PCBビア設計のポイント

　高品質のPCB設計には、革新的なコンセプトが必要なだけでなく、PCB製造プロセスに対する深い理解も欠かせません。PCB設計の重要なステップの一つであるビア設計は、PCBの性能と製造効率の両方にとって非常に重要です。

ビアはどんなサイズでも設計できるのでしょうか？

　この質問に答えるために、まずPCB上の穴がどのように作られるかを理解しましょう。

1. 材料の切断： PCBメーカーは自動切断機を使い、大きな銅張積層板を生産に必要な特定のサイズの基板にスライスします。切断前の銅張積層板は下図のようになっている：  

2. 穴あけ： CNCドリルマシンが銅張積層板の指定された位置に正確に穴を開ける。ドリルの刃は円形なので、開けられるのは丸い穴だけで、四角い穴は加工できない。

　例えば、円形のピンポン玉を直角のコーナーに置くと、ピンポン玉の曲がった部分とコーナーとの間に隙間ができます。この隙間がいわゆる 「R角 」と理解できる。同様に、ドリル刃は丸いので、四角い穴は開けられない。

　JLCPCBでは、PCB加工にメカニカルドリルを使用しています。ドリルビットの仕様は最小0.05mm単位で増減し、円形ドリルビットは直径0.15mmから6.30mmまで。最小のスロット・ドリル・サイズは0.65mm（メタライズド・スロット用）、最小の非メタライズド・スロット・ルーティング・ビットは1.0mmである。

そのため、PCB設計時にビアを任意のサイズで設計することはできません。

スモールホールの考慮点  

　小さな穴とはどのようなサイズですか？一般的に0.3mm以下の穴をスモールホールと呼びます。ビアが小さくなればなるほど、特に製造工程の限界に近づいた場合、加工が難しくなります。これは、「アスペクト比 」と呼ばれる業界用語に関連しています。

- アスペクト比： 基板の厚さとビアの直径の比。アスペクト比が大きいほど、加工の難易度は高くなる。つまり、ビアが小さいほど製造が難しくなる。

1.  電気めっきの難しさ： ビアサイズが小さくなるにつれ、直径が小さくなるため、電気めっき時に銅が均一に析出しにくくなり、非導電性ホールや欠陥ホールなどの問題が発生する可能性が高くなります。要約すると、ビアが小さいと銅析出の成功率が低くなります。

　プリント基板の品質を確保するため、JLCPCBは4線式低抵抗検査を採用し、穴壁の銅メッキ状態を検出します。従来の方法と比べ、四線式低抵抗検査は精度が高く、不良穴の特定が容易で、製品の信頼性と品質を確保することができます。

2. 加工効率が低い： 小型ドリルビットは有効長が短いため、同時に穴あけできる基板の枚数が減り、生産効率に直接影響する。ドリル折損を防ぐため、小径穴加工では送り速度を遅くし、回転速度を上げる必要がある。この工程は加工時間を増加させるだけでなく、ドリルの摩耗を加速させる。

　従って、PCB設計では、加工効率とコスト削減を確実にするために、ビアサイズを0.3mmより大きく設計することを推奨する。スペースに制約がある場合のみ、小さなビアを検討してください。

3. 外径の問題： スルーホールやハンダ穴を設計する場合、内径と外径の両方の要件を考慮することが重要です。これらのパラメータはPCB製造工程に直接影響します。

　JLCPCBでは、両面・多層基板の最小内径は0.15mm、最小外径は0.25mmです。JLCでは、最大32層までの多層基板の製造が可能です。JLCは、独自の超高層技術と樹脂プラグド・ビア技術により、最小穴径0.15mm、最小トレース/スペース0.0762mmを実現し、数百種類の積層構造に対応している。6層以上の基板では、電解メッキキャップを使用したレジンプラグド・ビア技術が使用され、ビアをパッド上に直接配置できるため、パッド表面が平坦になり、配線スペースが広がります。

　さらに、環状リングが小さすぎる場合、加工中の装置のずれによって生じる穴あけとフィルムの位置合わせのずれが、穴の中心をずらすことにつながります。

　このようなミスアライメントは、パッドの有効面積を減少させ、製造上の欠陥を増加させ、さらには電気的接続不良を引き起こす可能性がある。従って、製造公差を考慮しながら、妥当な環状リングサイズを設計することは、プリント基板の品質と信頼性を確保するために不可欠です。

スロット設計の考慮事項

　スモールホールに加えて、スロット設計も見逃せません。一部の特殊パッケージでは、スロットは必須の設計要素です。スロットを設計する際には、以下の2点に注意してください：  

1. 短いスロット： ショートスロット：ショートスロットは、PCB穴あけ加工において最も加工が難しい。短いスロットとは、スロットの長さが幅の2倍未満のものを指す。スロットの長さが幅の2倍未満であるため、始点と終点をドリルで加工すると、ドリルビットが部分的に基板上に乗ったり、部分的に浮いたりすることがあり、不均等な力が加わって、スロットの位置ずれや短縮を引き起こします。したがって、スロット設計に推奨される最適な長さと幅の比は、長さ/幅≧2.5である。

2. 長いスロット：長いスロットを設計する場合、特に5mmを超えるスロットは、はんだレベリング（HASL）プロセスを選択することを推奨する。スロットの環状幅は、理想的には0.3mmを超える（0.2mmが限界）か、無電解金めっきプロセスを使用する。環状幅が0.3mm未満の場合、はんだレベリング時の接着が不十分となり、バーストなどの熱応力に起因する問題が発生する可能性があります。片面銅リングのスロットもバーストしやすい。

　スロットが高密度に配置されている場合、穴あけ時に基板の縦糸と横糸が損傷し、はんだレベリング時に破裂する可能性があります。このような特殊な設計の場合は、無電解金めっきプロセスを推奨する。

バイアと部品穴の違い

　PCBでは、穴径はビア（Via）とコンポーネントホール（Pad）に分けられます。それぞれの機能や加工条件は異なるため、混在させないようにする必要があります。

・ビア（Via）： 主に層間信号接続に使用され、通常ソルダーマスクで処理される。

・コンポーネントホール（Pad）： 通常、部品の取り付けやはんだ付け用のスルーホールとして設計される。

ビアとコンポーネントホールが混在するシナリオは2つある：  

1. メッキスルーホールにビア属性を誤って使用した場合： メッキ・スルー・ホールに誤ってビアを使用した場合、はんだマスクがホールを塞いだり詰まらせたりして、部品の適切な取り付けを妨げる可能性がある。

2. 部品穴を誤ってビアとして使用する： 部品穴が誤ってビアとして設定され、注文でソルダーマスクカバレッジが指定されている場合、部品穴の露出した銅がソルダーマスクで覆われ、はんだ付け品質に影響します。

概要

1. PCB 設計において、バイアスは任意の大きさにすることはできない。

2. 0.3mmより小さい穴はスモールホールとみなされる。小さい穴は電解めっきが難しく、加工効率が低下し、アライメントの問題を引き起こす可能性がある。

3. 短いスロットは加工が難しい。推奨される縦横比は2.5以上である。

4. 4.スロットの設計は、環状幅が0.3mm（限界：0.2mm）を 超えるようにすること。スペースの制約により不可能な場合は、無電解金めっきプロセスを使用する。

5. ビア（Via）と部品穴（Pad）の混在は避けること。