HDI PCB の総合ガイド: 設計、利点、アプリケーション

高密度相互接続 (HDI) プリント基板 (PCB) は、従来のプリント基板よりも単位面積あたりの配線密度が高い基板です。HDI PCB は、相互接続とコンポーネントがより高密度で、ラインとスペースが細かく、接続パッドの密度が高くなっています。また、ビアとトレースが小さく、層数が多くなっています。1 つの HDI 基板で、デバイスで以前使用されていた複数の基板の機能を収容できます。HDI PCB は、高層で高価なラミネート基板に適しています。HDI PCB では、一般的な基板とは異なる製造および組み立てプロセスが必要です。これらの基板には、製造コストが高く、設計がより難しく、再加工と修理がより複雑で、製造可能性の問題があります。

HDI PCBの設計のヒント:

1- プロセスの複雑さを最小限に抑えるためにビアの種類を選択する

適切なタイプのビアを選択することは、必要な機器、製造手順、処理時間、および追加コストを決定するため重要です。マイクロビア、ブラインドビア、または埋め込みビアを選択すると、層の数と材料費を削減できます。ただし、スルーホールビア、ドッグボーンビア、またはビアインパッドビアのいずれかを選択すると、全体的なプロセスの複雑さに影響します。

2- HDIアプリケーションのコンポーネントの最小数を選択する

コンポーネントの選択は常に重要ですが、HDI ボードの場合は特に重要です。HDI 設計用に選択されたコンポーネントによって、配線の幅、配置、ドリル穴の種類とサイズ、および全体的なスタックアップが決まります。パフォーマンスが主な懸念事項であることに変わりはありませんが、パッケージング、トレーサビリティ、および可用性も考慮する必要があります。コンポーネントを交換したり、レイアウトを再設計したりすると、製造時間と材料コストが大幅に増加する可能性があります。

3- コンポーネントを配置する際のストレスとEMIを最小限に抑える

非対称のビア配置は、回路基板に不均一な応力と潜在的な反りを引き起こし、歩留まりを低下させる可能性があります。密集したコンポーネント間隔と高電力信号は EMI を発生させ、信号品質に影響を与える可能性があります。近くのピンまたはパッドからの寄生容量またはインダクタンスも信号の整合性に影響を与える可能性があるため、設計段階での EMI モデリングが不可欠です。

4- ルーティングを最適化することで信号整合性の問題を最小限に抑える

HDI の主な利点は、信号伝播に細いトレースを使用することで、サイズを縮小できることです。ただし、トレース幅は、最適な信号整合性を確保するように設計する必要があります。これには、可能な限り短いトレース長、一貫したインピーダンス パス、適切なグランド プレーン、デジタル信号、アナログ信号、および電源信号の適切な分離の維持が含まれます。

5- 材料コストを最小限に抑えるためにスタックアップを選択する

ビアの選択に加えて、PCB スタックアップの選択も HDI PCB 電子製品の製造コストに大きく影響します。材料の種類と層の数は、必要な積層および穴あけサイクルに直接影響します。これらの決定を行う際には、コストが決定要因の 1 つになります。

HDI PCB の利点:

信頼性の向上:マイクロビアはアスペクト比が小さいため、一般的なスルーホールビアに比べて信頼性が高くなります。スルーホールよりも堅牢で、優れた材料とコンポーネントを使用しているため、HDI (高密度相互接続) テクノロジで優れたパフォーマンスを発揮します。

強化された信号整合性: HDI テクノロジには、ビアインパッドとブラインドビアの技術が組み込まれています。これらの技術により、コンポーネント同士の距離が縮まり、信号パスの長さが短縮されます。HDI テクノロジは、スルーホールによって生じるスタブを排除し、信号反射を減らして信号品質を向上させます。したがって、信号パスが短くなると、信号整合性が大幅に向上します。

コスト効率:適切な計画を立てれば、HDI テクノロジは標準的な PCB に比べて全体的なコストを削減できます。これは、必要な層数が少なく、寸法が小さく、PCB の数が少ないことが理由です。

