マイクロビアを使った設計：スタックアップ、信頼性、ビアフィリング

デザイナーはどうやってあれだけ多機能を限られたスペースに詰め込むのでしょうか？その秘密は、HDI設計技術とプリント回路基板設計におけるマイクロビアにあります。高密度インターコネクト（HDI）PCB技術は現代の電子機器の最先端に位置し、コンパクトで高性能なデバイスを実現しています。これらの構造は長年存在していましたが、単一の回路基板上で複数の機能を必要とするさまざまなシステムでますます一般的になっています。

サイズ検討を行った結果、プリント回路基板にすべての部品を配置するために6ミル以下のトレースが必要と判断した場合。本記事では、マイクロビアとは何か、HDI設計における重要性、そして先進的なPCB製造にもたらす利点について説明します。

マイクロビアとは？

マイクロビアは、導体－絶縁体－導体の多層に盲孔（ブランドホール）を開け、電子回路内の絶縁体を貫通して電気的接続を提供するものです。穴径と深さの最大アスペクト比は1:1で、表面からターゲットパッドまたはプレーンまでの総深さは0.25 mmを超えません。通常、NCABは表面と基準パッド間の誘電体厚さを60～80 µmと考えています。マイクロビアの直径寸法は80～100 µmの範囲です。典型的な比率は0.6:1～1:1の間です。

PCBの複数層を貫通する従来のビアとは異なり、マイクロビアはレーザーで穿孔され、通常隣接する2層間の相互接続に限定されます。150 µm未満の直径のマイクロビアのレーザー穿孔は機械式穿孔を置き換え、現在約94％の市場シェアを占めています。マイクロビアは3つのタイプに分類できます：

• ブラインドビア
• バリードビア
• スタックまたはスタガードマイクロビア

以下の別セクションで詳しく見ていきましょう。

従来のビアとの比較

従来のビアは精度と省スペース機能に欠けます。サイズが大きいため、HDI用途には適さず、微細ピッチ部品の配置を制限し信号損失を増やします。一方、マイクロビアはHDI PCBの小型化・高性能化の要求に合わせて設計されています。

HDI PCB設計におけるマイクロビアの役割

マイクロビアはHDI PCBの不可欠な構成要素であり、追加のスペースを取らずに相互接続密度を高めます。主な特徴は以下の通りです：

1. スペース最適化：マイクロビアにより部品を近接配置でき、PCB全体のサイズを縮小できます。

2. 信号整合性の向上：短い長さにより信号損失と不要な寄生成分を低減し、高周波用途に最適です。

3. 熱管理：マイクロビアを効率的な放熱設計に組み込むことで、高電力デバイスの信頼性を確保します。

マイクロビアの製造方法

マイクロビアは正確にどれほど小さいのでしょうか？多くの設計者に尋ねると、直径約150 µm（6ミル）未満のビアをマイクロビアと考えると答えるでしょう。ビアのサイズに応じて、機械式で穴を開けてメッキした後、各層を積層・プレスする方法、または高出力レーザーで形成する方法があります。後者のプロセスは絶えず改良されており、高スループットにより大量のPCB製造で優位に立っています。レーザー穿孔技術の新たな進歩により、マイクロビアサイズは15 µmまで小さくなっています。製造の2つの主なプロセスは：

1- ビアの穿孔とクリーニング

2- ビアのメッキ

マイクロビア製造には、精密な穿孔、クリーニング、メッキプロセスが関与します。一般的なメッキ方法はスパッタリング、電解メッキ、または無電解銅メッキです。これは、ストレス下でのビア耐久性を損なうボイドやバンプのような欠陥を排除することを目的としています。レーザー穿孔マイクロビアは、ドリル摩耗やサイズ制限の影響を受ける機械式穿孔に比べ、欠陥が少なくなります。

