1. PCBの穴の紹介
PCB（プリント回路基板）は、様々な回路部品が接続される回路構成において、非常に重要な部品または構成要素です。しかし、PCB基板の設計と基板上のすべての部品の取り扱いにおいて最も重要なのは、様々な種類の穴を様々な技術とプロセスを用いて加工することです。それぞれの穴には、独自の製造プロセスと作業性能があります。穴の主な機能は、部品を基板に容易に実装できるようにし、PCB基板に強力で信頼性の高い電気接続と構造強度を提供することです。このチュートリアルでは、プロジェクトの要求に応じて正確なPCB設計と製造に重要な、さまざまな種類のPCB穴について説明します。それでは始めましょう！
2. PCBの穴の種類
2.1 メッキスルーホール（PTH）
スルーホールめっきは、無電解銅めっきとも呼ばれます。これらの穴は基板に開けられ、導電性材料である銅で覆われます。ライニングめっきには錫または金が使用され、PCB基板の層間の接続に役立ちます。
これらの穴の機能は、異なるPCB基板層間または基板に接続された部品間の電気的接続を確立することです。また、部品のリード線や銅線の抵抗を低減し、PCBアセンブリの機械的安定性を向上させるのにも役立ちます。
メッキスルーホールは、両面基板または多層基板の層間の強力な接続を確立するのにも役立ちます。
PTHの主な用途は、樹脂銅めっき、銅めっき、ダイヤモンド銅めっきです。
2.2 非メッキスルーホール（NPTH）
このタイプのPCBホールでは、ホール壁に銅めっきが施されていないため、ホールバレルは導電性や電気的特性を持ちません。基板の片面に銅配線がある場合に最適ですが、このホールを使用することで基板の層数が減るため、多層基板には適していません。
しかし、これらの穴の加工は容易かつ迅速で、作業箇所に基板を固定するための工具穴として利用されます。また、ネジやボルト状の部品を固定するための穴として、また放熱のためのヒートシンクとしても使用されます。
2.3ハーフホール
PCB基板のハーフホール（プレートハーフホール、キャスタレーションホールとも呼ばれます）は、基板の端に部分的にドリルで穴を開け、途中までフライス加工を施したスルーホールです。これらの穴は、メイン基板上の別のPCBをはんだ付けするために使用されます。簡単に言えば、2枚の別々の基板間の接続を確立し、高密度部品接続の主要部分となります。別の基板上のBluetooth接続には、メッキスルーホールが使用されます。
2.3 ビアホール
ビアホールの主な目的は、PCB ボードの異なる層に強力な電気接続を確立することであり、また、めっきスルーホール部品の接続などにも使用されます。多層ボードの異なる層をビアを介して接続すると、層間および接続された部品間の信号フローが容易になります。
ブラインドビア
基板のブラインドビアは、最上層または下層から内層にかけて形成され、めっき貫通ビアのように基板を完全に貫通しません。この図では、基板の反対側を見ることはできません。
これらのビアは機械的なドリル加工で作られ、ブラインドビアの穴あけにはレーザーが使用される場合もあります。これらのビアを穴あけする際は、正確な寸法をご確認ください。難しい工程ではありますが、基板に直接ブラインドビアを穴あけすることも可能です。
ブラインドビアの主な用途は、少なくとも1つの内層を介して1つの外層に接続することです。これらのビアのアスペクト比はXNUMX:XNUMX以上です。
ブラインド ビアは HDI PCB 製造の一部ですが、ブラインド ビアがあるボードが必ずしも HDI PCB ではないことを確認してください。
埋設ビア
埋め込みビアはPCB基板の内部層間に作られ、基板の外部からは見えません。これらのビアの主な目的は、2つ以上の内部層間の接続を確立することです。各接続層において、穴は次のように定義されます。 個別のドリルファイル.
