私たちはPCBショップに行って尋ねた：「トレース・インピーダンスを10%以内にコントロールできますか？彼らは自信満々でこう答えるだろう：「問題ありません！」。ちょっと無理をして8%を要求すれば、少し考えてからこう言うかもしれない：「オーケー（インナーレイヤー用）！」。もし、あなたがそう尋ねたら「ビアを10%にコントロールすることは可能ですか？
核心に迫る質問トレースとバイアスのインピーダンス許容差
トレースもビアもトランシーバー・チップをつなぐ。では、なぜトレースは10%に保持できるのに、ビアはできないのだろうか？トレースも制御が容易でないことはわかっている。トレース・インピーダンスに影響を与える要因には、エッチファクター、レイヤー・シフト、表面粗さなどがある。マイクロストリップ線路の場合、ソルダーレジストと銅の厚さも重要です。それでも、主流の基板ショップの多くは、トレースのインピーダンス許容誤差を10%、あるいは8%と保証している。ビアについては、私が知っている限りでは、10%以内にビアのインピーダンスをコントロールすることを約束している基板屋はありません。つまり、ビアには基板屋がコントロールできない要素がたくさんあり、保証できないのです。.
この記事の内容
この記事では、まず2つのビアプロセス、ドリリングとビアフィリングを紹介する。穴あけが重要であることは多くの人が知っているが、穴あけの公差はビアの性能にどの程度影響するのだろうか。フィリングについては、ビアに樹脂やソルダーレジストを充填することでビアの性能が変わると考えている人が多いようです。これらの影響をシミュレーションで検証する。.
1.掘削プロセスとビア性能への影響
まず、穴あけ。ドリルサイズと仕上げ穴サイズの2つの名前をよく耳にします。PCBファイルで8ミルの穴を設計したとして、工場が8ミルのドリル・ビットを使うと思いますか？もちろんそんなことはない。ビアは異なる層のトレースを接続しなければなりません。銅が穴を垂直に貫通するように、穴はメッキされなければなりません。それがメッキスルー銅です。IPC規格によると、メッキスルー銅の厚さは約18μmから20μmと決められています。そのため、工場はメッキ後の穴が8ミルであることを保証します。その最終的なサイズが完成した穴です。つまり、元のドリルサイズは8ミルより大きくなければならない。どのくらい大きいのですか？10ミル？12ミル？このサイズの違いはビアパフォーマンスに大きな影響を与える。.
工場のドリル公差規則によると、0.2 mm (8 mil)の仕上げ穴には、少なくとも0.25 mm (10 mil)のドリル・ビットが使用される。より厳密な管理を指定しなければ、工場では0.3 mm (12 mil)のドリル・ビットを使うかもしれない。ドリルが大きいほどインピーダ ンスが低くなることは、誰もが知っている。しかし、どの程度低いのでしょうか？当社のシミュレーション結果をご覧ください。.
シミュレーションによると、0.2mmから0.3mmのビアは、5Ω以上のインピーダンス差がある。.
経由による損失を見れば、明確な違いがあることもわかる。.
このシングルビア・ドリル加工では、加工公差だけで10%以上の振れが生じる可能性がある。.
2.ビアフィリングシミュレーションと結果
さて、ビア充填についてだ。多くの友人が、ビア充填はビアのパフォーマンスに影響するのかと尋ねてきた。私は彼らに言い続けた：「影響はない！影響はない！」と言い続けた。彼らは私を信じたが、それでもまだ疑問を持っていた。そこで、私はシミュレーションを行って確認した。.
下の図は、未充填ビアと充填ビアのモデルを示しています。赤はビアを充填する樹脂またはソルダーレジストを意味します。.
この2つのケースについて、リターンロスと挿入損失を比較した。なぜ線が1本しかないのですか？線が重なっているからです。なぜ重なっているのか？影響がないからです。結果は同じです。.
理論的理由：フィリングが問題にならない理由
高速理論に詳しい人なら誰でも、高速になると信号が表皮効果を示すことを知っている。信号はビア外壁の近くを流れる。そのため、ビアの内側にどのような誘電体があろうと、信号とリファレンスの間の電磁界が内側に回り込むことはありません。もし内部に磁場がなければ、ビア内部の材料は何の影響も及ぼさない。.
