HDI PCB | 設計の基礎と製造プロセス

小型化はすべてを変えました。層が増え、配線は細くなり、間隔は狭まりました。しかし、標準的なPCBでは追いつくことができません。

そこで登場するのが、HDI（高密度相互接続）です。これらの基板は、マイクロビア、薄い誘電体、そして高度なラミネーション技術を用いることで、複雑な信号をコンパクトなフットプリントで配線します。スマートフォン、RFモジュール、医療用インプラント、先進運転支援システムに採用されています。単に小型化されているだけでなく、よりスマートな配線、優れた信号整合性、そして高い信頼性も実現しています。

このガイドでは、HDI PCB とマイクロビアの構造を分析し、この技術が現代の高性能エレクトロニクスを推進する理由を説明します。

 

 

  

  

HDI PCBとは何ですか？

HDIはHigh Density Interconnect（高密度相互接続）の略です。しかし、これは単なるコンパクトな回路基板ではありません。性能を犠牲にすることなく、より少ないスペースにより多くの機能を詰め込むための高度な設計戦略です。これらの基板は、マイクロビア、ブラインドビア、ベリードビア、極薄誘電体、そして多層積層構造を用いることで、極めて高密度な配線を実現しています。

基本的な消費者向けガジェットには、このような高密度相互接続PCBは存在しません。航空宇宙制御、5Gモジュール、LiDARシステム、神経インプラント、軍用グレードの通信など、高性能システムには高密度相互接続PCBが不可欠です。サイズ、速度、信頼性が重要となるあらゆる場面で、HDIは活躍します。

これらは、多くの場合0.5mm未満の狭ピッチ部品に対応するように設計されています。これにより、より密接な接続、より高速な信号、そして電磁干渉の低減が可能になります。従来のPCBでは、このようなレベルの複雑さは到底サポートできません。

スペースを節約するだけではありません。HDI PCBテクノロジーは、信号損失を低減し、電力供給を改善し、スイッチング速度の高速化をサポートします。AI、エッジコンピューティング、小型センサーシステムが牽引する世界において、HDIは不可欠なインフラとなり、次世代のインテリジェントエレクトロニクスを静かに内側から支えています。

HDI PCBの構造

さて、HDIボードが他のボードとどう違うのかお話しましょう。フードの内側。従来のPCBは、大きな機械的なドリルビアと比較的幅の広い配線を備えています。HDI PCBでは、以下のものを使用しています。

•  レーザードリル加工されたマイクロビア、

•  より狭いトレース間隔、

•  および積層技術。

全体の構造は、1平方ミリメートルごとに最適化されるように設計されています。それには明確な理由があります。それは、より多くのI/O、より小型のコンポーネント、そしてより高速な信号への需要です。

層構造

一般的な HDI PCB は 1+N+1 構造に従います。

   

•  「N」はコア層の数です。

•  両側の「1」は、マイクロビアによって接続された外側の HDI 層です。

それだけではありません。高度なHDIレイアウトでは2+N+2が使用されます。これには以下の機能があります。

  

•  上部に 2 つの HDI レイヤー、下部に 2 つの HDI レイヤー。

•  ルーティング チャネルが増え、余裕が生まれます。

まだ足りないですか？さらに3+N+3、あるいはそれ以上に増やすこともできます。これはスケーラブルなアプローチです。設計上必要な場合にのみレイヤーを追加するため、コスト（と悩み）を抑えることができます。

エニーレイヤーHDI（ELIC：Every Layer Interconnect）は、あらゆるレイヤー間の接続における制約を取り除きます。マイクロビアによって、任意の2層を直接接続できるようになり、段階的な配線は不要になります。配線は驚くほど効率的になります。こうして、スマートフォンはクレジットカードよりも小さな基板に、あらゆる性能を詰め込んでいるのです。

これらの基板は、シーケンシャルラミネーション方式で製造されます。つまり、積層、穴あけ、めっき、そしてこの工程を層ごとに繰り返すのです。これにより、高密度な内部回路間の超高精度な接続が可能になります。

構造には通常、次のものが含まれます。

•  コアレイヤー: 通常は FR-4 または高性能ラミネートです。

•  プリプレグ: 銅層を接着する樹脂含浸グラスファイバーシート。

•  銅箔: 信号トレースおよびプレーン用。

•  マイクロビア: 直径 150 ミクロン未満のレーザードリル穴に銅メッキを施したもの。

これらすべての要素を組み合わせることで、0.4mmピッチ以下のBGA（ボール・グリッド・アレイ）をサポートします。これは従来のビア技術ではほぼ不可能です。

重要なポイントは、HDIは単に小型化することだけではないということです。コンパクトなレイアウトで信頼性の高いパフォーマンスを実現することです。そのためには、完璧な層の位置合わせ、一貫したビアめっき、そして製造中の正確なアライメントが不可欠です。

