HDI PCBとは HDI PCB、つまり高密度相互接続プリント基板は、微細な導体とコンパクトな層間接続を用いて、限られた面積により多くの配線を収めます。レーザーで穴を開けたマイクロビアと薄いビルドアップ層により、すべての接続で基板全厚を貫通する穴を使わずに、高密度な部品パッドを接続できます。
設計上の課題は、これらの特長が追加の加工に見合う配線上の制約を解決するかどうかです。まずパッケージの形状と層へのアクセスを確認し、そのうえで構造を比較します。ピッチが小さいというだけでは、積層構成は決められません。
要点
- HDIは相互接続の密度と構造を表すもので、層数を増やすだけで基板がHDIになるわけではありません。
- ボール・グリッド・アレイ（BGA）のピッチ、銅パッドのサイズ、配線間隔、ビアのランドが相互に影響し、引き出し配線を制約します。
- 2つのパッド間に配線が収まるからといって、パッケージ全体から配線を引き出せるとは限りません。
- 製造データを確定する前に、加工、基板全体のコスト、信頼性に関する根拠を基準に、候補となる積層構成を比較してください。
PCBを高密度にする要素とは？
HDI構造では、より小さな相互接続を使って、利用可能な配線スペースを増やします。マイクロビアは表層を隣接する銅層に接続できるため、より深い層を別の配線に使えます。微細な配線と小さなパッドにより、高密度パッケージの周囲に引き出し経路を増やせます。
Sierra CircuitsのHDI設計リファレンス では、高い配線密度、マイクロビア、材料選定、ビルドアップ設計の組み合わせについて説明しています。寸法の例は特定の設計条件を示すものです。実際の構造には、基板メーカーが承認した設計ルールを使用してください。
次の3点を区別してください。
- 層数 銅層を何層使えるかを示します。
- ビアの接続範囲 相互接続がどの層同士をつなぐかを示します。
- 設計要素の寸法 製造工程が対応すべき配線・位置合わせの公差を示します。
一般的な多層基板は、層数が多くても大きな貫通穴を使う場合があります。一方、HDI基板は層数が少なくても、より厳しい相互接続が必要なことがあります。同様に、信号速度が高いからといって、それだけでHDIが必要になるわけではありません。電気的性能は、材料、インピーダンス、基準面、配線形状にも左右されます。
HDI基板と標準基板：採用が妥当なのはどんなとき？
従来の配線では、許容できる構造の範囲内でパッケージ、基板面積、接続要件を満たせない場合にHDIを選択します。高密度な製造工程が必要だと決めつける前に、両方の選択肢を比較してください。
| 設計上の制約 | 従来の貫通穴構造 | HDI構造 |
|---|---|---|
| 高密度な部品パッド周辺の引き出し配線 | ドリル径とランド径によって配線経路が塞がれることがある | 小さなマイクロビアのランドにより、有効な配線経路を確保できる |
| 隣接層へのアクセス | 貫通穴は基板全体を貫くスペースを占有する | ブラインドマイクロビアは、その層で止められる |
| 限られた基板面積 | 配線層の追加や外形の拡大が必要になる場合がある | ビルドアップ配線により、基板外形を維持しやすくなる |
| 製造工程の負荷 | 単純な構造なら工程数が少ない | 追加の積層、穴あけ、めっきが必要になる場合がある |
| 総コスト | 既存の配線で対応できる場合は、多くの場合、コスト面で有利 | 面積や層数の削減によって追加加工の費用を相殺できるかどうかによる |
相互接続を短くすれば電気設計に役立つことがありますが、HDIという名称だけで信号品質が保証されるわけではありません。配線インピーダンスと同様に、接続部とリターンパスを確認してください。 制御インピーダンスと基準面に関するガイド では、これらの確認方法を詳しく説明しています。
HDI基板の積層構成：1+N+1、2+N+2、全層相互接続
ビルドアップ表記は、中央の構造の周囲に追加される銅層を示します。構造の比較には役立ちますが、ビア接続や製造工程の全容までは示しません。
ビルドアップ表記の読み方
では 1+N+1、N層の中央構造の両側に、それぞれ1層のビルドアップ銅層があります。したがって、1+4+1構造は銅層が合計6層、2+4+2構造は合計8層です。
