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マイクロビア電流容量計算ツール

DC抵抗、電圧降下、電流密度、自己発熱、およびIPC-2226のアスペクト比チェックにより、IPC-2221を使用してバレル断面からレーザードリル加工されたマイクロビア電流容量を計算します。

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公式

A=π t (D−t),I=k ΔT0.44Amil20.725,k={0.024internal0.048externalA = \pi\, t\,(D - t), \qquad I = k\,\Delta T^{0.44} A_{\text{mil}^2}^{0.725}, \qquad k = \begin{cases} 0.024 & \text{internal} \\ 0.048 & \text{external} \end{cases}

参考: IPC-2221B (conductor current capacity); IPC-2226 (HDI design, microvia definition and aspect ratio); IPC-6012 (plating thickness classes); IPC-TM-650 2.6.27 (microvia thermal shock)

A— メッキバレル断面 (薄壁環状) (mm² / mil²)
D— レーザードリル加工によるマイクロビアの直径 (mm)
t— バレルメッキの厚さ (µm)
L— マイクロビアの深さ (誘電体の厚さ) (mm)
ΔT— 周囲温度を超える温度上昇の許容値 (°C)
k— IPC-2221 コンダクタークラス定数
J— バレル内の電流密度 (A/mm²)

仕組み

マイクロビアは、隣接する2つの層を接続するレーザードリル加工のブラインドビアです。IPC-2226では、プロセスではなく形状で定義しています。直径0.15 mm以下、奥行きと直径のアスペクト比が 1:1 以上である場合です。銅はドリル穴の壁に堆積し、半径D/2−tD/2-tからD/2D/2までの範囲を占めるため、メッキバレルは薄い壁の環状になっています。したがって、導電面積は$A =\ pi t (D-t) $であり、18 µmメッキを施した100 µmのマイクロビアの場合、わずか約0.00464mm²です。これは、0.3 mmのスルーホールビアが提供する面積の約5分の1です。この小さな数字こそが、電流容量がまったく問われる理由です。

IPC-2221 では、導体の電流容量を $I = k\ Delta T^ {0.44} A^ {0.725} 、、A$ を平方ミル単位で求めます。指数は測定されたトレースデータへの近似から得られます。サブリニアな面積依存性は、導体の幅が広いほど冷却面からも遠く離れていることを反映しています。定数kkは、熱がどれだけ逃げやすいかを表しています。IPCでは、ラミネートに埋め込まれた内部導体には0.024、外面に埋め込まれた外部導線には0.048と規定されており、埋め込みの場合は2倍のディレーティングとなります。

マイクロビアにどの値が当てはまるかは、まったくあいまいで、この計算機はそうではないふりをするのではなく、両方の値を報告します。0.024 だと主張するマイクロビアが埋もれてしまう。しかし、長さはわずか50～100 µmで、両端が銅製パッドに接着されています。銅製パッドはラミネートよりも熱伝導がはるかに優れており、0.048とされています。測定されたマイクロビア容量は一般に2つの範囲内にあり、マイクロビア1個あたり0.5～1Aという一般的なHDI設計ルールは上限付近にあります。

より重要なポイントは、自己発熱出力です。DC抵抗はR= rho(T)L/AR =\ rho (T) L/Aで、LLが非常に小さいため、マイクロビアの出力は1ミリオームをはるかに下回ります。これは、銅がはるかに少ないにもかかわらず、スルーホールビアよりも数倍低くなります。これは、長さが支配的であるため、銅がはるかに少ないにもかかわらず、スルーホールビアよりも数倍低くなります。バレルを熱抵抗$\ theta = L/ (k_ {Cu} A) $の伝導経路としてモデル化すると、現実的な電流で定常状態での上昇が1000分の1度になります。故障するのはバレルではありません。失敗するのはターゲットとパッドのインターフェースです。サーマルサイクリングでは、誘電体のZ軸膨張によってメッキバレルが着地するパッドから引き離され、マイクロビアの信頼性は、現在の公式ではなく、IPC-TM-650 2.6.27に基づく熱衝撃試験によって認定されます。IPC-2221の図は、測定温度の予測というよりは、メッキとエレクトロマイグレーションのガードレールとして扱ってください。

計算例

仕様: 0.1 mm マイクロビア、18 µm バレルメッキ、0.075 mm 奥行き、10 °C 許容立ち上り、0.25 A 設計電流、シングルビア、周囲温度25 °C ステップ 1: バレル断面