マイクロビア製造プロセスの主なステップ：

1. 基板準備：PCB基板の領域を清浄にし処理して、最適な密着性を確保します。

2. 穿孔：レーザー穿孔を用いて精密なマイクロビアを作成し、数µmの直径でも高密度相互接続をサポートします。

3. デスミアリング：穿孔後の残留材を除去して、清浄な導電経路を確保します。

4. メタライゼーション：無電解メッキなどで薄い銅層を堆積し、層間の電気接続を形成します。

5. 品質管理：不完全な穿孔や密着不良などの欠陥を防ぐため、先進材料と最適化された穿孔パラメータを使用します。

PCB設計におけるマイクロビアの種類

マイクロビアの利点

マイクロビアは、熱機械的信頼性とスペース効率を含むPCB設計に大きなメリットをもたらします。小さいサイズにより小型化が可能で、コンパクトデバイスに最適であり、大きなスルーホールの必要性を減らして基板面積を節約します。マイクロビアはトレース長を短縮し、高速回路での放射を最小限に抑えることで、HDI基板の信号整合性を向上させます。レーザー穿孔は製造欠陥を減らし、全体の信頼性を高めます。さらに、マイクロビアはRFおよびEMC性能を向上させ、先進的な高密度PCB用途に対して設計者に堅牢なソリューションを提供します。主な利点を要約すると：

小型化：マイクロビアの小さなサイズにより、より多くの機能を持つコンパクトな設計が可能になります。

電気性能の向上：マイクロビアはインダクタンスとキャパシタンスの問題を最小限に抑え、高速回路に最適です。

層スタッキングの柔軟性：マイクロビアにより、多層ラミネートプロセスなどの先進的なスタックアップが可能になり、複雑な設計に不可欠です。

信頼性の向上：レーザー穿孔マイクロビアは高精度を提供し、欠陥のリスクを低減します。

マイクロビアの設計上の考慮事項

PCBにマイクロビアを穿孔する際にはいくつかの側面があります。回路基板を設計する際、信頼性の高いメッキが可能な穴を求める場合、マイクロビアのアスペクト比を1:1を超えないようにしてください。それ以上の比率で穿孔することは可能ですが、メッキ欠陥が発生する可能性が高く、信頼性に欠けます。その他の設計上の考慮事項：

• 穿孔技術：レーザー穿孔は精度と再現性により、マイクロビア作成の優先手法です。
• アスペクト比：アスペクト比（ビアの深さ対直径）は、構造的安定性と製造可能性を確保するため理想的には1:1にすべきです。
• 銅メッキ：マイクロビアでの適切なメッキは、電気接続性と信頼性を維持するために不可欠です。
• 層スタックアップ：スタックまたはスタガードマイクロビアの場合、機械的ストレスを回避するため層配置を適切に計画することが重要です。

複数層に配置する場合、ビアを受ける各層で追加のラミネート工程が必要になります。使用しない穴は、必要に応じて非導通で埋めるかメッキで閉鎖できます。マイクロビアは非常に小さいため、埋める必要がない場合もあります。メッキには銅が使用され、このプロセス用に特別なバスと化学薬品が作成されます。このプロセスにより、製造業者は設計プロセスでより多くの柔軟性を得られます。

銅埋め込みビアと非埋め込みビアとは？

マイクロビアは銅で埋めることも埋めないこともできます。バリードマイクロビアの場合、スタッキングが行われる場合は特に、ビアホールを銅で埋めることが重要です。ビアメッキ内部にボイドが残存すると、ビア壁に沿って高い応力集中が生じ、リフロー中または動作中に早期破損する可能性があります。ブラインドマイクロビアは埋めないままでもよく、マイクロビア製造・実装の初期には典型的でした。ブラインドマイクロビアをパッド内で使用する場合は、標準プロセスで埋めるべきです。

マイクロビアのメッキプロセスは通常、純銅または銅エポキシ樹脂を使用します。コンホーマルメッキで始まり、パルスメッキでマイクロビアを实心銅で埋め、ボイドのリスクを低減します。添加剤なしのメッキは、マイクロビア内部にボイド形成を招くことがよくあります。銅で完全に埋めても、添加剤を使用しないと、壁や表面に沿った分布が不均一になることがあります。コンホーマルメッキは、不均一な銅堆積をさらに悪化させ、潜在的なボイドに寄与する可能性があります。

結論

マイクロビアは、PCB設計者に製造プロセスの柔軟性を提供し、顧客は複数層を接続する際の信頼性を得られます。プリント回路基板の材料を選択する際、マイクロビア穿孔プロセスに適した材料もあります。マイクロビアはHDI PCB設計の基盤であり、先進的な電子デバイスに要求される小型化と性能を実現します。

マイクロビアはPCB製造の先進的手法であり、必要がなければコスト削減のため標準ビアを使用するでしょう。しかし、設計が高密度で余分なスペースが必要な場合、マイクロビアの使用を検討してみてください。常に、マイクロビアを使用したPCBを設計する前に、契約製造業者の能力を確認することをお勧めします。