中央の構造には、埋め込みビアなどの接続を含めることができます。その構造と追加層をどのように製造するかによって、工場での積層プレス工程の回数は異なります。この表記を、すべての積層工程の正確な回数と同一視しないでください。
AltiumによるHDI設計・製造の解説 ビルドアップ、層構成の計画、製造能力を結び付けています。配線を始める前に、詳細な層構成図とビアの接続層範囲を基板メーカーと合意してください。
ビアの配置方法と位置を区別する
積層マイクロビアは、 隣接する層ペア間で互いに位置を合わせて積み重ねます。 スタガード・マイクロビアは、 位置をずらして配置し、中間層のランド間を導体で接続します。スタガード配置は配線領域を消費します。一方、積層配置では、支持する充填構造とその界面に、より高い要件が求められます。
ビア・イン・パッドは、 位置を表す用語です。ビアの開口部が部品ランド内にあります。充填材や仕上げ表面を指定するものではありません。レーザーマイクロビアには銅充填を使用する場合がありますが、より大きなスルービアには別の充填・キャッピング工程を使用できます。開口部への意図しないはんだの流れ込みを防ぎ、パッドが実装を支えられるよう、必要な完成構造を指定してください。
Any-layer HDI（全層相互接続、ELICとも呼ばれます）では、銅充填された積層マイクロビア構造を介して、任意の銅層間で接続できます。 Sierra CircuitsのHDI製造資料では、 この構造について説明しています。上記の中央構造の例とは異なり、マイクロビアによる接続が層構造全体に広がります。ただし、各ネットが接続するのは割り当てられた導体だけです。Any-layerは、すべてのネットで全層が電気的に接続されるという意味ではありません。
Sierraの設計資料では、積層配置とスタガード配置についても説明しています。実際に必要な引き出し配線に基づき、基板メーカーと相談して構造を選択してください。 PCBビアの種類と設計ルールでは、 接続層範囲、充填、キャッピングについてさらに詳しく説明しています。
計算例：このBGAパッド間に配線を通せるか？
隣接するパッド間に配線を通せるのは、銅箔間の隙間が配線幅と両側のクリアランスを確保できる場合に限られます。この局所的な確認は、積層構成を比較する前に役立ちますが、パッケージ全体の引き出し配線能力を判断することはできません。
寸法条件を示す
説明用の例として、次の公称寸法を考えます。
| 入力項目 | 仮定値 |
|---|---|
| ボールピッチ（パッド中心間の距離） | 0.50 mm |
| 円形銅箔パッドの直径 | 0.25 mm |
| 候補となる配線幅 | 0.075 mm |
| 候補となる配線とパッドのクリアランス | 0.075 mm |
これらの値は説明用であり、部品の推奨値でも、LeadPCBの製造能力を保証するものでもありません。パッド寸法は銅箔の直径であり、ソルダーマスク開口部の寸法ではありません。この計算では、製造時の補正、位置合わせの許容値、工程公差を考慮していません。
配線可能な隙間を計算する
銅箔の端同士の隙間は次のとおりです。
隙間 = ピッチ − パッド直径 = 0.50 − 0.25 = 0.25 mm。
配線1本に必要な幅は次のとおりです。
必要な隙間 = 配線幅 + 2 × クリアランス = 0.075 + 2 × 0.075 = 0.225 mm。
公称寸法上の余裕は 0.025 mmです。これは隙間全体に残る幅であり、各端に割り当てられる公差ではありません。幅0.10 mmの配線に0.10 mmのクリアランスを確保するには0.30 mmが必要となるため、同じ公称寸法での確認では条件を満たしません。
配線の例を具体化するため、説明用の小さな3×3パッド配列を想定します。上段をA1～A3、中段をB1～B3、下段をC1～C3とします。中央のパッドB2を1つの信号に割り当て、周囲の8つのパッドを電源またはグラウンドに割り当てます。この単純化したボール配置は、実際の製品パッケージを示すものではありません。
局所的な配線例として、B2から上方向へA1とA2の間を通り、配列の外へ出る経路が考えられます。図は、1本の信号が1つの経路を通る様子を示しています。電源の配線、ソルダーマスクの制約、他のパッドへの接続、基板全体のレイアウトは未検討です。信号がすべて割り当てられた、より大きな配列では、引き出し配線の問題も異なります。