埋め込みビアのアスペクト比は 1:12 以上です。
IPC 規格によれば、ブラインド ビアと埋め込みビアの推奨直径は 6 ミル以下です。
スタックビア
スタックビアは、3層以上の回路において、異なる基板層間の接続に使用されるブラインドビアまたは埋め込みビアです。スタックビアは、複数の基板層を横断する2つ以上のビアが互いに重なり合った構造になっています。
スタックドビアの主な用途は、多層基板とHDI基板です。スタックドビアの設計では、スタック内の各ビアが基板の1つの内部層で構成されます。
これらのビアの主な特徴は、異なる層間で連続的な電気接続を提供することです。スペースが限られているものの、複雑な設計が必要なプロジェクトでは、スタックドビアが使用されます。
千鳥状ビア
スタッガードビアは、異なるPCB基板層のビアが重なり合わずに接続されている場合に適用されます。スタッガードビアは、ドリル軸が異なるため直接接続されていない接続において、多数のビアを伴います。
スタッガードビアは、基板をどの側面から見てもジグザグのパターンを形成します。スタッガードビアは主にHDI基板や多層PCBで使用されます。
スキップビア
このビアは基板の複数の層を通過しますが、どの層とも電気的に接続されていません。スキップビアには、オーバーラップビア、ブラインドビア、または埋め込みビアがあります。これらのビアは、HDI基板でコンパクトで複雑な回路を構成する上で重要です。スキップビアは基板の層間に垂直な電気的接続を確立し、部品の高密度実装と信号経路長の短縮を実現します。
ビアインパッド
パッド内ビアはPCBビアの中でもあまり一般的ではないタイプです。この設計では、パッドの周囲に配線を配線するのではなく、表面実装部品のパッド直下にビアを配置します。ビアは、上層の部品パッドと基板の内層を接続します。
これらのビアを使用する主な利点は、配線が容易で寄生インダクタンスを抑制できることです。欠点は、リフロー時にはんだペーストがビアを通過し、PCBパッドのはんだ付けに影響を与えることです。
2.4 取り付け穴
基板には、シャーシに基板を取り付けるための取り付け穴が設けられています。これらの穴は他の種類の基板の穴よりも大きく、通常は基板の角に設けられています。基板と実装部品間の強固で安定した接続を確保するために、取り付け穴の周囲には銅パッドが設けられています。
2.5 皿穴と座ぐり穴
ザグリ穴はボルトやネジ用に作られ、ネジの設計に比べて大きなサイズの平底頭が付いています。これらの穴には2つの直径の穴があり、上部の大きい直径はネジ頭を通すための穴、もう一方の小さい直径はネジやボルトの本体を通すための穴です。
皿穴は、ねじの頭をテーパー状にする必要がある場合に使用されます。これらの穴は、ねじの頭の上部のテーパーに合わせて円錐状に開けられ、ねじが基板の表面と面一になるようにします。皿穴の加工には、通常、82度または90度のドリルビットが使用されます。
画像 皿穴と座ぐり穴
2.6 フィデューシャルホール（アライメントホール）
フィデューシャルホール（アライメントホールとも呼ばれる）は、基板上にドリルで開けられた小さな穴で、自動製造ツールの基準点として使用されます。その主な機能は、部品接続、ステンシルプロセス、テストなど、様々な段階で正確な位置合わせを行い、基板上のすべての部品が正確に接続され、基板が組み立てられていることを確認することです。
画像: 基準穴
2.7 特殊なPCB穴の種類
- スタンプホール
スタンプホール（ブレイクアウェイホールとも呼ばれる）は、パネル内の各回路基板の端に連続して、または一列に開けられた小さな穴です。これらの穴はスタンプの端に似ていることから、スタンプホールと呼ばれています。これらの穴の主な用途は、PCBのデパネル化です。デパネル化工程では、大きなパネルから一枚の基板を分離します。この工程は、生産効率の向上と経費削減を目的としています。
3. PCBの穴の設計上の考慮事項
PCB 穴の設計では、ここに挙げた多くの要素を考慮する必要があります。
穴のサイズとアスペクト比
穴の大きさは、穴あけ技術と基板の層数によって決まります。穴の深さと穴の直径の比はアスペクト比と呼ばれます。
| 掘削技術 | 最小穴径 | 最大アスペクト比 |
| 機械的掘削 | ２０ mm | 10:1 |
| レーザードリリング（マイクロビア） | ２０ mm | . |
| 化学エッチング | 約50µm | 〜1：1 |
| EDM（放電加工） | ２０ mm | 5:1 |
| 超音波ドリリング | ２０ mm | 5:1 |
ドリル公差と環状リングの詳細
環状リングは、メッキ穴の周囲を覆う銅箔です。リングの幅が適切でないと、基板の信頼性に問題が生じます。
| 穴のサイズ（mm） | ドリル公差（± mm） | 最小環状リング（mm） |
| ≤0.3 | ±0.025 | 0.1 |
| 0.3 – 0.6 | ±0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ±0.075 | 0.2 |
