PCB の 盲目 と 埋もれ た バイアス: 重要な 違い,製造 及び 応用

PCB設計が5G、ウェアラブル、高性能コンピューティングによって高密度化するにつれて、省スペースなビアの必要性がこれまで以上に高まっています。従来の貫通ビア（PCB全体を貫通する）は貴重なスペースを無駄にし、多層基板の信号経路を妨げます。そこで、ブラインドビアとベリードビアが登場します。これらは、PCB全体を貫通することなく層を接続する2つの高度なビアタイプであり、より小型で高速、かつ信頼性の高い回路を実現します。

どちらもスペースの問題を解決しますが、独自の設計、製造プロセス、および性能特性により、特定の用途により適しています。このガイドでは、ブラインドビアとベリードビアの重要な違いを、製造方法から得意分野まで詳しく解説します。HDIスマートフォンPCBを設計する場合でも、堅牢な自動車用パワーモジュールを設計する場合でも、これらの違いを理解することで、コスト、性能、および製造性を最適化できます。

ブラインドビアとベリードビアとは？
違いを掘り下げる前に、各ビアタイプとその主な目的（スペースを無駄にすることなく、信号の完全性を損なうことなくPCB層を接続すること）を定義することが不可欠です。

ブラインドビア：外層を内層に接続
ブラインドビアは、外層（PCBの上面または下面）を1つ以上の内層に接続するメッキ穴ですが、基板全体を貫通することはありません。特定の内部層で「ブラインド停止」し、反対側の外層からは見えなくなります。

ブラインドビアの主な特徴：
 a. アクセシビリティ：1つの外層からのみ見える（例：上面のブラインドビアは下面から隠されています）。
 b. サイズ：通常は小型（直径0.1～0.3mm）、高精度なレーザーで穴あけされます。HDI（高密度相互接続）PCBに不可欠です。
 c. 一般的な使用例：スマートフォンPCBで、上面のBGA（ボールグリッドアレイ）を内側の電源プレーンに接続する場合。貫通穴を使用すると、他のコンポーネントがブロックされます。

ブラインドビアの種類：
 a. シングルホップブラインドビア：外層を最初の隣接する内層に接続します（例：層1→層2）。
 b. マルチホップブラインドビア：外層をより深い内層に接続します（例：層1→層4）。シーケンシャルラミネーションが必要です（これについては後述します）。

ベリードビア：内層のみを接続
ベリードビアは、2つ以上の内層を接続するメッキ穴です。外層（上面または下面）へのアクセスはありません。ラミネーション中に内層の間に「埋め込まれ」、PCBの表面からは完全に不可視になります。ベリードビアの主な特徴：
  a. アクセシビリティ：外層への露出なし。PCBを分解しない限り、製造後に検査または修理することはできません。
  b. サイズ：ブラインドビアよりもわずかに大きい（直径0.2～0.4mm）。大量生産では、コスト効率のために機械的に穴あけされることがよくあります。
  c. 一般的な使用例：12層の自動車用ECU（エンジン制御ユニット）で、内側の信号層を接続する場合。外層はコネクタとセンサー用に予約されています。

ベリードビアの種類：
 a. 隣接ベリードビア：2つの隣接する内層を接続します（例：層2→層3）。
 b. 非隣接ベリードビア：隣接していない内層を接続します（例：層2→層5）。ラミネーション中の慎重な位置合わせが必要です。

ブラインドビア vs. ベリードビア：並べて比較
以下の表は、製造、性能、およびアプリケーションの指標におけるブラインドビアとベリードビアの重要な違いを強調しています。これは、設計に適切なタイプを選択するために不可欠です。