HDI PCBスタックアップ

設計者はよくこう言います。「スタックアップを間違えると、レイアウトがどれだけ優れていてもボードは故障します。」

HDI PCBスタックアップは、単に銅層と誘電体層を並べただけのものではありません。綿密に設計された電気アーキテクチャです。各層は信号、電源、グラウンド、シールドといった機能を果たし、ビア戦略によってこれらすべてが結び付けられます。

簡略化された HDI スタックアップを見てみましょう。

1. 最上位信号層

2. 誘電体（プリプレグ）

3. グランドプレーン

4。 コア

5. パワープレーン

6. 誘電体

7. 下部信号層

簡単そうに聞こえますか？そうではありません。HDI設計では、マイクロビアとブラインドビア／ベリードビアによって特定の層間に垂直接続が構築されます。例えば、第1層から第2層へのビアと、第3層から第5層への別のベリードビアが使用される場合があります。あるいは、第1層から第6層まで続くスタックドビアを使用する場合もあります。

これらの選択はランダムではありません。以下の基準に基づいています。

•  信号タイミング要件

•  インピーダンス制御

•  クロストークの最小化

•  電力配分と分離戦略

DDR4、USB 3.0、HDMIといった高速デジタル設計では、インピーダンス制御された専用ストリップラインやマイクロストリップ配線が特定の層に埋め込まれていることがよくあります。そして、これらすべてがわずか0.8mm厚の基板に詰め込まれているのです。

高度な HDI PCB スタックアップには次のものが含まれます。

•  複数の埋め込みビア層

•  樹脂コーティング銅箔

•  充填キャップ付きビアインパッド構造

•  特定の電気的特性または熱的特性を持つハイブリッド材料

実際の例としては、モバイル プロセッサ PCB では、3 mm の BGA ピッチをサポートするために、合計 3 層、スタックされたマイクロビア、および樹脂充填ビアインパッドを備えた 10+N+0.35 スタックアップが使用される場合があります。

重要なポイントは？HDI PCBではスタックアップはパフォーマンスツールであり、単なる機械的なものではなく、信号の整合性、EMIの挙動、さらには製造可能性までも決定します。

HDIボード用ラミネーションと材料

ここまで読んでいただければ、HDI設計は戦いの半分に過ぎないことは明らかです。残りは製造です。HDI基板は、連続的な積層サイクルを経て製造されます。つまり、層ごとにプレス、穴あけ、メッキ、接合が行われます。積層ごとに、マイクロビアや埋め込みビアによる新たな配線オプションが追加されます。しかし、材料はプロセスと同様に重要です。

HDI PCB で使用される一般的な材料:

•  FR-4（高Tgバリアント）: 中速設計では安価で信頼性があります。

•  ポリイミド: 航空宇宙および防衛に最適な優れた熱安定性。

•  ロジャース、イゾラ、パナソニック メグトロン: 高速 RF/マイクロ波 HDI アプリケーションで使用されます。

•  ハロゲンフリーまたは鉛フリーのラミネート: 厳しい環境基準を満たしています。

材料が HDI 対応になる理由は何ですか?

•  高いガラス転移温度（Tg）

•  Z軸の拡張性が低い

•  信号整合性のための厳しいDk/Df許容差

•  周波数と温度に対して安定した誘電特性

レーザードリリングには、マイクロビアのエッジがデブリやアンダーカットのない完全な状態を保つために、クリーンなアブレーション挙動を示す材料も必要です。樹脂系は、ラミネーション中に適切に流動すると同時に、高い剛性で硬化する必要があります。

つまり、材料の選択はコストだけの問題ではありません。掘削性、信頼性、そしてRF性能に直接影響します。

HDI PCBの主な利点

これが他の製品と異なる点です:

1.コンパクトサイズ

HDI PCBは、より少ない基板面積に高い配線密度を詰め込みます。これは、ウェアラブル、インプラント、エッジAIモジュールなどのデバイス設計において非常に重要です。特大の配線やフルデプスビアを設ける余地はありません。マイクロビアと細線配線により、機能を削減することなくスケールダウンが可能です。デッドゾーンや無駄なスペースは一切ありません。効率的なレイアウトを実現できます。

