エンジニアのための高多層PCB製造に関する完全ガイド

電子機器がますます高性能化、小型化するにつれて、プリント基板の精度と性能に対する要求も高まっています。

高多層基板は、より多くのルーティング層を提供し、より複雑で高密度の回路設計を可能にし、高周波、高速伝送のニーズを満たします。さらに、高多層基板は、より良い信号の整合性と電磁両立性を実現できます。これは、5G通信、高性能コンピューティング、自動車用電子機器などのハイエンドアプリケーションにとって特に重要です。 したがって、高多層基板は、プリント基板業界の将来の発展のための重要なトレンドの1つとなっています。基板設計エンジニアや電子ハードウェア設計エンジニアにとって、多層基板に関連する製造プロセスを理解することも不可欠です。

高多層基板は単に層数を増やすだけでなく、製造の難しさも指数関数的に増加します。単層および二重層基板と比較して、高多層基板の製造には、層間接続、層間のスタッキングと位置合わせ、および正確な積層制御に注意が必要です。設計プロセスでは、信号の整合性、電磁干渉、熱管理などの要素を考慮して、多層基板の性能上の利点を最大限に活用する必要があります。

プロセス、設備、設計能力、品質管理、コラボレーション能力に至るまで、多層基板はプリント基板メーカーに高い製造プロセス基準を要求しています。この記事では、高多層基板製造の主要なプロセスステップについて説明します。

1.製造情報の提出

基板製造の開始として、まず関連する製造情報をプリント基板メーカーに提出する必要があります。基板製造に必要な情報と一般的に使用されるデータ形式は以下の通りです。

ガーバーファイル(RS274X形式)

ガーバーRS274Xは主流のフォーマットです。 出力ガーバーファイルには、すべての回路層、はんだマスク層、ペースト層、シルクスクリーン層、ボードの概要、ドリルマップ、および製造要件（多層スタックアップ構造図、層間誘電体厚さ、インピーダンス制御要件、ビアフィル要件など）が含まれます。ガーバーファイルは、基板メーカーのプロセスエンジニアが各ガーバーファイルの層情報を簡単に識別できるようにする必要があります。ガーバーファイルは命名規則に従って命名することをお勧めします。JLCはこれに関する良い参考資料を提供しています。

ドリルファイル

ドリルファイルには、すべてのドリル座標と直径データが含まれており、Excellon形式が最も一般的に使用されます。

ネットリストデータ

IPCは、互換性のあるフォーマットIPC-356を定義し、ネットリストと電気的性能試験データを生成するために必要なすべての情報を提供します。単層または二層基板と比較して、包括的な基板ドキュメントは、多層基板の製造に不可欠です。製造ドキュメントで最も重要な情報は次のとおりです。

- 完全な層構造

- 基板に関する正確な情報

- 高周波高速基板の場合、基板の製造元と製品名情報。

- インピーダンス制御要件

- 特別なプロセスガイドライン（充填要件など）。

2.製造情報のレビュー

プリント基板メーカーが製造情報を確認する目的は、おおよその製造コストを見積もり、生産を準備することです。製品の製造前に予備分析を行うことで、時間と材料を節約できます。プリント基板メーカーの責任は、製品のプロセス能力が要件を満たしているかどうかを確認することです。

基板製造業者は、基板製造性を向上させるために、ビアホール径やエッチングラインの補正など、製造プロセスに応じて基板設計の配線情報を調整することができます。いくつかの重要な調整は、確認のために基板レイアウトチームに渡されます。理想的には、基板設計プロセス中に製造可能性考慮事項（DFM）を含めることで、設計を最適化し、その後のプリント基板メーカーとのコミュニケーションにかかる時間を大幅に節約できます。

JLCPCBからボードを注文する場合、彼らは 「生産ドラフトチェック」 パーソナライズされたサービスオプションを提供します。ドラフトを注意深く見直し、確認することで、設計の問題点やJLCの処理のエラーを特定することができます。

3.材料の準備

片面および両面基板を製造するために、最終製品の厚さ要件を満たす銅メッキラミネート基板を直接使用します。 ただし、多層ボードは異なります。多層基板では、基板構造内に複数の銅層が含まれているため、特殊な基板が必要です。多層基板を作るために、プリプレグ（PP）と比較的薄い銅メッキ積層板（コアボード）を組み合わせて積層し、最終的な厚さを形成します。積層構造は、基板設計者とボードメーカーが合意した電気的パラメータによって決定され、基板レイアウトの前に線幅/間隔の特定のインピーダンス要件を満たすように計画されます。