製造プロセス：ブラインドビアとベリードビアの製造方法
ブラインドビアとベリードビアの最大の違いは、製造ワークフローにあります。それぞれが独自の層接続に合わせて調整されています。これらのプロセスを理解することで、コストの違いと設計上の制約を説明できます。
ブラインドビアの製造
ブラインドビアは、正確な穴あけとシーケンシャルラミネーションを必要とし、正しい内層で停止するようにします。プロセスは、シングルホップとマルチホップのビアでわずかに異なりますが、コアステップは次のとおりです。
1. 内層の準備：
   事前にパターン化された銅トレースを備えたベースの内層（例：層2）から開始します。
   層2に薄い誘電体層（プリプレグ）を適用します。これにより、外層（層1）から分離されます。
2. ブラインド穴あけ：
   UVレーザー（355nm波長）を使用して、外層（層1）と誘電体を貫通し、層2で正確に停止します。レーザー穴あけは、±5μmの深さ制御を実現します。これは、「ブレークスルー」（層2を貫通する穴あけ）を回避するために不可欠です。
   より大きなブラインドビア（≥0.3mm）の場合、機械的穴あけが使用されますが、より厳密な深さ監視が必要です。
3. デスメアリングとメッキ：
  ビア壁から樹脂スメアを除去します（プラズマエッチングによる）銅の密着を確保するため。
  無電解銅（0.5μmベース）でビアをメッキし、次に電解銅（15～20μm）をメッキして、層1と層2の間に導電パスを作成します。
4. シーケンシャルラミネーション（マルチホップビアの場合）：
   より深い内層に接続するブラインドビア（例：層1→層4）の場合、ステップ1～3を繰り返します。別の誘電体層を追加し、層2から層3に2番目のブラインドビアを穴あけし、メッキし、層4に到達するまで繰り返します。
   シーケンシャルラミネーションはコストを追加しますが、HDI PCBで複雑な層接続を可能にします。
5. 外層の仕上げ：
   外層にソルダーマスクを適用し、コンポーネントのはんだ付けのためにブラインドビアの開口部を露出させます。

ベリードビアの製造
ベリードビアは、外層が追加される前に製造され、内層の間に隠されたままになります。プロセスは次のとおりです。
1. 内層スタックアップ：
   接続する内層（例：層2と層3）を選択します。両方の層に銅トレースをパターン化し、ビアパッドを目的の接続ポイントに配置したままにします。
2. ベリード穴あけ：
   機械的ドリル（≥0.2mmの場合）またはレーザー（≤0.2mmの場合）を使用して、スタックされた内層（層2→層3）を貫通する穴あけを行います。ドリルは、両方の層のビアパッドと完全に位置合わせする必要があります。したがって、±3μmの許容範囲です。
3. メッキとデスメアリング：
   ビア壁をデスメアし、銅でメッキして、層2と層3の間に導電パスを作成します。
4. ラミネーション：
   ベリードビアスタック（層2～3）の両側に誘電体層（プリプレグ）を追加します。
   外層（層1と層4）を誘電体にラミネートし、ベリードビアを完全にカプセル化します。
5. 外層の処理：
   必要に応じて外層（層1と4）をパターン化してメッキします。ベリードビアへのアクセスは必要ありません。

主な課題：位置合わせ
ベリードビアは、ラミネーション中の内層間の正確な位置合わせに依存しています。わずか5μmのずれでも、ビアが1つの層から切り離され、「オープン」回路につながる可能性があります。メーカーは、フィデューシャルマーク（1mmの銅ターゲット）と自動光学検査（AOI）を使用して、位置合わせを確保しています。

重要な性能の違い：ブラインドビアとベリードビアの選択時期
製造以外にも、ブラインドビアとベリードビアは、信号の完全性、熱管理、およびコストが異なります。これらは、アプリケーションの選択を左右する要因です。
1. 信号の完全性：ベリードビアが優位性を持つ
信号の完全性は、高周波設計（5G、PCIe 6.0）にとって不可欠です。ビアスタブ（不要なビア長）と外層への露出は、ノイズと損失の原因となります。
 a. ブラインドビア：短い信号パス（基板全体の貫通なし）により、スタブ長が貫通穴と比較して50～70％削減されます。ただし、外層に露出しているため、近くのコンポーネントからのEMI（電磁干渉）の影響を受けやすくなります。
    使用例：5Gスマートフォンのアンテナ（28GHz）。スペースが限られていますが、EMIはシールドで管理できます。
 b. ベリードビア：外層への露出がないため、EMIのリスクが排除され、完全に密閉された設計により信号反射が最小限に抑えられます。航空宇宙レーダーなど、超高周波信号（≥40GHz）に最適です。
    使用例：衛星トランシーバー。0.1dBの信号損失は、通信範囲を数マイル短縮する可能性があります。