コンパクトな設計:ブラインドビアと埋め込みビアの組み合わせにより、回路基板のスペース要件が削減されます。

全体的に、HDI テクノロジを使用することで、設計者はより多くのコンポーネントを未加工の PCB の両面に配置できるようになりました。パッド内ビアやブラインド ビア テクノロジを含む複数のビア プロセスにより、設計者はより広い PCB 領域を確保し、より小さなコンポーネントをさらに近くに配置できます。コンポーネントのサイズとピッチが小さくなると、より小さな形状でより多くの I/O が可能になります。つまり、信号の伝送が高速化され、信号損失と交差遅延が大幅に減少します。

HDI PCB のさまざまな種類のビア:

ビアは、HDI PCB の複数の層を接続し、それらの間で信号を通過できるようにする小さな導電性の穴です。HDI PCB で使用されるビアには 4 つの種類があります。

●スルーホールビア:これらのビアは PCB の上層から下層まで伸びています。

●ブラインドビア:これらのビアは PCB の内部層を表面層に接続します。

●埋め込みビア:これらのビアは PCB の 2 つの内部層を接続します。

●マイクロビア:これらのビアはスルーホールビアよりも小さく、ボードのサイズを大きくせずに複数のレイヤーを接続するために HDI PCB でよく使用されます。

HDI PCB材料の選択:

材料の選択とその構造は、HDI (高密度相互接続) PCB の設計と製造において極めて重要です。HDI 相互接続を設計するプロセスでは、ガラス強化誘電体材料の指定に関連する潜在的な課題を理解することが求められます。

● 銅張積層板 (CCL):銅張積層板材料は、硬化した (C ステージ) 誘電体の片面または両面に銅箔を積層したものです。硬質 CCL は、FR4、FR-5、または特定の PTFE タイプに分類できます。一般的な用途では、片面積層板材料が使用され、銅張が外層として機能し、C ステージがサブ複合材に結合されます。

● 樹脂コーティング銅 (RCC):樹脂コーティング銅材料は、サブ複合材に直接接着できる樹脂誘電体でコーティングされた銅箔で構成されています。これらは、湿潤環境での加工性の有無によって区別されます。湿潤加工できないコーティング銅材料の場合、マイクロビアはプラズマまたはレーザードリリング技術を使用して作成されます。

● PP (プリプレグ): B ステージ、ボンディング シート、または単にプリプレグとも呼ばれるプリプレグは、樹脂を含浸させたグラスファイバー ファブリックで構成されています。プリプレグのコーティング操作中、樹脂は固まることなく部分的に硬化します。プレス プロセスでの PCB スタックアップの加熱段階で、PP の樹脂が流れ、接着し、PCB コアを銅箔またはその他の材料と結合します。

HDI PCB の設計上の考慮事項:

HDI PCB の製造プロセスは、他の種類の PCB で使用されるプロセスとは異なる場合があります。ここでは、HDI ボードの製造について知っておくべきことと、製造プロセス全体を通して留意すべき設計上の考慮事項をいくつか紹介します。

連続ラミネーション:ラミネーション プロセスでは、熱と圧力を加えることで、PCB コアが銅と、また多層 PCB のプリプレグ層と組み合わされます。必要な熱と圧力の量はボードごとに異なります。ラミネーション フェーズが完了すると、PCB メーカーはビアをドリルで開けます。他の種類の PCB とは異なり、HDI ボードはこのプロセスを複数回行います。これらの連続ラミネーションにより、ドリル中のずれや破損を防ぐことができます。

ビア充填タイプ:ビア充填タイプは、常に特定のアプリケーションと PCB 要件に一致する必要があります。当社が日常的に使用するビア充填材料には、電気化学メッキ、銀充填、銅充填、導電性エポキシ、非導電性エポキシなどがあります。最も一般的なビア充填タイプは、非導電性エポキシです。

ビアインパッド プロセス:ビアインパッド製造プロセスでは、ビアをメッキし、さまざまな充填タイプのいずれかで充填し、キャップを被せ、最後にその上にメッキすることで、PCB のフラット ランドの表面にビアを配置できます。ビアインパッドは通常、特殊な装置と熟練した技術者を必要とする 10 ～ 12 段階のプロセスです。