候補となる構造を比較する
| 候補案 | 解決できる可能性があること | 追加で確認が必要なこと |
|---|---|---|
| 一般的なスルーホール基板 | 例示した信号を表面層に残し、配列の外側に層間遷移を配置する | ボール配置全体、残りの配線、電源分配、許容される配線ルール |
| 1+N+1 | 選択したパッドを表面層から隣接層へマイクロビアで移す | キャプチャーランド、誘電体の厚さ、その層のクリアランスと配線容量 |
| 2+N+2 | 完了したエスケープ配線検討で必要となる、追加のビルドアップ配線層 | ビア配置と追加加工による、両方のビルドアップ層間の接続 |
図示した信号が1本だけの場合、標準的な表面配線チャネルは、より小さい配線ルールで対応できます。この例だけでは、ビルドアップ層を2層にする理由にはなりません。残りの接続や基板の制約によって必要と判断される場合に限り、複雑さを増やしてください。
スタックアップを選択する前に、実際のパッケージのボールマップと承認済みのランドパターンを入手してください。信号数、キャプチャパッドの形状、基準層、使用可能な配線チャネル数を確認します。そのうえで、提案する構成を検証できるだけの範囲までパッケージ周辺を配線してください。
ビルドアップ構成が製造に与える影響
追加する相互接続構造は、それぞれ形成、位置合わせ、検証が必要です。そのため、スタックアップの決定は、基板が部品実装工程に進む前から製造作業に影響します。
一般的なビルドアップ工程には、次の作業が含まれます。
- 中央構造を製造する。指定された埋め込み接続も含みます。
- ビルドアップ用の誘電体と銅箔を積層する （中央構造の上に積層します）。
- レーザーマイクロビアを形成する （必要な接続先ランドまで形成します）。
- 穴を処理してめっきを施す。充填と表面処理は指定に従います。
- ビルドアップ工程を繰り返す （構成上、さらに層が必要な場合）。
- 外層回路、ソルダーマスク、表面処理を仕上げる。その後、合意した検査と電気試験を行います。
実際の工程順序は、相互接続方式と露光プロセスによって異なります。Altiumの製造リファレンスでは、積層、ビア形成、金属化を一体として計画する必要がある理由を説明しています。
マイクロビアの深さは、貫通する誘電体にも左右されます。例として、深さ0.075 mmを直径0.10 mmで割ると、公称の深さ対直径比は0.75:1です。この計算だけで工程が承認されるわけではありません。選定した材料に対する直径の定義、形状、許容比率を基板メーカーに確認してください。
HDI基板のコストを左右する要因
同じ発注条件で、構造全体を比較してください。層数が少なくても、追加のビルドアップ工程や難度の高いビア加工が必要であれば、コストが高くなることがあります。
| コスト要因 | 比較時の確認事項 |
|---|---|
| ビルドアップ構成 | 候補ごとに、どの追加工程が必要ですか？ |
| ビアの充填とキャッピング | どの構造に必要で、どのような受入要件が適用されますか？ |
| 配線幅と間隔 | 選定した銅箔厚と材料において、これらは標準的な仕様ですか？ |
| 基板外形とパネルの利用効率 | より小さい構造にすることで、パネルの有効な取り数は向上しますか？ |
| 材料 | 両方の見積もりは、同じ承認済みの積層板と誘電体要件に基づいていますか？ |
| 検査と認定 | 同等のクーポン、試験、記録が含まれていますか？ |
| 数量 | 治工具費などの固定費は、同じ発注数量を基準に按分されていますか？ |
EpecのHDI製造概要 では、従来の高層数構造を、層数の少ないHDI構造に置き換えられる可能性が説明されています。コスト削減につながるかどうかは、実際の設計と製造プロセスによって異なります。これは見積もり候補として扱い、層数を減らせば常にコストが下がるというルールにはしないでください。
価格差を生む変更点を、サプライヤーに明示してもらいましょう。前提条件の異なる2つの合計金額を比べるよりも、設計変更の判断に役立ちます。
どのような信頼性の根拠を求めるべきか
