金物店がさまざまな種類、メートル法、材質、長さ、幅、ピッチなどの釘やネジを管理し、表示する必要があるのと同様に、PCB 設計でも、特に高密度設計では穴などの設計オブジェクトを管理する必要があります。従来の PCB 設計では、数種類の異なるパス ホールしか使用できませんでしたが、今日の高密度相互接続 (HDI) 設計では、多くの異なるタイプとサイズのパス ホールが必要になります。各パスホールは正しく使用できるように管理され、基板のパフォーマンスを最大限に高め、エラーのない製造性を保証する必要があります。この記事では、PCB 設計における高密度スルーホールの管理の必要性と、これを実現する方法について詳しく説明します。

高密度 PCB 設計を推進する要因 

小型電子デバイスの需要が高まるにつれ、これらのデバイスに電力を供給するプリント基板は、それらのデバイスに適合するために縮小する必要があります。同時に、性能向上の要件を満たすために、電子デバイスは基板上にさらに多くのデバイスや回路を追加する必要があります。 PCB デバイスのサイズは常に縮小しており、ピンの数は増加しているため、より小さなピンを使用し、より狭い間隔で設計する必要があり、問題はさらに複雑になっています。 PCB 設計者にとって、これはバッグの中に物がどんどん入っていきながら、バッグがどんどん小さくなっているのと同じことです。回路基板設計の従来の方法はすぐに限界に達します。

より小さな基板サイズにより多くの回路を追加するニーズを満たすために、新しい PCB 設計手法である高密度相互接続 (HDI) が登場しました。 HDI 設計では、より高度な回路基板製造技術、より細い線幅、より薄い材料、ブラインドおよび埋め込みまたはレーザードリルによる微細穴が使用されています。これらの高密度特性のおかげで、より多くの回路をより小さな基板に配置することができ、マルチピン集積回路に実行可能な接続ソリューションを提供します。

これらの高密度の穴を使用することには、他にもいくつかの利点があります。 

配線チャンネル:ブラインドホール、埋め込みホール、およびマイクロホールは層スタックを貫通しないため、設計に追加の配線チャネルが作成されます。これらの異なるスルーホールを戦略的に配置することで、設計者は数百のピンを備えたデバイスを配線できます。標準のスルーホールのみを使用すると、多くのピンを備えたデバイスは通常、すべての内部配線チャネルをブロックします。

信号の完全性:小型電子デバイス上の多くの信号にも特定の信号整合性要件があり、スルーホールはそのような設計要件を満たしていません。これらの穴はアンテナを形成したり、EMI 問題を引き起こしたり、重要なネットワークの信号リターン パスに影響を与えたりする可能性があります。ブラインドホールと埋め込みホールまたはマイクロホールを使用すると、スルーホールの使用によって引き起こされる潜在的な信号完全性の問題が排除されます。

これらのスルーホールをより深く理解するために、高密度設計で使用できるさまざまなタイプのスルーホールとその用途を見てみましょう。

高密度配線孔の種類と構造 

パスホールは、2 つ以上の層を接続する回路基板上の穴です。一般に、穴は回路によって運ばれる信号を基板の 1 つの層から他の層の対応する回路に伝達します。配線層間で信号を伝達するために、製造プロセス中に穴が金属化されます。特定の用途に応じて、穴とパッドのサイズが異なります。小さなスルーホールは信号配線に使用され、大きなスルーホールは電源およびアース配線、または過熱デバイスの加熱を助けるために使用されます。

回路基板上のさまざまな種類の穴

スルーホール

このスルーホールは、両面プリント基板が初めて導入されて以来、両面プリント基板に使用されている標準的なスルーホールです。穴は回路基板全体に機械的に開けられ、電気めっきされます。ただし、機械ドリルで穴あけできる最小穴には、ドリル直径と板厚のアスペクト比に応じて一定の制限があります。一般的に、スルーホールの口径は０．１５ｍｍ以上である。

止まり穴:

スルーホールと同様に、穴は機械的に開けられますが、製造工程が増えるため、プレートの一部のみが表面から開けられます。止まり穴はビット サイズ制限の問題にも直面します。ただし、ボードのどちら側にいるかに応じて、止まり穴の上または下に配線できます。

埋められた穴:

止まり穴と同様に、埋め込み穴は機械的に開けられますが、ボードの表面ではなく内部層で始まり、終わります。このスルーホールもプレートスタックに埋め込む必要があるため、追加の製造ステップが必要になります。

微細孔

この穿孔はレーザーで切除され、その開口は機械式ドリルビットの限界である 0.15 mm 未満です。微細穴は基板の隣接する 2 つの層にしか及ばないため、アスペクト比により、めっきに使用できる穴ははるかに小さくなります。微細穴は基板の表面または内部に配置することもできます。通常、微細穴は充填およびメッキされ、本質的に隠されているため、ボール グリッド アレイ (BGA) などのコンポーネントの表面実装要素のはんだボールに配置できます。開口部が小さいため、マイクロホールに必要なパッドも通常のホールよりもはるかに小さく、約 0.300 mm です。

設計要件に応じて、上記のさまざまなタイプの穴を構成して、それらが連携して機能するようにすることができます。たとえば、微細孔は、他の微細孔や埋め込まれた穴と積み重ねることができます。これらの穴は互い違いに配置することもできます。前述したように、表面実装素子ピンを使用してパッドに微細穴を配置できます。配線混雑の問題は、表面実装パッドからファン出口までの従来の配線が不要になることでさらに軽減されます。