2. シグナルインテグリティの向上

信号経路の短縮、スタブの削減、インピーダンスのより適切な制御。マイクロビアはインダクタンスを低減し、よりクリーンな高速信号伝送を実現します。これは、DDR、PCIe、USB 3.2、HDMIなどの信号をルーティングする際に非常に重要です。

3. レイヤー数の最適化

12層基板が必要ですか？HDIなら8層で実現できるかもしれません。材料コストの削減、基板厚の削減、そして積層工程の簡素化につながります。スタックドマイクロビアは層を効率的に利用することで、レイアウトをコンパクトかつ効率的に維持します。

4. クロストークとEMIの低減

ビアが小さいほど、結合が強くなります。つまり、ループ面積が小さくなり、放射ノイズが低減します。HDIは、医療、航空電子工学、自動車用途など、電磁両立性（EMC）が重要となる用途に最適です。

5. 熱と電力管理

マイクロビアインパッド設計により放熱性が向上します。また、配線スペースの拡大によりデカップリングコンデンサの配置が改善され、電力供給が直接的に向上します。

6. 機械的強度

穴あけ加工の削減、大きなスルーホールの不要化、銅バランスの改善。HDI基板は、振動や熱サイクルに対する堅牢性が向上します。これは、防衛、航空宇宙、EVにおいて重要な考慮事項です。

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HDI PCBの一般的な用途

HDIテクノロジーは家電製品だけにとどまりません。あらゆる場所で活用されています。HDIが舞台裏で活躍する場面をご紹介します。

1. スマートフォンとタブレット

スペースは敵です。HDI PCBは、CPU、RAM、カメラ、バッテリーを、パフォーマンスを犠牲にすることなく、洗練された筐体に詰め込むのに役立ちます。最近のスマートフォンのほとんどは、10層以上のELIC HDI基板を搭載しています。

2.医療機器

植込み型除細動器、ウェアラブル血糖値モニター、ポータブル心電図。これらの製品には、超小型フォームファクターと厳格な信頼性が求められます。HDIはそれらを実現します。

3. カーエレクトロニクス

ADAS、インフォテインメント、LiDAR制御基板、電気自動車のバッテリー管理システムはすべて、HDIレイアウトの恩恵を受けています。特に自動運転機能の増加に伴い、シグナルインテグリティと小型化は不可欠です。

4. ネットワーク機器

ルーター、スイッチ、ベース ステーションでは、高速データ ルーティング、正確なインピーダンス制御、EMI の削減のために HDI ボードが必要です。

5. 軍事および航空宇宙

防衛グレードのレーダー モジュール、航空電子機器プロセッサ、ナビゲーション コントロールは、過酷な環境でも HDI の耐久性と信号の明瞭性に依存しています。

HDI PCB設計ガイドライン

HDIボードの設計は、科学と芸術の両面を持ちます。単に配線を配置するだけでなく、電磁気的挙動、熱膨張、製造上の制約といった物理的な制約にも対処する必要があります。だからこそ、HDIレイアウトには特別な注意が求められるのです。

