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🕳 PCB Via Design / ビア設計

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📑 目次 / Table of Contents

• 🏗 概要 / Overview
• 🎯 設計ゴール / Design-Targets
• 🔑 基本概念 / Fundamentals
• 📊 ビア構造 / Via-Structures
• 🧮 等価回路と数式 / Equivalent-Circuits–Formulas
• 🧵 スタブと対策 / Stubs–Countermeasures
• 🧪 HDI・マイクロビア設計 / HDI–Microvia-Design
• 🧩 DFM/製造公差 / DFM–Tolerances
• ✅ チェックリスト / Checklist
• 🧭 ドキュメント雛形 / Handoff-Template
• 🔗 関連リンク / Related-Links
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🏗 概要 / Overview

ビア（Via）は基板層間の導通を担い、SI/PI/熱/信頼性/コストに直結します。
Vias connect PCB layers, directly impacting SI, PI, thermal performance, reliability, and cost.

ビアの形状・寸法・スタブ長は高周波信号の損失・反射・遅延に強く影響します。
Via geometry, dimensions, and stub length strongly affect high-frequency signal loss, reflection, and delay.

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🎯 設計ゴール / Design Targets

• スタブ長を最小化する（必要に応じバックドリル採用）。
  Minimize stub length; use backdrill if necessary.
• 差動ペア貫通ビアのスタブ差を抑制。
  Reduce stub mismatch in differential pairs.
• 電源・GNDビアは十分な本数を確保。
  Ensure sufficient power/ground vias.
• HDI/マイクロビアを適切に組み合わせ、高密度配線を実現。
  Use HDI/microvias for dense routing.

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🔑 基本概念 / Fundamentals

• スルーホールビア（Through-hole via）：低コストだがスタブ長が大きい。
  Through-hole: low cost but long stubs.
• ブラインドビア（Blind via）：片面→内層。高密度設計に有効。
  Blind via: surface-to-inner; effective for dense design.
• ベリードビア（Buried via）：内層間接続で表面を塞がない。
  Buried via: inner-to-inner; does not occupy surface space.
• マイクロビア（Microvia, レーザ加工）：HDI向け。直径 50–100 µm。
  Microvia: laser-drilled; diameter ~50–100 µm; HDI use.

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📊 ビア構造 / Via Structures

| 種類 / Type | 概要 / Description | 特徴 / Characteristics | |—|—|—| | Through-hole | 表→裏を貫通 | 低コスト、SI不利、スタブ発生 | | Blind | 表→内層のみ | 高密度、加工追加コスト | | Buried | 内層間接続 | 表面自由度UP、加工複雑 | | Microvia | レーザ加工、1層深さ | HDI必須、高信頼性、歩留まり依存 |

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🧮 等価回路と数式 / Equivalent Circuits & Formulas

ビアはインダクタンス + キャパシタンスを持つ伝送要素としてモデル化できます。
A via is modeled as inductance + capacitance element.

• ビアインダクタンス近似式

\[L_{via} \approx 5.08 h \left[ \ln\!\left(\frac{4h}{d}\right) + 1 \right] \ [\text{nH}]\]

• ビアキャパシタンス近似式

\[C_{via} \approx 1.41 \varepsilon_r \frac{D_1 D_2}{h}\]

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🧵 スタブと対策 / Stubs & Countermeasures

• スタブは高周波で λ/4 共振 → リフレクション源に。
  Stubs resonate at λ/4, causing reflections.
• 対策：
  • バックドリルで未使用部分を除去
  • キャプドビア処理
  • ブラインド/ベリードビア活用

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🧪 HDI・マイクロビア設計 / HDI & Microvia Design

• 直列積層 (stacked)：高密度・高コスト・信頼性課題。
• オフセット積層 (staggered)：応力分散で信頼性向上。
• フィルド＆キャプド：銅埋め＋平滑化でBGA対応。

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🧩 DFM/製造公差 / DFM & Tolerances

• 最小径：レーザ ~75 µm / 機械 ~200 µm
• アスペクト比：$h/d \leq 10$
• バックドリル残 stub 長：±5–10%

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✅ チェックリスト / Checklist

• 高速ビア stub 長は λ/4 以下か？
• 差動ペアビアの左右対称性は維持されているか？
• 電源/GNDビア密度は十分か？
• HDI/マイクロビアは信頼性検証済みか？

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🧭 ドキュメント雛形 / Handoff Template

| 項目 / Item | 指定 / Spec | |—|—| | ビア種類 / Via Type | Through / Blind / Buried / Microvia | | ビア径 / Diameter | 0.2 mm（機械ドリル） | | アスペクト比 / Aspect Ratio | ≤10 | | スタブ処理 / Stub Handling | Backdrill（必要Nets） | | ビア充填 / Filling | Resin filled（BGA領域） | | 配置密度 / Density | GND via 1 per 3–5 mm |

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🔗 関連リンク / Related Links

項目 / Item	説明 / Description	Links
📖 Impedance Control	インピーダンス設計の基礎と制御 Fundamentals and control of impedance design
📖 Simulation	ビアおよびSI解析用のシミュレーション手法 Simulation methods for vias and SI analysis
📖 Reliability	信頼性・寿命設計におけるビア要件 Via requirements for reliability and lifetime design

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