$A =\ pi t (D-t) =\ pi\ times 18\ times 10^ {-6}\ times (100-18)\ times 10^ {-6} $

$=\ pi\ times 18\ times 82\ times 10^ {-12} = 4.636990756698534\ times 10^ {-9} $ m² =0.004636990756698534= 0.004636990756698534 mm²

IPC-2221 が期待する単位に変換: frac4.63699 times10−96.4516 times10−10=7.18736\ frac {4.63699\ times 10^ {-9}} {6.4516\ times 10^ {-10}} = 7.18736 mil²

ステップ 2: IPC-2221 の電流容量 (両クラスとも) I内部=0.024 times100.44 times7.187360.725=0.024 times2.754229 times4.178702=0.2761999651813298I_ {内部} = 0.024\ times 10^ {0.44}\ times 7.18736^ {0.725} = 0.024\ times 2.754229\ times 4.178702 = 0.2761999651813298 A I外部=0.048 times2.754229 times4.178702=0.5523999303626596I_ {外部} = 0.048\ times 2.754229\ times 4.178702 = 0.5523999303626596 A

マイクロビアに対する正直な答えは、0.28 A から 0.55 A の間です。

ステップ 3:25 °C での DC 抵抗

$\ rho =\ rho_ {20} [1 +\ alpha (T-20)] = 1.724\ times 10^ {-8}\ times [1 + 0.00393\ times 5] = 1.757877\ times 10^ {-8} $ ω·m

R= frac rhoLA= frac1.757877 times10−8 times75 times10−64.636991 times10−9=2.8432393 times10−4 Omega=0.28432393316623417R =\ frac {\ rho L} {A} =\ frac {1.757877\ times 10^ {-8}\ times 75\ times 10^ {-6}} {4.636991\ times 10^ {-9}} = 2.8432393\ times 10^ {-4}\ Omega = 0.28432393316623417 mΩ ステップ4:0.25Aでのドロップと放散 V=IR=0.25 times2.8432393 times10−4=0.07108098329155854V = IR = 0.25\ times 2.8432393\ times 10^ {-4} = 0.07108098329155854 mV P=I2R=0.0625 times2.8432393 times10−4=0.017770245822889635P = I^2 R = 0.0625\ times 2.8432393\ times 10^ {-4} = 0.017770245822889635 mW ステップ 5: バレルの自己発熱  theta= fracLkCuA= frac75 times10−6385 times4.636991 times10−9=42.011\ theta =\ frac {L} {k_ {Cu} A} =\ frac {75\ times 10^ {-6}} {385\ times 4.636991\ times 10^ {-9}} = 42.011 °C/W  DeltaT=P theta=1.7770 times10−5 times42.011=0.0007465480051396345\ Delta T = P\ theta = 1.7770\ times 10^ {-5}\ times 42.011 = 0.0007465480051396345 °C

1万分の7度。IPC-2221の容量制限と実際のバレル温度上昇は、まったく異なる2つのことを表しています。

ステップ 6: 形状と密度のチェック J= fracIA= frac0.250.004636991=53.914J =\ frac {I} {A} =\ frac {0.25} {0.004636991} = 53.914 A/mm²

アスペクト比 = frac0.0750.1=0.75=\ frac {0.075} {0.1} = 0.75 — ほとんどの製造業者が好む値であり、IPC-2226 の 1:1 の制限内です。

結果: ビアあたりの控えめな容量は0.28A、オプティミスティック値は0.55A、抵抗は0.284mΩ、自己発熱はごくわずかです。2 A レールの場合は、8 ～ 10 個のマイクロビアを使用します。

実践的なヒント

  • ✓通常のHDIプラクティスでは、100マイクロビアあたり約0.5Aの予算を立てて、ここで両方の境界と照合してください。要件が外部クラスの数値より大きい場合は、定数について議論するのではなく、ビアを追加してください。
  • ✓手動でスケーリングするのではなく、配列出力を使用してください。抵抗は N で割り、容量は N で乗算しますが、並列マイクロビア間の電流分担が完全に均等になることはないため、20 ～ 30% のマージンを維持してください。
  • ✓電力供給に関しては、マイクロビアが本当に優れています。マイクロビアは長さが短いため、断面積が小さいにもかかわらずスルーホールビアよりも抵抗が低くなります。限界は機械的信頼性であり、電気的性能ではありません。
  • ✓可能であれば、縦横比は 0.75:1 以下にしてください。歩留まりと長期的な信頼性に最も影響するのは単一の形状パラメータであり、設計時にはコストはかかりません。
  • ✓電流密度と合計電流を確認してください。1平方ミリメートルあたり約100Aを超えると、エレクトロマイグレーションとメッキボイドが問題になり、温度上昇の計算では明らかになりません。

