大規模および超大規模集積回路の回路システムへの応用が増加するにつれて、チップの集積規模の拡大、サイズの縮小、ピン数の増加および速度の向上により、回路基板は多層化および複雑化の発展傾向を示している。ほとんどの高速多層PCBスルーホールビアを用いて層間の接続を実装します。しかし、電気的接続がトップ層からボトム層まで貫通しない場合、不要なスルーホールビアのスタブが生じる可能性があり、その結果、PCB の伝送品質に深刻な悪影響を及ぼします。したがって、高性能かつ高い要求水準を持つ一部の高速デジタルシステムにおいては、不要なスタブの影響を決して無視することはできません。コストと性能のバランスを図る試みを踏まえ、不要なスタブ効果を効果的に回避し、システムの伝送品質を向上させるために、ブラインドビア／ベリードビアの設計が登場しました。
とともに盲目で埋もれて経由本稿では、研究対象としての設計およびモデリング・シミュレーションを通じて、ブラインドビア／ベリードビアのビア径、パッドおよびアンチパッドに関するパラメータが、Sパラメータやインピーダンス連続性といった信号特性に及ぼす影響を主に解析し、高速PCBのブラインドビア／ベリードビア設計に対する実用的な指針を示す。
ブラインドビア／ベリードビアの主なパラメータと性能指標
高速デジタル回路用の多層PCBにおいて、高速信号を一つの層の配線から別の層の配線へ接続するためには、ビアが不可欠である。ビアは、実際には異なる層間の配線を接続する導体である。PCB設計の違いに基づき、ビアはスルーホールビア、ブラインドビア、ブラインドビアに分類され、その例を図1に示す。
・スルーホールビアは、PCB 全体を循環し、層間の相互接続配線や、部品の位置決め用ビアとして使用されます。
・ブラインドビアは、PCB 全体を循環することなく、PCB の内部層と表面層の配線との接続を担っています。
・埋め込みビアPCB の内部層同士の接続のみを担っています。PCB の外観から直接見ることはできません。
ビアは電気的な接続そのものとしてみなすことはできず、その信号完全性への影響を考慮しなければならない。したがって、高速デジタル回路の性能に対するビア構造設計の影響をよりよく理解することは、信号完全性に対する優れた解決策を得るうえで有益であり、それによって高速デジタルシステムの設計を最適化し、高速信号の伝送品質を向上させることができる。
高速回路において、ビアの等価電気モデルは、図2に示すように表すことができる。C1,C2とLそれぞれビアの寄生容量とインダクタンスを指します。
このモデルに基づくと、高速回路内のすべてのビアはグランドに対して寄生容量を生じます。寄生容量は、以下の式によって計算できます。
この式において、ビアの寄生容量は、グラウンドに対するアンチパッドの直径、ビアパッドの直径、基板材料の誘電率、およびPCBの厚さに等しい。高速デジタル回路では、ビアの寄生容量により信号の立ち上がり時間が遅くなったり劣化したりし、回路の動作速度が低下する。特性インピーダンスがZである伝送線路に対しては0、寄生容量と信号の立ち上がり時間の関係は、以下の式で示すことができる。
高速信号がビアを通過すると、寄生インダクタンスも発生します。高速デジタル回路では、ビアの寄生インダクタンスがもたらす影響は、寄生容量よりも大きくなります。寄生インダクタンスは、以下の式に従って計算できます。
この式において、ビアの寄生インダクタンスはビアの長さおよびビアの直径に等しい。また、寄生インダクタンスによって生じる等価インピーダンスは決して無視することはできず、等価インピーダンスと寄生容量および信号の立ち上がり時間との関係は、以下の式で示すことができる。
上述の式に基づき、ビアの電気的特性は設計パラメータによって変化する。ビア径、長さ、パッドおよびアンチパッドの変化は、高速回路においてインピーダンスの不連続を引き起こし、信号完全性に大きな影響を与える。本稿における信号特性の解析は、S パラメータの指標に基づいている。11（リターンロス）および S21（挿入損失）。挿入損失の減衰度が -3dB より小さい場合、有効帯域幅を用いてブラインドビア／埋め込みビアの信号伝送特性を評価・解析することができる。さらに、インピーダンス不連続によって生じる反射を解析するために、TDR シミュレーションを適用することができる。
ブラインドビア／ベリードビアのモデリングシミュレーションと結果解析
ブラインドビア／埋め込みビアが〜に及ぼす影響を研究するために高速PCB信号特性を考慮し、本稿では HFSS ソフトウェアを用いて 8 層 PCB モデルを設計した。そのモデルを図3に示す。