HDI PCB 設計で最も重要なことは次のとおりです。 

1. 選択戦略を介して

•  マイクロビア隣接する3つの層を接続するために使用します。必要な場合を除き、XNUMX層以上重ねることは避けてください。

•  ずらし vs 積み重ね: 互い違いのマイクロビアの方が信頼性は高くなりますが、積み重ねると BGA の逃げ道が狭くなります。

•  埋め込みビア: 内部レイヤーに隔離し、ルーティングの問題を回避するために、早めに配置を計画してください。

2. ビアインパッド設計

高密度BGAパッケージ、特にピッチが0.5mm未満の場合に使用されます。これらのビアは、はんだ上がりを防ぐため、適切に充填、メッキ、平坦化する必要があります。

すべての製造業者がこれをうまく行えるわけではありません。HDI PCBを製作する前に、必ず製造業者に相談してください。

3. トレースとスペースのルール

•  トレース幅: HDI の場合、通常は 3 ～ 4 ミルです。

•  間隔: クロストークを減らすために、可能であれば信号トレース間隔をトレース幅の 2 倍以上に保ってください。

•  インピーダンスを制御するには、フィールド ソルバーまたは Polar Si9000 などのツールを使用してスタックアップをシミュレートします。

4. アスペクト比の考慮

マイクロビアのアスペクト比は1:1未満と低いため、層間の深さが重要になります。

同じエリアにマイクロビアを過剰に配置することは避けてください。樹脂ボイドや銅めっきの不均一性が生じる可能性があります。

5. ビア充填と信頼性

スタック構造には、充填・キャップされたビアが不可欠です。IPC規格に基づき、樹脂充填または電気めっき充填を使用してください。

ビアフィルが不完全 = 信頼性の問題 = 現場でのボードの故障。

6. DFMとDFAのチェック

テープアウトの前に、次のチェックを実行します。

•  ドリル登録

•  はんだマスクの位置合わせ

•  銅と銅のクリアランス

•  温熱リリーフ

•  テントまたはキャッピングを介して

目標は？ 最小限の修正で製造可能なデザインを実現すること。

HDI PCB 製造プロセス

HDIボードの製造は、通常のPCBとは全く異なります。複数の工程を経る、精密さが求められる、高度なシーケンシャルプロセスです。

簡略化したフローは次のとおりです。

1. 内層イメージングとエッチング： 内部の銅層はフォトリソグラフィーを使用してパターン化されます。

2. コア積層： エッチングされたコアはプリプレグと銅箔で積層されます。

3. レーザードリリング（マイクロビア） レーザーは最上層に 0.15mm 未満のビアをドリルで開けます。通常は UV レーザーまたは CO2 レーザーが使用されます。

4. デスミアとホールクリーニング： プラズマ洗浄により、ビアホールにゴミが残らず、信頼性の高いメッキが実現します。

5. 無電解銅めっき： 導電性を確保するために、マイクロビアの内側に薄い銅層が堆積されています。

6.電気めっき： ビア壁の厚さを増やすために追加の銅がメッキされます。

7. 外層イメージングとエッチング： 最上層の信号層が作成され、微細なトレースがパターン化されます。

8. 連続積層： 必要に応じて追加のレイヤーが追加され、各 HDI サイクルで手順 3 ～ 7 が繰り返されます。

9. ビアフィルと平坦化： ビアインパッド構造はエポキシ樹脂で充填され、CNC によって平坦化されます。

10. はんだマスクと表面仕上げ： ENIG または OSP 表面仕上げが適用されます。

11.フィンal テスト: 最後に、電気テストによって整合性が検証されます。

このプロセスは、スタックアップの複雑さに応じて複数の薄膜サイクルを必要とする場合があります。各サイクルはコストと時間を要するため、慎重に設計する必要があります。

HDI配線におけるビアの種類

HDIボードでは、ビアは単なる穴ではありません。設計要素です。

ここでは簡単な内訳です​​：

スルーホールビア

上から下へ進みます。スペースの無駄が多いため、HDIではあまり使用されません。

ブラインドビア

外層を内層に接続します。表面実装部品の配線に最適です。

埋め込みビア

内側の層に完全に収まります。外側の層を清潔に保つのに役立ちます。

マイクロビア

レーザードリル加工、直径150µm未満。隣接する層を接続します。低インダクタンスでHDIに最適です。

スタック型マイクロビア

直接積み重ねて配置します。上部からコアまで垂直に接続できます。

スタッガードマイクロビア

わずかにオフセットされています。積み重ねるよりも機械的に信頼性が高くなります。

ビアインパッド

パッド直下にビアを配置します。超高密度BGAに使用され、誘導遅延の低減に役立ちます。

各タイプには、コスト、製造性、信号性能の面でトレードオフがあります。レイアウト、スタックアップ、部品ピッチを考慮して選択する必要があります。

PCBasic: 中国で信頼できるHDI PCBメーカー

設計は方程式の半分に過ぎません。難しいのは？その設計を、ミクロン単位まで実際に機能するボードに仕上げることです。

そこが PCBasic の出番です。

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エンジニアが PCBasic を選ぶ理由:

•  レーザー穴あけ精度75µm

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•  IPC 6012、ISO、RoHS準拠

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•  短納期HDI PCBプロトタイピング

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結論

HDI PCBは今や必須の技術です。もはや単なる選択肢ではなく、標準となっています。設計において、より広いスペース、より高速な速度、より優れたシグナルインテグリティが求められる場合、HDIこそが解決策です。構造からスタックアップまで、細部まで理解することが成功の鍵となります。

スタートアップでも、既存のチームでも、適切な設計と製造業者を選ぶことが重要です。精度こそが全てです。

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