レーザー ドリル技術:あらゆる層の HDI 設計では、レーザー マイクロビアが頻繁に必要になります。レーザー ドリルは、最大 20 ミクロンの直径のレーザーを生成して金属とガラスの両方を精密にカットし、極小でありながらきれいな穴をあけることができるため、レーザー マイクロビアを作成するのに必要です。低誘電率の均一なガラスなどの材料を使用すると、穴の寸法をさらに小さくすることができます。

HDI PCB製造プロセス:

HDI PCB の設計は、製造を成功させる上で非常に重要です。HDI PCB の設計では、次の要素を慎重に考慮する必要があります。

● 線幅と間隔: HDI PCB の線幅と間隔は通常 1 ミル以下です。トレースが適切に形成され、トレース間に電気的干渉が起こらないようにするには、精密な設計と製造技術が必要です。

● ビアのサイズと配置: HDI PCB では、直径が 6 ミル以下のマイクロビアがよく使用されます。マイクロビアは従来のビアよりも穴あけやメッキが難しいため、PCB 上に慎重に配置する必要があります。

● スタックアップ: HDI PCB は、多くの場合、銅と誘電体の複数の層で構成される複雑なスタックアップを備えています。 PCB が電気的および機械的に健全であることを保証するために、スタックアップを慎重に設計する必要があります。

PCB 製造プロセスに関する完全な記事は、こちらでご覧いただけます。

コスト効率の高いHDI:

一部の消費者向け製品はサイズが小さくなっていますが、消費者にとって価格に次いで最も重要な要素は品質です。設計時に HDI 技術を使用すると、8 層スルーホール PCB を 4 層 HDI マイクロビア技術を実装した PCB に縮小できます。適切に設計された HDI 4 層 PCB の配線機能は、標準の 8 層 PCB と同等以上の機能を実現できます。マイクロビア プロセスにより HDI PCB のコストは増加しますが、適切な設計と層数の削減により、材料平方インチと層数のコストはさらに大幅に削減されます。

HDI PCB コストを効果的に管理するには、次の要素を考慮してください。

1)ビアとホール:ビアが小さいほど精度が要求され、コストも高くなります。ビアの数が増えるとコストも増加します。

2)スタックアップとレイヤー:複雑なスタックアップと追加のレイヤーはコストを増大させるため、最も効率的な数を目指します。

3)材料:コア材料 (FR4、金属など) と表面仕上げ (ENIG など) の選択はコストに影響します。

4)ラミネーション:ラミネーションを増やすとパフォーマンスは向上しますが、コストと処理時間が増加します。

5)スタック型とスタッガード型:スタック型ビアは、追加の材料と時間が必要になるため、コストが高くなります。

6)パッドのサイズ:コストを削減するために、パッドのサイズを早期に最適化します。

7)納期:急ぎの注文はコストが高くなります。節約のために事前に計画を立ててください。

8)サプライヤー:将来の費用を回避するために、競争力のある価格で高品質の製品を提供するサプライヤーを選択します。

HDI PCB の業界と用途:

HDI 技術は現代の電子機器に不可欠であり、パフォーマンスを犠牲にすることなく、より小型でコスト効率の高いデバイスを実現します。HDI PCB を使用する主な業界は次のとおりです。

民生用電子機器: HDI PCB は、スマートフォン、ラップトップ、ウェアラブル、スマートホーム デバイス、IoT ガジェットに使用されており、小型でありながら強力な民生用テクノロジーを実現します。

通信:ルーター、スイッチ、半導体などのデバイスに不可欠な HDI ボードは、電子通信、デジタル メディア、ネットワーク インフラストラクチャをサポートします。

自動車および航空宇宙: HDI PCB は、自動車や航空機用の小型で軽量なコンポーネントを実現し、WiFi、GPS、カメラ、センサーなどの機能をサポートして、より効率的な運用に貢献します。

医療機器:高度な監視、画像処理、外科用機器に使用される HDI テクノロジーは、パフォーマンスを向上させ、デバイスのサイズを縮小します。

産業用アプリケーション: HDI ボードは、製造、倉庫、産業オペレーションにおける IoT デバイスとスマート センサーに電力を供給し、パフォーマンスと接続性を最適化します。