このPCBでは、1～2層、4～5層および7～8層はすべて信号層であり、3層目は電源層、6層目はグラウンド層である。各層の厚さは0.2mm（8mil）で、誘電体材料はFR4、誘電率は4である。信号線の配線幅は0.1mm（4mil）、厚さは0.13mm（1.1mil）である。シミュレーションでは、信号の立ち上がり時間を20ps、最高スイープ周波数を100GHzに設定している。
・ブラインド／埋めビアおよびスルーホールビアに起因する信号特性の影響の比較
信号ラインを第1層から第5層まで導通させる必要がある場合、接続にはブラインドビアを適用することができます。ブラインドビアの半径は0.1mm（4mil）、長さは0.81mm（32mil）に設定されています。
比較のために、スルーホールビア接続も設計されており、スルーホールビアの半径は0.1mmである。この条件下では、スルーホールビアのスタブ長は0.6mmとなる。
シミュレーション結果に基づくと、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、ブラインドビアのリターンロスのパラメータ（S11) はわずか 4dB から 7dB です。しかし、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、スルーホールビアのリターンロスパラメータ (S11) はわずか 4dB から 10dB です。周波数が 76GHz のとき、ブラインドビアの挿入損失パラメータ (S21) が最大となる。しかし、周波数が52GHzのとき、スルーホールビアの挿入損失パラメータ（S21) が最大となる。挿入損失が -3dB 未満であることが保証される場合、ブラインドビアの動作帯域幅は 22GHz となる一方、スルーホールビアの動作帯域幅は 15GHz にとどまる。
特性インピーダンスに関して、ブラインドビアの特性インピーダンスの変動範囲は 46～52 であるのに対し、スルーホールビアの特性インピーダンスの変動範囲は 42～53 であり、これはブラインドビアの方が伝送線路インピーダンスの連続性に優れていることを意味する。したがって、S パラメータの安定性および特性インピーダンス TDR の変動に基づいて、トップ層と内層、あるいはボトム層と内層との間の信号線接続において、ブラインドビアはスルーホールビアよりも優れた伝送品質を有していると示すことができる。
信号ラインを第2層から第5層まで導通させる必要がある場合、接続には埋め込みビアを適用することができる。埋め込みビアの半径は0.1mm、長さは0.57mmに設定される。比較のためにスルーホールビアも適用され、その半径は0.1milであり、第1層と第2層の間の不要スタブの長さは0.23mm、第5層と第8層の間の不要スタブの長さは0.6mmである。
シミュレーション結果に基づくと、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、埋め込みビアのリターンロスパラメータ（S11) は比較的滑らかな変化で 4dB から 8dB にすぎない。しかし、周波数が 40GHz から 80GHz の範囲にある場合、スルーホールビアのリターンロスパラメータ (S11) はわずか 4dB から 10dB です。特に周波数が 32GHz のとき、減衰量は瞬時に 13dB に変化し、伝送の安定性に影響を与えます。周波数が 77GHz のとき、埋め込みビアの挿入損失パラメータ (S21) が最大となる。しかし、周波数が54GHzのとき、スルーホールビアの挿入損失パラメータ（S21) が最大となる。挿入損失が -3dB 未満であることが保証される場合、埋め込みビアの動作帯域幅は 32GHz であるのに対し、スルーホールビアの動作帯域幅は 20GHz に過ぎない。
さらに、埋め込みビアの特性TDRの変化は 41.8 から 52 の範囲であるのに対し、スルーホールビアの特性TDRの変化は 37.5 から 52 の範囲であり、これは埋め込みビアの方がスルーホールビアよりも伝送線路インピーダンスの連続性に優れていることを意味する。したがって、Sパラメータの安定性および特性インピーダンスTDRの変化に基づいて、内部層間の信号線接続に関して、埋め込みビアはスルーホールビアよりも優れた伝送品質を有することが示される。
・ブラインド／埋め込みビアの径、パッドおよびアンチパッドが信号特性に与える影響