PTHおよびビアのメッキ厚さ
設計要件に従ったメッキの厚さにより、基板の機械的強度と電気伝導性が良好になります。
| ホール | 銅メッキの厚さ | スタンダード |
| メッキスルーホール（PTH） | 25 - 50μm | IPC-6012 |
| マイクロビア（HDI） | 5 - 25μm | IPC-6016 |
| ブラインド/埋没ビア | 15 - 30μm | IPC-6012 |
| ビアインパッド | 25～50µm（充填、メッキ） | IPC-4761 |
材料
ボードの材質も穴の精度に影響します
| 材料 | 掘削機能 |
| FR-4 | 簡単な掘削機能を備えており、あらゆる種類の穴を簡単に処理できます。 |
| 高TG FR-4 | この材料に穴を開けるには、より強力なドリルビットが使用される。 |
| アルミPCB | このボードに穴を開けるには、CNC ルーティングまたは特殊なドリルが使用されます。 |
| セラミックPCB | 超音波またはレーザードリルはセラミックボードに穴を開けるために使用されます |
| フレキシブルPCB | 化学エッチングまたはレーザードリリングを使用 |
4. PCBの穴の機能
層間の電気的接続
PCB基板における穴の主な用途は、PCB層間の電気接続を確立することです。例えば、めっきスルーホールは、基板の片面からもう片面への信号と電力の伝送に役立ちます。
ブラインドビア、埋め込みビア、スルーホールビアは、HDI PCB ボードの多層接続の実現に役立ちます。
さまざまなコンパクト設計での高速信号伝送には、マイクロビアが使用されます。
コンポーネントの取り付け
主に基板上のコンポーネントの接続にスルーホール実装技術が使用され、THT ではコンポーネントのリードのはんだ付けと穴への挿入にスルーホールが使用されます。
PCBの穴は、SMTに比べて基板との接合強度が強くなります。コネクタやコンデンサなどの高電力部品の接続には、穴が最適です。
熱放散
PCBの穴は、基板上の様々な部品から発生する熱を放散し、過熱を防ぎます。サーマルビアは、発熱した部品からヒートシンクへ熱を逃がすのに役立ちます。一方、パッド内のビアは熱抵抗を制御することで放熱性を高めます。
5. PCBの穴に関するよくある問題とその回避方法
穴のズレ
- この欠陥穴あけ位置は要件を満たしておらず、部品パッドと内層間の接続に誤りが生じます。このエラーは、電気的な断線や不適切なはんだ付け技術が原因です。
- 製造時の基板材料の膨張によっても発生します。
- この問題を回避するには、定義されたポイントに基準マークを使用し、膨張/収縮を避けるために高品質の材料を使用します。
- 多層基板で作業している場合は、X 線アライメント チェック機能を使用します。
不十分な環状リング
- このエラーでは、穴周辺の銅パッドが要件を満たしていないか、サイズが小さすぎるため、機械的および電気的特性に影響を及ぼします。その結果、基板上で断線やはんだ接合部の強度低下が発生します。
- この問題を解決するには、環状の詳細を設定します。わずかなずれには適切なパッドサイズを使用してください。
重なり合うドリル穴
- このエラーでは、多くのドリル穴が重なり合い、基板設計が不良になります。その結果、銅箔の剥離や剥離が発生します。
- これは、ボード設計における穴の構成が不適切であるために発生します。
- 重なりを避けるために、適切な穴間隔と大きめのドリルビットを使用してください。
穴のサイズが正しくない
- このエラーが発生すると、穴のサイズが大きすぎたり小さすぎたりして、部品の正確な挿入に影響を及ぼします。この不具合は、はんだ付け特性と電気接続に影響を及ぼします。
- このエラーは、Gerber ファイルのドリル サイズの誤りとメッキの厚さの誤りによって発生します。
- この問題を解決するには、定義された値に応じて標準穴サイズに従い、メッキの厚さを設定します。
結論
PCB 穴は、PCB 設計とあらゆる電子機器およびプロジェクトの適切な動作の主要なコンポーネントです。これらの穴は、異なる層の基板間の電気的接続と機械的強度を確保するために重要です。PCB 穴には、非メッキスルーホール、メッキスルーホール、スルーホールビア、ブラインドビア、埋め込みビア、マイクロビアなどのビアホールなど、さまざまなタイプがあります。それぞれに、PCB ボードの設計と動作に対する機能と重要性があります。各タイプの PCB 穴には設計と機能がありますが、ボードで使用される主な目的は、PCB 層間の電気的接続、部品の取り付け、およびボード上の外部部品との接続を行うことです。古い PCB ボードには、スルーホール部品を取り付けるためのメッキスルーホールがほとんどでしたが、高密度ボードの需要の高まりにより、メーカーはメッキスルーホールではない表面実装部品を使用しています。高密度のミニチュアビアには、レーザーでドリル加工された穴が使用されます。
