封され、片側がウェットソルダーマスクで覆われている
  • タイプIV-b: プラグで塞がれたビア、非導電性材料で密封され、両側がウェットソルダーマスクで覆われている
  • タイプV: 充填ビア、非導電性ペーストを充填
  • タイプ VI-a: 充填および覆われたビア、片側がドライフィルムまたはウェットソルダーマスクで覆われている
  • タイプ VI-b: 充填およびカバーされたビア、両面がドライフィルムまたはウェットソルダーマスクで覆われている
  • タイプ VII: 充填キャップ付きビア、非導電性ペーストで充填され、両面にオーバーメッキされている

失敗行動

PCBビアが適切に製造された場合、主に銅めっきとPCBの面外方向（Z方向）における膨張・収縮差が原因で故障が発生します。この膨張・収縮差は銅めっきに周期的な疲労を引き起こし、最終的には亀裂の進展と断線につながります。この劣化の速度は、設計、材料、環境など様々なパラメータによって左右されます。[ 5 ] [ 6 ]ビアの堅牢性を確保するため、IPCはラウンドロビン試験を実施し、故障までの時間を計算するツールを開発しました。[ 7 ]

集積回路のビア

集積回路（IC）設計において、ビアとは絶縁酸化物層に設けられた小さな開口部であり、異なる層間の導電接続を可能にします。集積回路上のシリコンウェーハまたはダイを完全に貫通するビアは、チップ貫通ビアまたはシリコン貫通ビア（TSV）と呼ばれます。ガラス貫通ビア（TGV ）は、シリコンパッケージングに比べてガラスの電気損失が少ないことから、コーニンググラス社によって半導体パッケージング向けに研究されています。 [ 8 ]最下層の金属と拡散層またはポリシリコンを接続するビアは、一般的に「コンタクト」と呼ばれます。

  • 多層基板上のめっきスルーホール（拡大）
    多層基板上のめっきスルーホール（拡大）
  • CADにおける二層めっき。ビアによりEDA配置が可能。下層 – 赤、上層 – 青
    CADで二層めっき。ビアによりEDA配置が可能。 下層 – 赤、上層 – 青
  • めっきスルーホールのめっき：上 – 最上層、下 – 最下層
    メッキスルーホールのメッキ：上 – 最上層下 – 最下層
  • 多層ビアの断面
    多層ビアの断面
  • 小さな金属の円はビアです
    小さな金属の円はビアです
  • 目に見える穴のないビアを埋める
    目に見える穴のないビアを埋める

参照

注記

  1. ^コアあたりのスルーホール数。追加のコアと積層工程を用いることで、ブラインドビアまたはベリードビアを作成することは可能ですが、コストは高くなります。また、バックドリルで片面からめっきを除去した後に目的の層まで貫通させることも可能です。この場合、物理的な穴はスルーホールのままですが、電気的にはブラインドビアと同等の働きをします。PCBにブラインドビアやベリードビアを設けるのに十分な層数が必要な場合は、（レーザードリルで穴を開けた）マイクロビアを必要とするほど小さな配線を密集させて使用している可能性が高くなります。

参考文献

  1. ^ 「PCBビア：詳細ガイド」ePiccoloエンジニアリング。
  2. ^ 「PCB 設計: サーマルビアに関する事実と誤解の詳細」。
  3. ^ Gautam, Deepak; Wager, Dave; Musavi, Fariborz; Edington, Murray; Eberle, Wilson; Dunford, Willa G. (2013-03-17).サーマルビアを備えた電力コンバータの熱管理に関するレビュー. 2013 Twenty-Eighth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). ロングビーチ、カリフォルニア州、米国: IEEE. doi : 10.1109/APEC.2013.6520276 .
  4. ^ 「キャスタレーション穴 / エッジメッキPCB / キャスタレーション」 Hi-Tech Corp. 2011年。 2016年5月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年1月2日閲覧。
  5. ^ C. Hillman、「メッキ貫通ビアの故障について」、Global SMT & Packaging – 2013年11月、pp 26-28、 https://www.dfrsolutions.com/hubfs/Resources/services/Understanding_Plated_Through_Via_Failures.pdf ?t=1514473946162
  6. ^ C. Hillman, 信頼性の高いメッキ貫通ビアの設計と製造, http://resources.dfrsolutions.com/White-Papers/Reliability/Reliable-Plated-Through-Via-Design-and-Fabrication1.pdf 2017年12月31日アーカイブ, Wayback Machine
  7. ^ 「めっきスルーホール（PTH）疲労計算機」 DfRソリューションズ2017年12月17日閲覧。
  8. ^ 「ガラス貫通ビア（TGV）技術の進歩と応用」（PDF） . corning.com . 2019年8月8日閲覧。

さらに読む

ウィキブック「実用電子工学」には、 「PCBレイアウト#穴」に関するページがあります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Via_(electronics)&oldid=1326599620#Castellated_hole」より取得