効果的なHDI PCB設計のためのスタックアップ戦略

ムーアの法則が死んだか生きているかは別として、より小さなフォームファクタにさらなる処理能力を詰め込もうという強い経済的インセンティブは、近い将来衰えることはないでしょう。HDIスタックアップ——多層PCB設計の最先端技術であり、PCB設計者がこれからもより小さく複雑な基板を作る助けとなる——が登場しました。プリント基板（PCB）設計におけるスタックアップは、基板の性能、製造性、信頼性に影響を与える重要な要素です。HDI（High-Density Interconnect）PCBでは、コンパクトな設計と複雑な層構造のため、スタックアップ戦略がさらに重要になります。

HDI PCBの製造は1980年代後半に始まりました。最初のHDI量産は1984年にシーケンシャルビルドアップ方式で始まりました。それ以来、設計者と製造者は、より小さい面積に多くの部品を詰め込む方法を常に探し続けています。HDI基板はIPC-2315およびIPC-2226に基づいて設計・製造されます。このブログでは、PCBスタックアップとは何か、なぜ重要なのか、スタックアップを選ぶ方法、よく使われるスタックアップ構成、そしてHDI PCBにおけるインピーダンス制御の考慮事項について説明します。 PCB設計の詳細については、PCBで使用されるViaに関する最新記事をご覧ください。

PCBスタックアップとは？

PCBスタックアップとは、銅層と絶縁層の配置を指し、信号トレースと電源プレーンが層間でどのように分布するかを決定し、電気性能と熱管理に影響を与えます。HDI設計では、マイクロビアなどを活用して高い相互接続密度を実現するため、多層かつ精密な構成が求められます。

なぜPCBスタックアップが必要なのか？

HDI PCB設計は多次元パズルのようなものです。以下に、HDI PCB設計で考慮すべき一般的な設計事項を示します。

インピーダンス制御：誘電体層の厚み、トレース幅、スペーシングに対して厳格な公差（±10％以内）を維持し、信号整合性にインピーダンスが影響しないようにします。

EMI/EMC：思わぬアンテナやノイズを避けるなどの放射考慮事項が適用され、特にHDIは高速信号設計に使われるため重要です。

熱：HDIは熱性能の向上につながることが多いですが、マイクロビアやトレース幅の熱的安定性を高速信号設計で考慮する必要があります。

物理的、電磁的、熱的な要因をHDI PCB設計に取り込む必要があるため、設計プロセスが複雑になります。幸い、EDA（電子設計自動化）ツールが進化し、多次元PCB問題を解くことが容易になっています。

適切なPCBスタックアップ設計のルール：

他の設計や製造と同様、設計者は最高品質の製品を生むためのルールに従う必要があります。電子機器は最終製品になるまでに複数の工程と部品を経るため、実績のあるPCBスタックアップのベストプラクティスを特定し遵守することが必須です。PCBスタックアップ設計では、最良の結果を得るためのルールがあります。

• グランドプレーンの使用が不可欠です。ストリップラインでの信号配線を可能にし、グランドインピーダンスを下げることでグランドノイズを大幅に削減します。
• 高速信号は中間層に配線し、グランドプレーンをシールドとして高速時の放射を抑制します。
• 信号層はグランドプレーンに近く配置して最適な性能を実現します。
• マスプレーンと電源接続は効率的な機能のため慎重に設計する必要があります。
• PCB構成は対称にしてバランスの取れた性能を確保します。
• 信号インピーダンス要件を満たし、信号整合性を維持します。
• 各信号層の厚みは設計プロセスで考慮する必要があります。
• 材料の熱的、電気的、化学的、機械的特性を評価し、設計要件を満たすことを確認します。

このプロセスでPCB製造業者と協働することで、実現可能性と業界標準への準拠が確保されます。

HDIボードの配線方法：

部品密度が増加するにつれ、HDIボードの配線も非常に複雑になります。トレース幅、ビアサイズ、スペーシングを最小化して、HDI PCB設計で高密度配線に対応する必要があります。クリティカルな信号部品、ディカップリングコンデンサ、ICを先に配線し、残りの部品を完全に配線します。

ベストプラクティスは、多層基板を作り、内部層にグランドと電源層を配置して、高速信号によるノイズとクロストークを最小限に抑えることです。これらのグランド・電源層は、グランド層を信号層のすぐ下に配置して戻り経路および差動信号の基準層とし、その後に電源層を配置してインピーダンスを低減します。

スプリットプレーン方式で銅を張り、各信号に個別のグランドプレーンを提供することで、異なる信号・部品によるノイズを回避し、隣接信号からの干渉なく性能を向上させます。以下に一般的な多層PCB設計ガイドラインを示します。

