PCB設計におけるVIPPO：高性能電子機器のための3つの主な利点

Via-in-Pad Plated Over (VIPPO) は、高密度、高性能電子機器における重要な課題に対処する、現代の PCB 設計における革新的な技術として登場しました。VIPPO は、部品パッドのすぐ隣ではなく、直接パッド内にめっきスルービアを配置することで、スペースを最適化し、信号の完全性を高め、熱管理を改善します。この革新は、スマートフォンやウェアラブルから産業用センサーや 5G 機器に至るまで、スペースの 1 ミリメートル、信号の明瞭さの 1 デシベルが重要な今日の小型化されたデバイスにおいて特に価値があります。

このガイドでは、PCB 設計における VIPPO の 3 つの主要な利点を説明し、従来のビアレイアウトと比較し、電子性能の限界を押し上げようとするエンジニアやメーカーにとって不可欠なものになった理由を強調します。

VIPPO とは？
VIPPO (Via-in-Pad Plated Over) は、BGA (Ball Grid Arrays)、QFP、小型受動部品などの表面実装部品 (SMD) のはんだパッドにビアを直接統合する PCB 設計技術です。従来のビアとは異なり、パッドの隣に配置され、追加のルーティングスペースが必要ですが、VIPPO ビアは次のとおりです。

a.導電性エポキシまたは銅で充填され、平坦で、はんだ付け可能な表面を作成します。
b.パッドとのシームレスな統合を確実にするためにめっきされ、はんだを閉じ込めたり、接合部の故障を引き起こしたりする可能性のある隙間をなくします。
c.スペースの制約により従来のビア配置が実用的ではない高密度設計に最適化されています。

このアプローチは、PCB のレイアウト方法を変革し、部品の間隔を狭め、基板の不動産をより効率的に使用できるようにします。

利点 1: 信頼性と耐久性の向上
VIPPO は、PCB 故障の 2 つの一般的な原因である、はんだ接合部の弱さとビア関連の欠陥に対処します。その設計は、本質的に接続を強化し、ミッションクリティカルなアプリケーションに最適です。

より強力なはんだ接合部
従来のビアは、部品パッドの外側に配置され、「シャドウエリア」を作成し、はんだの流れが不均一になり、コールドジョイントやボイドのリスクが高まります。VIPPO は、次の方法でこの問題を解決します。

a.平坦で連続したパッド表面 (充填およびめっきされたビアのおかげ) を作成し、均一なはんだ分布を確保します。
b.部品とビア間の距離を短くし、熱サイクル中の曲げを最小限に抑えることで、接合部への機械的ストレスを軽減します。

データポイント: ロチェスター工科大学の研究では、VIPPO はんだ接合部は、従来のビアレイアウトと比較して、疲労の兆候を示す前に、2.8 倍多くの熱サイクル (-40°C ～ 125°C) に耐えることがわかりました。

故障モードの削減
未充填または不適切に配置されたビアは、湿気、フラックス、または汚染物質を閉じ込める可能性があり、時間の経過とともに腐食や短絡につながる可能性があります。VIPPO は、次の方法でこれらのリスクを軽減します。

a.導電性充填: 銅またはエポキシ充填はビアを密閉し、破片の蓄積を防ぎます。
b.めっきされた表面: 滑らかでめっきされた仕上げは、腐食が始まる可能性のある隙間をなくします。

実際のインパクト: Versatronics Corp. は、VIPPO を使用した PCB のフィールド故障率が 14% 減少したと報告しており、これは短絡と腐食関連の問題の減少によるものです。

VIPPO と従来のビア (信頼性)

利点 2: 優れた熱的および電気的性能
高出力および高周波設計では、熱を管理し、信号の完全性を維持することが最も重要です。VIPPO は両方の分野で優れており、従来のビアレイアウトよりも優れています。

熱管理の改善
熱の蓄積は、電子性能、特に電力消費の多い部品 (プロセッサ、電力増幅器など) を備えた高密度設計における主要な制限要因です。VIPPO は、次の方法で放熱を強化します。

a.部品パッドから内部または外部ヒートシンクへの直接的な熱経路を、充填されたビアを介して作成します。
b.熱抵抗の低減: 銅充填 VIPPO ビアの熱抵抗は ~0.5°C/W ですが、従来のビアは ~2.0°C/W です。

ケーススタディ: 5G 基地局 PCB では、VIPPO により、電力増幅器の動作温度が従来のレイアウトと比較して 12°C 低下し、部品の寿命が約 30% 延長されました。

信号の完全性の向上
高周波信号 (≧1GHz) は、長い間接的な経路を移動せざるを得ない場合、損失、反射、クロストークの影響を受けます。VIPPO は、次の方法でこれらの問題を最小限に抑えます。

a.信号経路の短縮: パッド内のビアは、従来のオフパッドビアの周りの迂回をなくし、トレース長を 30 ～ 50% 短縮します。
b.インピーダンスの不連続性の低減: 充填されたビアは、5G、PCIe 6.0、およびその他の高速プロトコルに不可欠な、一貫したインピーダンス (±5% の許容範囲) を維持します。

性能データ: 従来のビアは 0.25 ～ 0.5Ω の抵抗を導入します。VIPPO ビアはこれを 0.05 ～ 0.1Ω に減らし、高周波設計における信号損失を最大 80% 削減します。

