ビアは、異なる層間で配線を接続する導体としての役割を果たし多層PCB（プリント基板：Printed Circuit Board）。低周波の場合、ビアは信号伝送にほとんど影響を与えません。しかし、周波数が上昇し（1GHz以上）、信号の立ち上がりエッジが急峻になる（最短で1ns）につれて、ビアを単なる電気的接続機能として扱うことはできず、ビアが信号インテグリティに与える影響を慎重に考慮する必要があります。ビアは伝送線路上のインピーダンス不連続点として振る舞い、信号反射を引き起こします。それにもかかわらず、ビアによってもたらされる問題は、主に寄生容量と寄生インダクタンスに集中しています。ビアの寄生容量が回路に与える影響は、主として信号の立ち上がり時間を延ばし、回路の動作速度を低下させることです。一方、寄生インダクタンスはバイパス回路の効果を弱め、電源システム全体のフィルタリング機能を低下させる可能性があります。本稿では、ビアのインピーダンス制御が信号インテグリティにどのような影響を与えるかを示し、回路設計に関するいくつかのアドバイスを提供します。
ビアがインピーダンス連続性に与える影響
ビアが存在する場合と存在しない場合のTDR（時間領域反射計）カーブによると、ビアが存在しない状況では明らかな信号遅延が発生する。ビアが存在しない場合、第2テストホールまでの信号伝送時間は458psであるのに対し、ビアが存在する場合には第2テストホールまでの信号伝送時間は480psとなる。したがって、ビアによって信号は22ps遅延する。
信号遅延は主に、以下の式で求められるビアの寄生容量によって生じます。
この式では、D2地面上のパッド直径（mm）を指しますD1ビアのパッド直径（mm）へTPCB基板の厚さ（mm）へεr基板の誘電率とCビアの寄生容量（pF）に対して
この議論で扱うビアの長さは 0.96mm、ビア径は 0.3mm、パッド径は 0.5mm、比誘電率は 4.2 であり、これらを前述の式に代入すると、算出される寄生容量はおよそ 0.562pF となる。インピーダンス 50Ω の信号伝送線路の場合、このビアは信号の立ち上がり時間に変化を引き起こし、その変化量は次の式によって求められる。
上記で示した式に基づくと、ビア容量によって生じる立ち上がり時間の変動は30.9psであり、これは実測値（22ps）より9ps長くなっている。このことは、理論値と実測値の間に変動が生じていることを示している。
結論として、ビアの寄生容量によって生じる信号遅延はそれほど顕著ではありません。しかし、高速回路設計という観点からは、特に配線においてビアを多用した層変更に対して、十分な注意を払う必要があります。
寄生容量と比較すると、ビアに起因する寄生インダクタンスは回路により大きな悪影響を及ぼします。ビアの寄生インダクタンスは、次の式によって求めることができます。
この式では、Lビアの寄生インダクタンス（nH）を指しますhビアの長さ（mm）までdビアの直径（mm）まで。ビアの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、次の式で求めることができる。
テスト信号の立ち上がり時間は500psで、その等価インピーダンスは4.28Ωです。しかし、ビアによるインピーダンス変化は12Ωを超えており、測定値が理論計算値と比べて極端な変動を示していることを意味します。
ビア径がインピーダンス連続性に与える影響
一連の実験に基づき、ビア径が大きくなるほど、ビアによる不連続性が増加すると結論づけることができる。高周波・高速PCB設計プロセスにおいて、インピーダンスの変化は通常 ±10％ の範囲内に制御されており、そうでない場合は信号歪みが発生する可能性があります。
パッドサイズがインピーダンス連続性に与える影響
寄生容量は高周波信号帯域内の共振点に極めて大きな影響を及ぼし、寄生容量に伴って帯域幅もシフトしてしまう。寄生容量に影響を与える主な要素はパッドサイズであり、これは信号インテグリティにも同等の影響を及ぼす。そのため、パッド径が大きくなるほど、もたらされるインピーダンス不連続も大きくなる。
パッド径が0.5mmから1.3mmの範囲で変化すると、ビアによって生じるインピーダンスの不連続性は一貫して低減されていきます。パッドサイズが0.5mmから0.7mmに増加する際には、インピーダンスは比較的大きな変化幅を示します。パッドサイズがさらに増加し続けると、ビアのインピーダンス変化はなめらかになります。したがって、パッド径が大きくなるほど、ビアによって引き起こされるインピーダンスの不連続性は低くなります。
ビア信号のリターンパス
リターン信号の流れの基本原理は、高速リターン信号電流が最もインダクタンスの低い経路を流れるということである。PCB ボードには複数のグラウンドプレーンが含まれているため、リターン信号電流は、信号線に最も近いグラウンドプレーン上で、信号線の直下にある 1 本の経路に沿って流れる。すべての信号電流がある一点から別の一点へ同一プレーン上を流れる状況では、信号がビアを介して一点から別の一点へ移動するようにした場合、グラウンド接続が確保されていなければ、リターン信号電流はジャンプすることができない。
高速PCB設計においては、インピーダンスの不整合を解消するために、ビア信号電流に対するリターンパスを提供することができる。ビアの周囲には、グラウンドビアを設計して信号電流のリターンパスを確保し、信号ビアとグラウンドビアの間に形成されるインダクタンスループを利用する。ビアの影響によってインピーダンスの不連続が生じたとしても、電流はインダクタンスループへと流れることが可能になり、信号品質は向上する。
ビアのシグナルインテグリティ
Sパラメータは、損失、減衰、反射などを含むチャネル内のすべての要素の特性を表し、ビアが信号品質に与える影響を評価するために使用できる。この記事で行われた一連の実験によれば、グラウンドビアは伝送損失を低減することが可能であり、ビアの周囲に配置されるグラウンドビアが多いほど、伝送損失は小さくなることが示されている。ビアの周囲にグラウンドビアを追加することで、ビアによって生じる損失をある程度低減することができる。
本稿で上に示した議論に基づき、次の二つの結論を導くことができる。
a.ビアによって生じるインピーダンス不連続は、ビア径とパッドサイズの影響を受けます。ビア径およびパッド径が大きくなるほど、誘発されるインピーダンス不連続はより深刻になります。ビアによるインピーダンス不連続は、一般的にパッドサイズが大きくなるにつれて低下します。
b.グラウンドビアの追加は、ビアのインピーダンス不連続性を明らかに改善し、その変動を±10％の範囲内に制御することが可能です。さらに、グラウンドビアの追加は、信号インテグリティを明確に向上させることもできます。
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