よくある間違い

  • ✗標準マイクロビアは、薄壁環の代わりに穴あけ面積のPI-D-squared-Over-4を採用しています。標準的なマイクロビアは、純銅製のプラグではなく、中空のメッキバレルで、確かな仮定では面積が約5倍も誇張されます。
  • ✗IPC-2221の容量を測定された温度予測として扱うのは、バレルの断面に適用される経験的トレースルールです。計算機にはそれと実際のバレルの自己発熱量の両方が表示されていますが、これらが桁違いに一致しないのには理由があります。
  • ✗アスペクト比を無視すると、1：1を超えると、レーザードリルによる穴の先細りが鋭くなりすぎて、メッキの化学的性質がターゲットパッドに均一に届かなくなり、現在の式が何を言おうと、ベースの薄いメッキが故障点になります。
  • ✗マイクロビアを積み重ねることにより高電流経路上の配線面積を節約 — 積層インターフェースは熱機械的応力が蓄積され、熱サイクル下で最も一般的なHDI障害モードとなります。レイアウトが許す限りずらして配置してください。
  • ✗公称めっき厚みに合わせた設計 — IPC-6012 Class 2では、平均20マイクロメートルに対して最小18マイクロメートルが許容され、容量は面積に応じて0.725パワーまで拡張されるため、最悪の場合のめっきが設計対象の数値になります

よくある質問

18マイクロメートルのメッキと10℃の上昇により、内部導体の控えめな数値は約0.28A、外部導体の限界値は約0.55Aで、ほとんどのHDI設計ルールでは、マイクロビアあたり0.5～1Aとされています。これは、上限値かそれより少し上にあります。パッドがどれだけ熱を吸収するかを考えると妥当ですが、限界に近いことを確認する価値があります。
なぜなら、抵抗はrhoに長さを掛けて面積で割ったものなので、長項が勝つからです。マイクロビアの銅面積は 0.3 mm スルーホールビアの約 5 分の 1 ですが、長さは約 5% しかないため、最終的には抵抗が数倍低くなります。これが、マイクロビアがHDIスタックアップの電力供給に優れている理由です。
なぜなら、バレルは熱のボトルネックではないからです。0.25 A では、消費電力は 0.02 mW 未満で、パッドへの伝導経路は非常に短くなります。IPC-2221の容量値は、バレルの断面に適用された経験的なトレースルールであり、意図的に控えめになっています。測定された温度の予測値ではなく、メッキとエレクトロマイグレーションのガードレールとして扱ってください。
IPC-2226では直径に対する深さが1：1に制限されており、ほとんどの製造業者は0.75:1 以下を好みます。それを超えると、レーザードリルによる穴の先細りが鋭すぎて、めっきの化学的性質が均一な厚さでターゲットパッドに到達できず、底面の薄いめっきが信頼性の低下点になります。
できる限りずらしてください。マイクロビアを積層すると抵抗経路が短くなり、配線面積が節約されますが、積層インターフェースは熱機械的応力を蓄積し、熱サイクル下で最も一般的なHDI障害モードとなります。層間にしっかりしたパッドがある互い違いに配置されたマイクロビアは、はるかに堅牢です。
摂氏10度の上昇でビアあたり0.28Aの控えめな値を使用した場合、2Aでは8個のビアが必要になり、10個に切り上げると、めっきのばらつきや不均一な電流分担に対する余裕が生まれます。パッドの下に密集して配置するのが標準的な方法です。アレイの抵抗と電圧降下の出力により、供給されるレールの精度を同時に確認できます。

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マイクロビアはどのくらいの電流を流すことができますか？

100 µmのマイクロビアは、スルーホールビアの5分の1の銅を使用し、抵抗もその数分の1です。IPC-2221の電流式は、誰も明確に選択できない定数に応じて2つの異なる答えを示します。また、実際に失敗するものも同様です。

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