提案されたビア構造と想定される熱履歴を代表する根拠を求めてください。室温での導通試験に合格しても、すべてのマイクロビア界面が実装時や使用時に耐えられるとは限りません。
2019年3月6日付の マイクロビア信頼性に関する警告で、IPCは従来の受入検査では見つからなかった故障を報告しました。弱い界面は、室温では接続されているように見えても、熱にさらされると検出可能な状態になることがあります。また、この通知では、熱ストレスを加えた断面観察だけでは、こうした欠陥を見逃す可能性があるとも指摘されています。
この 2023年10月18日付のIPC-6012F発表 では、複雑な相互接続ビア構造に関するマイクロビア信頼性要件の拡充とクーポン設計について説明されています。プロジェクトで合意した規格の版と受入要件を使用してください。この発表は規格の全文ではありません。
基板メーカーに次の点を確認してください。
- クーポンは、提案されたビアスタック、接続範囲、関連する界面を代表していますか？
- どの熱プロファイルと抵抗監視方法を使用しましたか？
- どの受入基準が適用され、その結果を裏付ける記録は何ですか？
- この認定はこの構造を対象としていますか。また、製造ロットにはどの検査が適用されますか？
これらの資料から、積層構造がすべて不良になることや、段違い配置によって信頼性が保証されることは確認できません。判断の要点は、選定した形状、製造工程、およびそれを裏付ける根拠です。
エンジニアリングレビュー用にスタックアップとファイルを準備する
設計の制約と製造データをあわせて提出してください。ラベルのないスタックアップ画像では、判断すべき事項が多く残ります。
以下を含めてください：
- 実際のパッケージのボールマップ、承認済みランドパターン、および引き出し配線の制約。
- ビアの開始層／終端層と、スタック配置または段違い配置を示す層構成図。
- 使用予定の材料、ビルドアップ誘電体の厚さ、完成厚、および銅の要件。
- 配線幅／間隔の目標値、キャプチャランド、インピーダンス要件、および基準層。
- ビアの充填、キャップ処理、表面仕上げ、および完成パッドに関する要件。
- 相互に整合した製造用アートワーク、穴あけデータ、図面、およびリビジョン情報。
- 発注数量、実装時の熱要件、および合意済みの検査または認定評価の根拠。
この ガーバー、BOM、CPL、スタックアップファイルのガイド は、製造用入力と実装用入力を区別します。部品を実装する場合は、BOMと配置ファイルが必要になります。リリース一式の確認には、 PCB DFMチェックリスト を使用してください。
この例では、提案された配線ルールとビアランドが、想定する構造で製造可能かどうかをレビューで確認する必要があります。 次の内容を含む HDI基板の製造およびスタックアップレビュー を、配線アーキテクチャを確定する前に依頼してください。
よくある質問
すべての多層基板はHDI基板ですか？
いいえ。層数は銅層の数を表します。HDIは、マイクロビアやビルドアップ配線などの特徴を用いた高密度相互接続方式を指します。従来型のスルーホールを使う多層基板は、層数が多くても従来型の構造である場合があります。
0.5 mmピッチのBGAには、必ずマイクロビアが必要ですか？
いいえ。ピッチだけでは判断できません。銅パッド径、ボールマップ、配線幅／間隔のルール、ビアランド、および利用可能な層によって、引き出し配線の選択肢が決まります。この例では表面の配線チャネルを1つ確認していますが、パッケージ全体では、他の接続のためにマイクロビアが必要になることがあります。
HDIによって基板全体の層数を減らせますか？
より小さな相互接続と優れた層アクセスによって従来の層を置き換えるだけの配線容量を確保できる場合は、減らせることがあります。結果は実際のレイアウトによって異なります。信号の引き出しが容易になっても、電源分配、基準プレーン、電気的制約によって必要な層数が変わらない場合があります。
マイクロビアのスタック構造は、常に信頼性が低いのですか？
一律の優劣を合否判定の基準にするのは適切ではありません。スタック構造には、適切な認定評価を要する界面と工程要件があります。構造の呼称だけで採用または却下するのではなく、提案された形状、製造管理、および代表的な熱試験の根拠を評価してください。