データポイント：IPCの研究によると、ベリードビアは、ブラインドビアと比較して、40GHzで0.3dB/インチの挿入損失を削減します。これは、5G基地局のカバー範囲を10％拡大するのに十分です。

2. 熱管理：ベリードビアは隔離用、ブラインドは転送用
熱性能は、ビアが熱を外層に移動させる必要があるかどうかに依存します。
  a. ブラインドビア：外層の熱源（例：上面のLED）を内側の銅プレーンに接続し、コンポーネントから熱を放散します。外層への露出により、熱伝達に最適です。
     使用例：高出力LEDウェアラブル。LED（外層）が熱を発生し、それを内側の熱プレーンに移動させる必要があります。
  b. ベリードビア：内層の熱（例：内側のパワーアンプ）を外層から隔離し、熱がセンサーなどの敏感なコンポーネントに到達するのを防ぎます。
     使用例：自動車ADASセンサー。内側のパワー層が熱を発生し、カメラまたはレーダー信号を妨害する可能性があります。

実際の例：ベリードビアを内側のパワー層に使用した自動車ECUは、外層の温度を12℃下げ、センサーの寿命を30％延ばしました。

3. コスト：ブラインドビアの方が経済的
ベリードビアは貫通穴よりも25～30％高く、ブラインドビアは15～20％高くなります。これは、製造の複雑さによって左右されます。
  a. ブラインドビア：レーザー穴あけとシングルステップのシーケンシャルラミネーションは、ベリードビアのプロセスよりも労働集約的ではありません。小規模バッチのHDI PCB（例：100ユニットのプロトタイプ）の場合、ブラインドビアはベリードビアよりも（500～）1,000ドル節約できます。
  b. ベリードビア：正確な内層の位置合わせとマルチステップラミネーションが必要であり、労働コストと材料コストが増加します。大量生産（10,000ユニット以上）でのみコスト効率が高く、セットアップコストがより多くの基板に分散されます。

コストのヒント：両方が必要な設計の場合は、「ブラインドベリードコンビネーション」（例：層1→層2からのブラインドビアと層2→層3からのベリードビア）を使用して、性能とコストのバランスを取ります。

アプリケーション：ブラインドビアとベリードビアが輝く場所
各ビアタイプは、性能と省スペースのメリットに基づいて、特定の業界で優位性を発揮します。

ブラインドビア：HDIおよび小型電子機器
ブラインドビアは、スペースが最優先事項であり、外層へのアクセスが必要な設計で優れています。
a. 民生用電子機器：
   スマートフォン（例：iPhone 15 Pro）：ブラインドビアは、上面のBGA（0.4mmピッチ）を内側の電源プレーンに接続し、同じスペースに20％多くのコンポーネントを収めます。
   ウェアラブル（例：Apple Watch）：小型ブラインドビア（0.1mm）により、手首にフィットする薄型PCB（厚さ0.5mm）が可能になります。
b. 5Gモジュール：
   mmWaveアンテナ（28～60GHz）は、ブラインドビアを使用して、外層のアンテナ素子を内側の信号層に接続し、信号損失を最小限に抑えます。

ベリードビア：高層および堅牢なアプリケーション
ベリードビアは、内層接続が重要であり、外層が外部コンポーネント用に予約されている多層PCBに最適です。
a. 自動車用電子機器：
  EVインバーター（12層PCB）：ベリードビアは、内側のパワー層（600V）を接続し、外層で高電圧パスを露出しないようにします。
  ADAS ECU：ベリードビアは、内側の信号層を外側のセンサーから隔離し、EMI干渉を低減します。
b. 航空宇宙および防衛：
  レーダーシステム（8～16層PCB）：ベリードビアは、40GHz以上の信号を最小限の損失で処理し、軍事監視に不可欠です。
  アビオニクス：ベリードビアの密閉された設計は、振動（20G）と極端な温度（-55℃～125℃）に耐え、MIL-STD-883規格に適合しています。
c. 医療機器：
   MRI装置：ベリードビアは、外層コンポーネントからのEMIを回避し、鮮明な画像信号（10～30GHz）を確保します。