ブラインド／埋め込みビアの径、パッドおよびアンチパッドが信号特性に与える影響を検討するために、ブラインド／埋め込みビアのパッドおよびアンチパッドのサイズを固定することができる。ブラインド／埋め込みビアの半径の初期値は 0.1mm に設定され、0.1mm から 0.175mm の範囲で変化する。
シミュレーション結果に基づくと、ブラインドビアの半径が 0.1mm から 0.175mm の範囲で変化する場合、インピーダンスの変化は 6 から 13.5 の範囲にあり、インピーダンス不連続の程度が増加し、それに伴って挿入損失 S の範囲も増加することが示される。21周波数が20GHzから60GHzの範囲にある場合、最大減衰量は1.7dBに達する。一方、埋め込みビアの半径が4milから7milの範囲で変化すると、インピーダンスの変化は10から17の範囲となり、インピーダンス不連続の程度が増加し、それに伴い挿入損失 S の範囲も増加する。21周波数が20GHzから60GHzの範囲にある場合、最大減衰量は1.6dBに達する。
ブラインドビアおよびアンチパッドの直径を変更せず、ブラインド／埋め込みビアパッドの半径の初期値を0.2mmとし、その値を0.2mmから0.28mmの範囲で変化させる。
シミュレーション結果に基づくと、ブラインドビアパッドの半径が0.2mmから0.28mmの範囲で変化する場合、インピーダンスの変化は6.5から10.5の範囲にあり、そのことが挿入損失 S の範囲の増加を引き起こすことが示される。21. さらに、最大減衰量は 2dB 増加する。一方で、埋め込みビアパッドの半径が 0.2mm から 0.28mm の範囲で変化すると、インピーダンスの変化は 10.5 から 15.5 の範囲となり、インピーダンス不連続の程度が増加し、その結果として挿入損失 S の範囲が増加する。21さらに、最大減衰量は3.2dB増加する。
ブラインド／埋め込みビアの径およびパッドサイズを変更せずに、アンチパッドの初期値を0.3mmとし、その値を0.3mmから0.375mmの範囲で変更します。
シミュレーション結果に基づくと、ブラインドビアアンチパッドのサイズが0.3mmから0.375mmの範囲で変化した場合、インピーダンスの変化は6.5から5.5の範囲にあり、その結果、インピーダンス不連続の程度および挿入損失Sの範囲が減少することが示される。21. さらに、最大減衰量は 3.2dB 増加する。一方で、埋め込みビアのアンチパッドサイズが 0.3mm から 0.375mm の範囲で変化すると、インピーダンスの変化は 10 から 7.5 の範囲にあり、それによってインピーダンス不連続の程度および挿入損失 S の範囲が減少する。21さらに、最大減衰量は3dB増加します。
結論
HFSS を用いて構築したブラインドビアおよび埋め込みビアを備えた 8 層 PCB モデルに基づき、本稿ではブラインド／埋め込みビアとスルーホールビアの S パラメータおよび特性インピーダンス TDR を比較する。ブラインド／埋め込みビアは、スルーホールビアよりも挿入損失が小さく、インピーダンス不連続性が優れていることが分かる。挿入損失が -3 dB 未満という条件下では、ブラインド／埋め込みビアはスルーホールビアよりも広い動作帯域幅を有する。
本稿では、ブラインド／ベリードビアの信号特性に及ぼすビア径、パッドおよびアンチパッドなどのパラメータの影響についても解析している。ブラインド／ベリードビアの径およびパッドサイズが大きくなるにつれて、信号挿入損失の減衰はそれに応じて小さくなり、インピーダンス不連続の程度は増大する。一方、ブラインド／ベリードビアのアンチパッドサイズが大きくなるにつれて、信号挿入損失の減衰は小さくなり、それに伴いインピーダンス不連続も小さくなる。
挿入損失が -3dB 未満で、有効動作帯域幅が 20GHz に達する場合、ブラインドビアの半径は 0.175mm 以下、埋め込みビアの半径は 0.23mm 以下とする必要がある。また、ブラインドビアのパッドは 0.25mm 以下、埋め込みビアのパッドは 0.275mm 以下とする必要がある。さらに、ブラインドビアのアンチパッドは 0.25mm 以上、埋め込みビアのアンチパッドは 0.23mm 以上でなければならない。
インピーダンスの変動範囲を±10％以内に制御する場合、ブラインドビアおよびベリードビアの半径は0.125mm以下とし、ブラインドビアのパッドは0.25mm以下、ベリードビアのパッドは0.175mm以下とすること。ブラインドビアのアンチパッドは0.275mm以上、ベリードビアのアンチパッドは0.4mm以上とすること。
PCBCart は、ブラインドビア、ベリードビア、およびスルーホールビアを備えた PCB を製造する能力を有しています。