よく使われるPCBスタックアップ：

2層PCBスタックアップ：信号層1層とグランド/電源プレーン1層という最もシンプルな構成。シンプルなIoT機器や民生機器に使用されます。

4層PCBスタックアップ：信号層2層とプレーン2層（電源・グランド）を特徴とし、低〜中周波でEMI制御を要する設計に最適です。

6層PCBスタックアップ：信号・プレーン層を追加して性能を向上。通信機器や産業機器など中級アプリケーションで一般的です。

8層PCBスタックアップ：高密度相互接続のための複数信号・プレーン層を含み、高速信号と狭いスペース制約を持つ先進設計に適しています。

10層PCBスタックアップ：広範な信号・グランド・電源プレーンを配備。サーバ、航空宇宙、自動車技術などのHDI PCBに使われます。

各構成は特定の設計ニーズに合わせて調整され、HDI PCBではマイクロビアなど先進機能を収容するため層数が多くなります。

レイヤスタックアップ：

他の先進PCBと同様、HDI設計の成功は適切なスタックアップ設計にかかっています。信号・電源整合性はもちろん、製造面でも使用するHDI PCBスタックアップは基板をビルドアップするための標準プロセスに適合する必要があります。IPC-2226 HDI PCB規格によれば、寄生要素を最小化し信号整合性を向上させるための標準化されたHDI PCBスタックアップがいくつか定義されています。

設計要件に応じてレイヤスタックアップを選択することで、ノイズを最小限に抑えられます。例えば、信号経路をグランドプレーン上に配置すると信号の伝播が速くなり、スタックアップに電源プレーンを含めることでトラック数を減らし、ビアでVCCや5Vを供給できます。

EMI/EMC考慮を含む6層PCBの基本スタックアップ：

信号層

グランドプレーン

信号層

電源プレーン

グランドプレーン

信号層

オーディオアプリケーション向けEMI/EMC考慮の4層PCB基本スタックアップ：

信号層

グランドプレーン

グランドプレーン

信号層

組込みソリューション向け4層PCB基本スタックアップ：

信号層

グランドプレーン

電源プレーン

信号層

HDI PCB設計での部品配置：

1. 部品配置はHDI PCB設計でクリティカルであり、配線密度と信号整合性に直結します。適切な計画で最短配線経路を確保します。

2. 回路図のフローに基づき、アナログ、デジタル、高速信号、混合信号、高周波、電源などに部品をグループ化し、センシティブ／クリティカルな部品を分離して配置します。

3. マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、Ethernet、メモリなど主要部品は他のほとんどの部品と接続するため基板中央に配置し、ディカップリングコンデンサ、水晶発振子、抵抗を近接配置して効率的な信号フローを実現します。

4. すべての部品を同じ方向に配置し、効率的でエラーのない配線と実装を可能にします。

5. すべての表面実装部品（SMD）は同一面（上面または下面）に配置し、スルーホール部品は上面に配置して実装工程を簡素化します。

6. アナログ回路とデジタル回路を分離し、ノイズ干渉を最小限に抑えます。

7. ディカップリング／バイパスコンデンサはそれぞれの回路ブロックに極力近接配置し、信号整合性を維持します。

スタックアップ設計におけるインピーダンス制御：

コントロールドインピーダンスは、高速・高周波アプリケーションを担うHDI PCBにとって極めて重要です。スタックアップは以下を決定することでインピーダンスに影響を与えます。

• トレース幅・厚み：目標インピーダンス値を達成するように調整します。
• 誘電率（Dk）：一貫した信号伝播を保証します。
• 層間隔：クロストークを減らすための絶縁を維持します。
• 電源・グランドプレーンの配置：信号のための安定した基準プレーンを提供します。

正確なインピーダンス制御は信号劣化を防ぎ、誤動作を減らして先進回路の信頼性を確保します。

結論：

PCBスタックアップ設計は設計者・電子エンジニアにとって不可欠です。高品質の電子機器を生むには多くの考慮事項が必要であり、高品質なPCB設計がなければ製品の品質・性能は大きく損なわれます。したがって、設計者は適切なスタックアップ構造とPCB材料を選択して高品質な製品を得る必要があります。高品質なPCBスタックアップは、最高のPCB歩留まりと生産性に大きく貢献します。シンプルな2層構成から複雑な10層HDI設計まで、適切なスタックアップの選択はアプリケーション要件とPCBの複雑さに依存します。

高速設計向けのスタックアップは非高速アプリケーションに比べてコストが高くなります。コストを抑えるためスタックアップ品質を犠牲にすると信号整合性が劣化し、高速用途に不適切なPCBになる可能性があります。適切な材料選択、層配置、インピーダンス制御に注力することで、現代の電子機器向けに高性能で信頼性の高いPCBを創出できます。信頼できる製造業者と協働することで、設計が量産に円滑に移行し、革新的でコンパクトな技術の実現に繋がります。