一般的な課題とそれらを軽減する方法
ブラインドビアとベリードビアの両方に製造上の課題があります。積極的な設計とパートナーの選択により、コストのかかるエラーを回避できます。
1. ブラインドビアの課題
a. ブレークスルー：レーザー穴あけが深すぎると、ターゲットの内層を貫通し、短絡が発生します。
   解決策：インラインレーザー深さモニター（±1μm精度）とテストクーポンを使用して、穴あけパラメータを検証します。
b. ビアフィリング：未充填のブラインドビアは、アセンブリ中にハンダをトラップし、接合部の欠陥を引き起こします。
   解決策：ビアを銅またはエポキシで充填します（VIPPO—Via-in-Pad Plated Over）フラットな表面を実現します。

2. ベリードビアの課題
a. 位置合わせエラー：内層のずれにより、ビアが1つの層から切り離されます。
   解決策：高精度ラミネーションプレス（±3μm許容範囲）とフィデューシャルマークを使用して、リアルタイムの位置合わせを行います。
b. オープン回路：ベリードビアのメッキボイドは、製造後に修復することはできません。
   解決策：ラミネーション前にX線検査を使用してビアメッキを確認します。ボイドが2％を超える基板を拒否します。

3. 設計のベストプラクティス
a. IPC規格に従う：IPC-6012（PCB認定）およびIPC-2221（設計規格）は、最小ビアサイズと間隔を定義しています。
b. 過度に複雑にしない：コストを削減するために、可能な場合はマルチホップではなくシングルホップのブラインドビアを使用します。
c. 専門家と提携する：LT CIRCUITのような、特殊なレーザー穴あけおよびシーケンシャルラミネーション機能を備えたメーカーを選択します。彼らは、DFM（製造可能性のための設計）フィードバックを提供して、設計を最適化できます。

FAQ
Q：1つのPCBでブラインドビアとベリードビアの両方を使用できますか？
A：はい。「ブラインドベリードコンボ」PCBは、複雑な設計（例：12層の自動車ECU）で一般的です。たとえば、ブラインドビアは層1（外側）を層2（内側）に接続し、ベリードビアは層2を層5（内側）に接続し、スペースと性能を最適化します。

Q：ブラインドビアは、高出力PCB（例：100W以上）に適していますか？
A：はい、ただし、高電流を処理するには、より大きな直径（≥0.2mm）と銅充填が必要です。0.3mmの銅充填ブラインドビアは最大5Aを運ぶことができ、LEDドライバや小型パワーモジュールに適しています。

Q：ベリードビアがブラインドビアよりも高価なのはなぜですか？
A：ベリードビアには、追加の内層位置合わせステップ、特殊なラミネーション、および接続を確認するためのX線検査が必要です。これらはすべて、労働コストと材料コストを追加します。大量生産の場合、これらのコストは、改善された性能によって相殺されます。

Q：ベリードビアが故障した場合、修復できますか？
A：いいえ。ベリードビアは内層の間に囲まれているため、修復するにはPCBを分解する必要があります（これによりPCBが破壊されます）。これが、ラミネーション前のX線検査が早期に欠陥を検出するために不可欠である理由です。

Q：ブラインドビアとベリードビアの最小サイズは？
A：レーザー穴あけブラインドビアは、0.1mm（4mil）と小さく、ベリードビア（レーザー穴あけ）は0.15mm（6mil）から始まります。機械的穴あけは、両方のタイプで≥0.2mm（8mil）に制限されています。

結論
ブラインドビアとベリードビアはどちらも、最新のPCB設計に不可欠ですが、層接続、製造、および性能の違いにより、異なるユースケースに適しています。ブラインドビアは、HDI、外層へのアクセスとコスト効率が重要な小型電子機器で輝きます。ベリードビアは、信号の完全性、熱絶縁、およびEMI耐性が重要な高層で堅牢なアプリケーションで優位性を発揮します。

成功の鍵は、ビアの選択を設計の優先事項（スペース、コスト、信号周波数、および環境）に合わせることです。IPC規格に従い、経験豊富なメーカーと提携し、高度な検査ツールを活用することで、これらのビアタイプの可能性を最大限に引き出し、5G、自動車、および航空宇宙のイノベーションの要求を満たすPCBを作成できます。