積層構造の違いにより、プリプレグの厚さは、伝送線路とパワープレーンの組み合わせのさまざまな要件を満たすためにさまざまです。 各タイプのプリプレグは、1080、2116、3313、7628などの数字で示される特定のグラスファイバー織りタイプで作られています。次の画像はこれらの識別子を示しています。

多層基板の2番目のコンポーネントは、コアボードとも呼ばれる比較的薄い銅メッキラミネート（片面および両面基板に使用される銅メッキラミネートと比較して）です。 これは、片面または両面に銅箔が付いた完全に硬化した基板です。銅を含まないベアボードもあり、これはブランクボードと呼ばれます。

コアボードは、基板サプライヤーが製造したプリプレグと銅箔を積層することで作られます。これらのサプライヤーは、IPC-4101規格と市場の需要に従い、さまざまなガラス繊維織りのスタイルと樹脂含有量のプリプレグを指定された厚さの銅箔と組み合わせて、さまざまなタイプの銅張積層板を製造しています。

多層基板の製造はプリント基板メーカーが行いますが、基板は基板サプライヤーが提供します。基板の仕様が多く、プリント基板メーカーごとに基板の在庫が異なることに注意する必要があります。基板スタックアップ設計に特殊なタイプのプリプレグとコアボードが必要な場合は、事前に基板メーカーと連絡を取り、基板の供給サイクルを理解するのが最善です。

高性能基板を製造するには、高品質の原材料が必要です。基板は基板製造において重要な役割を果たし、電気的特性、熱性能、機械的強度、加工性、環境適応性など、基板の性能と信頼性に影響を与えます。

基板に関しては、JLCPCBは大手メーカーの高品質の素材を使用しています。4層および6層ボードの場合、JLCは高品質で信頼性の高いKBおよび台湾のNanya素材を使用しています。KB材料は、高品質のガラス繊維強化エポキシ樹脂(FR-4)を基材として使用し、高純度銅箔を導電層として使用し、厳格な手順で処理し、高品質、高性能の特性を得て、エレクトロニクス業界で広く使用されています。

同様に、台湾Nanyaは市場で高い評価を得ており、その材料は優れた電気的特性、高強度、剛性、高温および化学物質に対する耐性を提供し、製品の信頼性と寿命を向上させます。

8層以上のボードの場合、JLCは台湾のNanyaとShengyiの材料を使用しています。国内の有名な銅メッキラミネートサプライヤーであるShengyi材料は、高水準、高品質、高性能、高信頼性を備えており、産業用制御、医療機器、家電製品、自動車、その他の電子製品で広く認識され、使用されています。

4.多層基板の製造工程

上記の多層基板製造プロセス図に示すように、多層基板のプロセスには、片面および両面基板と比較して、追加の内層処理ステップが含まれています。重要なステップは、内層スタッキングと積層プロセスの制御であり、制御されたインピーダンス伝送ラインの電気的性能にとって非常に重要です。内層プロセスが完了した後、最終検査まで、片面および両面基板と同じ製造工程が行われます。

多層基板の製造プロセスを詳細に説明すると、通常、約200の異なる処理ステップが含まれます。基板設計者にとって、基板のさまざまな種類と特性、多層基板の製造プロセス、およびはんだ付け技術を理解することが重要です。プリプレグと銅メッキラミネート（コアボード）のさまざまな仕様を組み合わせることで、必要なすべての厚さを得ることができます。多層スタックアップ構造の場合、すべての層が同じ層厚で対称であることを確認することが不可欠です。内層の銅は、これらの対称的な層に均等に分布している必要があります。 分布が不均一な場合、加熱による熱応力により基板が反る可能性があります。

