Chapter 13

ベタとポリゴン — 銅の面をどう置き、どうつなぐか

この章のゴール.

「とりあえず空いているところを GND ベタで埋める」という習慣を、 目的を持った設計行為に変えること。 ベタが役に立つ場合と、かえって害になる場合を区別できるようになること。

この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. エッチング（03 章 1 節）、スルーホール（03 章 3 節）、GND（05 章 3 節）、電源（05 章 3 節）、トゥームストーン（06 章 2 節）、ランド（06 章 1 節）、インダクタンス（08 章 2 節）、リターンパス（08 章 1 節）、コンデンサ（12 章 3 節）

1. ベタ（銅面）の 4 つの役割

ベタ（copper pour、ポリゴン、ソリッドフィル）とは、 配線ではなく面として広がった銅のことである。役割は 4 つある。

目的なしに置いたベタは、役に立たないどころか害になることがある（本章 5 節）。 どの役割で置いているのかを、常に意識する。

2. ソリッド（べた塗り）とハッチング

ハッチングはかつて、銅の量を減らして基板の反りを抑える、 エッチング液の回りを良くするという製造上の理由で使われた。 現代の製造技術では不要で、ソリッドのほうが電気的にも熱的にも優れる。

ただしフレキ基板（23 章）では、ソリッドの銅は曲がらないので、 今もハッチングが標準的に使われる。

3. サーマルリリーフ — はんだ付けのための「わざとの細さ」

ベタに直接つながったパッドは、熱がベタ全体に逃げるため、はんだごてやリフローで温まらない。 温まらなければ、はんだが溶けない。

そこで、パッドとベタを細い橋（スポーク）数本だけでつなぐ。 これがサーマルリリーフ（thermal relief、サーマルランド、熱抜きパッド）である。

スポークの寸法の目安:

サーマルリリーフは抵抗である。大電流には使わない.

幅 0.4 mm のスポークが 4 本なら、実効的には幅 1.6 mm の配線 1 本ぶん。 1 oz なら、ごく短い距離とはいえ数 mΩ が直列に入る。

5 A を流すパワー部品のパッドをサーマルリリーフにすると、 そこだけが発熱する。大電流部品は直結にし、 はんだ付けはリフローの熱プロファイルで対応する（21 章）。

逆に、手はんだや修理が想定される部品は必ずサーマルリリーフにする。 直結された GND ピンは、こてを当てても永遠に溶けない。

表面実装部品でも同じ問題が起きる。 チップ部品の片側だけがベタに直結、もう片側が配線につながっていると、 左右で温まり方が違う→ トゥームストーン（06 章）の原因になる。 チップ部品の両側の熱容量は揃えるのが原則である。

4. スティッチングビア — 面と面をつなぐ

複数の層に GND 面があるとき、それらをビアでたくさんつなぐ。 これをスティッチングビア（stitching via、縫い合わせビア）と呼ぶ。

目的は 3 つ。

間隔をどう決めるか

経験則として、

\(\lambda_{\min}\) は気にする最も高い周波数の、基板中での波長である。

実務では 5〜10 mm 間隔で全面に、高速信号のビアの近くと基板端には密に、 というのが標準的な運用である。

基板の端（エッジ）には必ずスティッチングを打つ.

2 枚の面の間の空間は、端が開いた平行平板の共振器である。 端から電磁波が漏れる（エッジ放射）ので、 外周に沿って λ/20 間隔でビアを並べると、電気的な壁ができて漏れが減る。 これをビアフェンスと呼ぶ。19 章で再登場する。

5. ベタの落とし穴

① 孤立した銅（アイランド）

自動でベタを流すと、配線に囲まれてどこにもつながっていない銅の島ができることがある。

• 電気的に浮いているので、電位が定まらず、アンテナになる
• ノイズを拾って再放射する

対策: CAD の「孤立領域を削除」機能を有効にする。 あるいは最小面積を設定して、それ未満は消す。 どうしても残る場合はビアで GND につなぐ。

② 細い首（ネック）

ベタが配線に挟まれて細くなった箇所は、大電流の経路として破綻する。 また、リターン電流がそこに集中して共通インピーダンス結合を起こす。

対策: ベタを流したあとに、必ず目で見る。 「ベタを流したから大丈夫」ではなく、流れた形を確認する。

③ 表層の「なんとなくベタ」

空いている場所を GND で埋めるという習慣には、実は議論がある。

表層ベタを置くなら、必ずビアで縫う.

表層の GND ベタは、λ/20 間隔でスティッチングビアを打って初めて意味がある。 ビアなしの表層ベタは「大きな浮いた金属板」であり、 対策どころか新しい放射体になり得る。

ビアを打つ気がないなら、置かないほうがマシである。 ただし製造上の銅残り率の均一化という目的だけなら、 それはそれで正当な理由になる（メーカに確認するとよい）。

④ アンテナになる細長い形

細長いベタは、スロットアンテナ（導体の細長い穴が放射体になるもの）やモノポール（1 本の棒として放射するアンテナ）として共振する。 長さが λ/4 や λ/2 になる形を作らない。 どうしても細長くなるなら、途中にビアを打って電気的に短く区切る。

6. 電源のベタ

電源も面で配ると、抵抗とインダクタンスが下がる。

電源層を系統ごとに分割するのは正しい（GND の分割とは事情が違う）。 ただし、分割線の上を信号線が横切ってはいけないという制約は同じである。

なぜ電源面の分割は許されるのか.

08 章で GND の分割を禁じたのは、 リターン電流がそこを流れるからだった。

電源面も、実は交流的にはリターンパスになり得る （電源とGND はデカップリングコンデンサで交流的につながっているため）。 だから電源面を基準面にしている信号線が、電源の分割線を横切るのは同じくらい悪い。

電源面の分割が許されるのは、 その信号の基準面が別にある（GND 面が隣接している）場合である。 「電源は分けてよい」ではなく、 「その信号のリターンが通る面を切らない」が一貫した原則である。

サーマルランドの効きを見る

スポークの幅・本数と、直結との差を、熱抵抗と電気抵抗の両面で比較できる。 「はんだ付けできる」と「電流が流せる」のトレードオフを掴んでほしい。

7. この章のまとめ