VIPPO と従来のビア (性能)

デバイスが小型化し、部品密度が増加するにつれて、エンジニアは前例のないスペースの制約に直面しています。VIPPO は、基板の不動産を最大化することで、新しい設計の可能性を解き放ちます。
高密度相互接続 (HDI) 設計の実現

HDI PCB (ファインピッチ部品 (≦0.4mm) と高密度ルーティング) は、より多くの機能をより小さなスペースに収めるために VIPPO に依存しています。主な利点には以下が含まれます。
a.フットプリントの削減: VIPPO は、従来のオフパッドビアの周りに必要な「キープアウト」ゾーンをなくし、部品を 20 ～ 30% 近くに配置できるようにします。

b.より効率的なルーティング: パッド内のビアは、内部層を信号または電源プレーン用に解放し、追加の層 (およびコスト) の必要性を減らします。
例: VIPPO を使用したスマートフォン PCB は、従来のレイアウトと比較して、同じ領域に 6.2% 多くの部品を収容し、5G mmWave アンテナやマルチカメラシステムなどの高度な機能を可能にしました。

複雑なレイアウトの簡素化

従来のビア配置では、設計者はパッドの周りにトレースをルーティングせざるを得なくなり、クロストークが発生しやすい混雑した非効率的なレイアウトが作成されることがよくあります。VIPPO は、次の方法でこれを簡素化します。
a.部品パッドから内部層への直接接続を可能にし、必要なビアの数を減らします。

b.パッド内での「ビアステッチ」を可能にし、グランド接続を強化し、EMI 削減に不可欠です。
設計への影響: エンジニアは、VIPPO を使用すると、BGA が多い設計 (マイクロプロセッサなど) のルーティング時間が 40% 短縮されたと報告しています。これは、簡素化されたトレースパスによるものです。

VIPPO の理想的なアプリケーション

VIPPO は、小型化と性能が不可欠な業界で特に価値があります。
業界

VIPPO の利点を最大化するには、次の設計および製造ガイドラインに従ってください。
1.ビア充填: 高出力設計には銅充填 (優れた熱伝導率) を使用し、コスト重視の低電力アプリケーションにはエポキシ充填を使用します。

2.パッドサイジング: はんだ付け性を維持するために、パッドはビア直径の 2 ～ 3 倍であることを確認します (例: 0.3mm ビアには 0.6 ～ 0.9mm パッドが必要です)。
3.めっき品質: ビアの導電性と機械的強度を確保するために、≧25μm の銅めっきを指定します。
4.メーカーとの連携: VIPPO に精通した PCB メーカー (LT CIRCUIT など) と協力して設計を検証します。精密な穴あけと充填が不可欠です。
LT CIRCUIT が VIPPO 実装で優れている理由

LT CIRCUIT は、VIPPO を活用して、要求の厳しいアプリケーション向けの高性能 PCB を提供しています。その特徴は次のとおりです。
1.ボイドのないビアを確保するための高度な充填プロセス (銅とエポキシ)。

2.ファインピッチ部品用の精密レーザー穴あけ (±5μm の許容範囲)。
3.VIPPO の完全性を検証するための厳格なテスト (X 線検査、熱サイクル)。
VIPPO に関する専門知識により、顧客は PCB サイズを最大 30% 削減し、信号の完全性と熱性能を向上させることができました。これは、この技術の変革的な影響の証です。

よくある質問

Q: VIPPO は従来のビア設計よりも高価ですか？
A: はい、VIPPO は充填とめっきのステップにより PCB コストに約 10 ～ 15% 追加されますが、これは高密度設計における層数の削減と歩留まりの向上によって相殺されることがよくあります。
Q: VIPPO はすべての部品タイプで使用できますか？

A: VIPPO は、SMD、特に BGA および QFP で最適に機能します。パッドサイズによりビア統合が不要になるため、大型のスルーホール部品にはあまり実用的ではありません。
Q: VIPPO には特別な設計ソフトウェアが必要ですか？

A: ほとんどの最新の PCB 設計ツール (Altium、KiCad、Mentor PADS) は VIPPO をサポートしており、ビアインパッド配置と充填仕様を自動化する機能を備えています。
Q: VIPPO の最小ビアサイズは？

A: レーザー穴あけ VIPPO ビアは 0.1mm と小さくすることができ、超ファインピッチ部品 (≦0.4mm ピッチ) に適しています。
Q: VIPPO はリワークにどのように影響しますか？

A: リワークは可能ですが、注意が必要です。部品の取り外し中に充填されたビアを損傷しないように、正確な温度制御を備えたホットエアステーションを使用してください。
結論

VIPPO は単なる設計のトリックではありません。今日の電子機器の状況を定義する小型で強力で信頼性の高いデバイスを実現する、現代の PCB エンジニアリングの基礎です。信頼性の向上、熱的および電気的性能の向上、前例のない小型化の実現により、VIPPO は高密度設計における最も差し迫った課題に対処します。
6G、AI、IoT が小型で高速なデバイスの需要を牽引するにつれて、技術が進化し続けるにつれて、VIPPO は、意欲的なコンセプトを機能的で市場対応可能な製品に変えることを目指すエンジニアにとって不可欠なものとなるでしょう。