多層基板構造の品質に影響を与える主な要因の1つは、各層間の正確な位置合わせです。 これらの層は正確に位置合わせする必要があります。 そうしないと、接続を穴あけした後、層間に開口部や短絡が発生する可能性があります。正確な位置合わせは、スタッキング中に機械的な位置合わせ穴と位置決めピンを使用して達成されます。内層とプリプレグ間の良好な接着を確保するために、銅の表面は黄変と呼ばれる化学的粗さを経る必要があります。多層基板を積層する前に内部回路層を検査することは、品質保証にとって非常に重要です。この段階で検出された接続やその他の欠陥は、まだ修理することができます。検査は通常、エッチングされた回路パターンをCADデータと視覚的に比較するAOI（自動光学検査）を使用して自動的に行われます。

上の画像は、6層リジッド多層基板の積層プロセスを示しています。ここで、A1、A2、A3はプリプレグ、L2-L3とL4-L5は完成した内層パターンを持つ両面銅めっき積層板、B1とB2は外層用の銅箔です。

従来のリジッド多層基板の積層原理は、一定数の両面銅メッキボード(完成した内層パターンと接着性を向上させるために茶色の処理)を積み重ねることです。 これらの両面銅メッキボードは、銅層間の短絡を防ぐための絶縁材料として機能するプリプレグで分離されます。加熱すると、プリプレグの樹脂が再溶融し、各銅めっきラミネートを結合します。積層された層は、金属化された穴を通して接続されます。JLCの多層製造プロセスは、最大32層の多層基板を製造することができ、ほとんどの用途をカバーしています。

ラミネーションの正確な制御は、制御インピーダンス伝送線の特性インピーダンスにとって重要です。プレス中に温度が上昇すると、プリプレグのエポキシ樹脂が溶けて流れ、導体間の隙間を埋めて内層を結合します。樹脂の流れは、信号層と基準層間の距離に影響を与え、インピーダンス変化に最も大きな影響を与えます。

上の画像に示すように、基板設計ファイルは最終的に生産用の大きな作業パネルにパネル化されます。 特性インピーダンス制御の場合、積層中のパネル全体の樹脂フローの均一性もインピーダンス安定性に不可欠です。 この場合、積層装置の性能が重要です。

装置は、高い多層品質に影響を与える要因の一つです。JLCは、業界最高水準の装置を使用し、高い多層基板品質を保証します。

ラミネーションマシン

JLCPCBは、台湾のVigorから最新世代の全自動ラミネートマシンを使用して、安定性とラミネート品質をさらに向上させました。プロの基板機器サプライヤーとして、Vigorのラミネートマシンは、高精度、高信頼性、高度な制御システムを提供し、高多層基板のスタッキングとラミネーションの要件を満たしています。

積層後、プロセスは穴あけから始まり、その後、片面および両面ボードと同じステップが続きます。 しかし、いくつかの違いがあります。例えば、JLCは、高多層基板製造のための追加の品質向上サービスを無料で提供しています。

このような改良の1つは、アップグレードされた浸漬金プロセスです。JLCでは、6層から32層までのすべての基板に浸漬金を使用しており、厚さを2u"まで無料でアップグレードすることができます。浸漬金は業界で比較的高価な表面処理方法であり、優れた電気的接続性、耐食性、はんだ付け性を提供します。浸漬金層は、滑らかで均一な金属表面を提供し、良好な信号伝送とインピーダンス制御をサポートします。 また、はんだ付け中の安定性と耐久性を保証し、優れた耐食性を提供し、基板の寿命を延ばします。

JLCPCBは、浸漬金に加えて、すべての6～32層基板に樹脂充填ビア技術を無料で適用します（樹脂充填とメッキキャップ）。基板の品質において、ビアは電子機器で重要な役割を果たし、複雑な回路と信頼性をサポートするため、重要です。ビアは様々な要因により徐々に腐食し、接続不良、信号減衰、短絡、漏れ、信頼性の問題を引き起こす可能性があります。樹脂充填ビア技術は、これらの問題を効果的に解決します。

イマージョンゴールドとビアインパッド技術で製造された基板

結論として、多層基板の製造は、片面および両面基板と比較して、内層プロセスを追加するだけではありません。 また、基板製造ファイルをプリント基板メーカーに渡すほど簡単ではありません。 少なくとも基板設計段階では、プリント基板メーカーのプロセス能力を理解し、DFM（製造可能性のための設計）の原則を組み込む必要があります。 実際のルーティング前にプリント基板メーカーとコミュニケーションを取り、特定の伝送線路性能要件を満たすために必要な材料とスタックアップ構造を確認し、合理的なコストとスケジュールを達成します。