Chapter 12

ビア — 層をつなぐ小さな穴が、なぜこれほど問題を起こすのか

この章のゴール.

ビアを「層を変える手段」ではなく、 インダクタンス・容量・スタブを持った 3 次元の構造物として見られるようになること。 そして、種類・寸法・配置を、目的から選べるようになること。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. 寄生成分（01 章 2 節）、ドリル（03 章 1 節）、高密度（04 章 2 節）、GND（05 章 3 節）、電源（05 章 3 節）、ランド（06 章 1 節）、最優先（06 章 4 節）、インダクタンス（08 章 2 節）、スタブ（09 章 5 節）

1. ビアの種類

ビア（via）とは、層と層を電気的につなぐめっきされた穴のことである。 どの層からどの層まで貫くかで、名前と製造方法が変わる。

原則: 貫通ビアで済ませる.

ブラインド／ベリードビアは、基板を「作ってから貼り合わせる」回数が増えるため、 価格が 1.5〜3 倍、納期も伸びる。 使う理由は「配線が物理的に入らない」場合に限られ、 それは多くの場合、層を増やすか配置を見直すほうが安い。

ビアの寸法の呼び方

一般的な組み合わせを挙げる。

アスペクト比（板厚 ÷ ドリル径）にも上限がある。 穴が深くて細いと、めっき液が奥まで回らず、内壁の銅が薄くなる。

板厚 1.6 mm なら、ドリル径は 0.2 mm が下限（8:1）ということになる。

2. ビアの寄生成分

ビアは単なる「つなぎ」ではない。3 つの寄生成分を持つ。

① インダクタンス

ビアは短い縦の導体なので、インダクタンスを持つ。近似式は

板厚 1.6 mm（0.063 inch）、ドリル径 0.3 mm（0.0118 inch）を入れると、

1 個あたり約 1 nH ——これが覚えておくべき数字である。

1 nH がどれくらい効くか.

• 立ち上がり 200 ps の信号（実効帯域 1.75 GHz）に対して \(2\pi f L \approx 14\ \Omega\)
• 電源に 1 A/ns の電流変化があると \(V = L\,di/dt = 1\ \text{V}\) の電圧が発生する

後者が、デカップリングでビアを増やす理由である（14 章）。

② 容量

ビアのランドと基準面のアンチパッドの間には容量ができる。

\(T\) = 板厚、\(D_1\) = ランド径、\(D_2\) = アンチパッド径（いずれも inch）。 典型的には 0.3〜0.8 pF。

インダクタンスと容量があるので、ビアは局所的にインピーダンスが下がる区間として見える。

\(L\) = 1.3 nH、\(C\) = 0.5 pF なら \(Z \approx 51\ \Omega\)——たまたま近い。 だが \(C\) が大きいと \(Z\) が下がり、50 Ω の線路の途中に低インピーダンスの窪みができる。 アンチパッドを大きくすると \(C\) が減り、\(Z\) が上がって整合が改善する。

③ スタブ — 最も凶悪な問題

貫通ビアの、信号が使っていない部分が残る。これがビアスタブである。

たとえば 12 層基板で、L1 から L4 へ信号を渡すためにビアを打つと、 L4 から L12 までの 8 層ぶんのビアが、行き止まりの枝として残る。

行き止まりの枝は、長さが 1/4 波長になる周波数で、 本線から見ると短絡に見える（開放端が 1/4 波長で短絡に変換される）。 その周波数の信号成分がごっそり消える——ノッチ（深い落ち込み）が生じる。

共振周波数は

25 Gbps の信号は 12.5 GHz を中心に成分を持つ.

板厚 2 mm の基板で L1→L2 に信号を渡すと、スタブは約 1.9 mm、共振は約 19 GHz。 25 Gbps 級では帯域の中に共振が入る。

対策は 3 つ。

1. バックドリル（スタブ除去）: 裏から太いドリルで不要部分を削り取る。追加費用あり
2. ブラインド／ベリードビア: そもそもスタブを作らない。高価
3. 層の割り当てを工夫する: 高速信号を板の外側に近い層のペア（L1↔L2、L11↔L12）で完結させる。追加費用ゼロ

3 を先に検討するのが正しい順序である。

10 Gbps 未満では、スタブは通常問題にならない。 一般的な基板でビアを恐れる必要はない。ここは高速シリアルの世界の話である。

3. ビアの置き方

リターンビアを必ず添える

08 章で述べたとおり、信号が層を移ればリターン電流も層を移る。

これを忘れると、リターン電流はビアの周りを探して広がり、放射源になる（19 章）。 「高速信号のビアには GND ビアがセット」と覚えてしまうのがよい。

BGA からの脱出（エスケープ）

BGA の下は最も配線が混む場所である。ドッグボーンとビアインパッドの 2 方式がある。

ビアインパッドを穴埋めなしでやってはいけない。 リフロー時に、はんだが穴に吸い込まれて接合部のはんだが不足する（06 章の QFN と同じ問題）。

ボールピッチごとの、表層で脱出できる列数の目安:

0.8 mm ピッチ・線幅 0.1 mm・間隔 0.1 mm なら、パッド間に 2 本通せるので外周 2 列ぶん。 それより内側は層を変えて脱出する必要があり、そこで必要な配線層数が決まる（05 章）。

ビアを電流の経路に使う

1 個のビアで流せる電流は、内壁のめっき（銅 20〜25 µm の筒）の断面積で決まる。

φ0.3 mm、めっき 25 µm なら \(A \approx 0.024\ \text{mm}^2\)。 これは幅 0.7 mm の 1 oz 配線と同程度で、1 A 前後が目安になる。

大電流は必ずビアを複数本並べる.

3 A 流すなら 4〜6 本。「1 本で足りるはず」は禁物である。 ビアが焼き切れると、基板の内部で断線するので発見も修理もできない。 並べるコストはほぼゼロなので、迷ったら増やす。

ビアの表面処理 — テンティングと埋め

パッドの近くのビアは必ずテンティングする。 開いたままだと、はんだがビアを通って裏側へ流れる。

ビアの寸法とスタブ共振

板厚・層構成・信号の通る層を選ぶと、スタブ長・共振周波数・ ビアのインダクタンスと容量が出る。バックドリルの効果も比較できる。

4. この章のまとめ