現在、高速PCB設計は、通信、コンピュータ、画像およびグラフィック処理など多くの分野で広く応用されており、すべてのハイテク高付加価値製品は、低消費電力、低電磁放射、高信頼性、小型化および軽量化の方向で設計されています。これらの目標を達成するためには、高速PCB設計においてスルーホール技術（THT）の設計と実装が極めて重要となります。
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高速PCB設計におけるスルーホール技術（THT）を最大限に活用する方法
スルーホール技術
スルーホールは、多層PCB設計において不可欠な要素の一つです。スルーホールは、ビア、パッド、および電源プレーンの絶縁領域という3つの部分で構成されており、これは以下の画像で示すことができます。THTは、化学的な析出方法によって穴の壁面に金属層をめっきすることで得られ、これにより回路基板の各内層やプレーンの銅箔同士を相互に接続することができます。スルーホールの両側は通常のパッド形状で形成されており、どちらもトップ層およびボトム層の配線に直接接続することも、接続しないままにしておくことも可能です。スルーホールは、電気的接続、固定、および部品の位置決めという役割を果たします。
THTに関しては、スルーホールは一般的に、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ます。
a. スルーホールビアプリント基板のすべての層を貫通し、内部接続に適用できるほか、位置決め用の穴としての役割も果たします。スルーホールビアは、低コストの技術で実現可能であるため、ほとんどのPCBで広く採用されています。
b. ブラインド経由表面の配線と、ある深さの内部配線との接続を担う穴を指します。ビアの深さとビア径の比率は、通常ある一定の値を超えません。
c. ～経由で埋設は、内部層に位置する経由での接続を指し、回路基板の表面まで展開されていないため、PCBボードの外観からは確認できません。
ブラインドビアとベリードビアはどちらもプリント基板の内部層に配置され、積層前に形成されます。
THTにおける寄生容量
スルーホールにはグランドに対する寄生容量が生じます。グランドプレーン上のアイソレーションビアの直径はD2; スルーホールパッドの直径はD1; PCB の厚さはT; 基板材料の誘電率はε次に，スルーホールの寄生容量は次の式で計算できますC=1.41εTD1/(D2-D1)
寄生容量が回路に及ぼす主な影響は、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ある。したがって、寄生容量は小さいほど望ましい。
THT における寄生インダクタンス
スルーホールには寄生インダクタンスも存在する。高速デジタル回路設計の過程において、寄生インダクタンスによって生じる問題は、通常、寄生キャパシタンスによるものよりも大きい。寄生直列インダクタンスはバイパス容量の機能を弱め、電源システム全体のフィルタリング効果を低下させる。スルーホールのインダクタンスを … と示すとき、Lスルーホール長さとしてhビアの直径をdスルーホールの寄生インダクタンスは、次の式に従って求めることができますL=5.08h[In(4h/d)+1]
その式に基づくと、スルーホール径がインダクタンスに関係することはほとんどなく、インダクタンスに最も大きな影響を与える要素はスルーホール長である。
非THT（ブラインドビアおよび埋め込みビアを含む）
THT 以外の場合、ブラインドビアおよびベリードビアの適用により、層数を含む PCB のサイズと品質を劇的に低減することが可能です。電磁両立性（EMC）の向上そしてコストを最小限に抑えることができます。さらに、設計作業ははるかに容易になります。従来のPCB設計およびPCB製造プロセスでは、スルーホールは多くの問題を引き起こすのが一般的です。第一に、それらは有効スペースの大部分を占有します。第二に、スルーホールの密度が高すぎると、PCB基板内部の配線に大きな課題をもたらします。
PCB設計において、パッドおよびスルーホールのサイズは継続的に小型化されているものの、基板厚が比例せずに薄くなるとアスペクト比は上昇し、アスペクト比が増加すると信頼性は低下します。レーザードリリング技術およびプラズマドライエッチング技術の成熟により、非THTの小径ブラインドビアおよびベリッドビアが新たな選択肢となりました。これらの穴の直径が0.3mmの場合、寄生パラメータは従来のビアの10分の1となり、PCBの信頼性は向上します。
非スルーホール（non-THT）を適用すると、PCB基板上の大きなスルーホールの数が減少し、その分トレース用のスペースを多く確保できるようになります。残りのスペースは広い面積のシールドとして利用でき、EMI/RFI特性の向上に役立ちます。さらに、残りのスペースは内部コンポーネントや重要なネットワークケーブルの部分的なシールドとしても活用でき、それによって最適な電気的性能を実現できます。 non-THTビアの適用により、コンポーネントのピンが貫通しやすくなり、BGA（ボールグリッドアレイ）コンポーネントのような高密度ピン部品に対してもトレース設計が容易になります。
一般的なPCBにおけるTHT設計
通常のPCB設計段階においては、寄生容量や寄生インダクタンスがスルーホールに与える影響が取り上げられることはほとんどありません。1～4層PCB設計に関して言えば、ビア、パッド、およびグラウンドプレーンのアイソレーション領域には、それぞれ直径0.36mm、0.61mm、1.02mmといったスルーホールを選択することができます。特別な要件を持つ一部の信号配線では、直径0.41mm、0.81mm、1.32mmのスルーホールに依存することがあります。
高速PCBにおけるTHT設計
上述のTHTの寄生特性に従えば、一見単純に見えるTHTは、回路設計に大きな悪影響をもたらす傾向があることがわかる高速PCB設計THT の寄生効果に起因する悪影響を低減するために、以下のヒントを参考として示します。
a.適切なスルーホール（THT）サイズを選定する必要があります。多層かつ一般的な実装密度のPCB設計の場合、ビア、パッド、絶縁エリアのスルーホールパラメータは、それぞれ 0.25mm、0.51mm、0.91mm のTHTを選定すべきです。高密度PCBでは、ビア、パッド、絶縁エリアのパラメータがそれぞれ 0.20mm、0.46mm、0.86mm のスルーホールを選択することもできます。非スルーホール（Non-THT）も選択可能です。電源またはグラウンドに関するスルーホールについては、インピーダンスを低減するために大きなサイズのスルーホールを選択できます。
b.電源プレーンにおけるアイソレーション領域は、大きければ大きいほど良い。スルーホール密度に関しては、その値はD1通常は～の合計ですD2および0.41mm。
c.信号配線は層をまたがないように配置することが最適であり、つまりスルーホールの数は最小限に抑えるべきです。
d.より薄いPCBは、寄生パラメータの低減に有利になるよう活用されています。
e.スルーホールは、電源ピンおよびグランドピンのできるだけ近くに配置し、THT とピン間のリードは可能な限り短くする必要があります。これはインダクタンスの改善につながるためです。さらに、電源およびグランドのリードは、インピーダンスを低減するために可能な限り太くすることができます。
もちろん、PCB設計段階では具体的な問題を個別に分析する必要があります。さらに、コストと信号品質という 2 つの側面は決して避けることができません。許容可能なコストで最適な信号品質を得るために、高速PCB設計ではこれらをバランスよく考慮しなければなりません。
高速PCB設計では、寄生効果を最小限に抑え、信号の完全性を高めるために、効果的なTHT処理が必要です。ブラインドビアやベリードビアのような新しいコンセプトを取り入れた設計は、現代の電子機器において、より高い効率、小型化、および信頼性を実現します。
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