PCBスタックアップに起因する設計制約

PCBスタックアップは、基板内の銅層数を定義するだけのものではありません。スタックアップは、ビア形状、配線幅、間隔、配線密度、インピーダンス、銅厚、製造シーケンスを左右する物理的な制約条件を決定します。最も重要なのは、単に層数やブラインド／ベリードビアを追加しても配線の自由度が無制限に得られるわけではなく、むしろ設計上の制約が変化し、配線、実装、製造のしやすさが制限される可能性があるという点です。

幸い、これらの要素を理解しておけば、より多層化したり高度なビアスタックに頼ったりするのではなく、より適切なスタックアップ判断を行えるようになります。最悪なのは、設計を完了した後で、レイアウトに用いた制約条件では製造できないことが判明するケースです。設計者は、PCBスタックアップがPCBレイアウト内の具体的な設計ルールにどう影響するかを理解することで、こうした問題を回避できます。

PCBスタックアップが設計ルールに与える影響

部品点数と相互接続密度が増えるにつれて、通常はPCBの層数も増加します。これは一般に、最新のBGAや狭ピッチのボトムターミネーテッドパッケージに対応するためであり、その結果として層数とスタックアップ全体の厚みが増していきます。高速インターフェースでは、製造可能な配線幅で制御インピーダンスを実現するために、特定の誘電体厚さが必要になる場合もあります。

これらの要件は、基板全体の厚さと相互に関係します。比較的厚い誘電体層で構成された多層基板は、標準的なスルーホールドリル加工にはすぐに厚すぎるものになる可能性があります。非常に薄い誘電体層は配線密度を高められる一方で、設計をHDI fabrication processesへと向かわせることにもなります。したがってスタックアップでは、配線密度、インピーダンス要件、総厚、そして製造能力のバランスを取る必要があります。

スタックアップ起因の制約で最も一般的なものは、次のように要約できます。

スルーホールビアのアスペクト比

スルーホールビアは、製造不可能な設計を生みやすい代表的な箇所のひとつです。支配的な値になるのは、基板厚と仕上がり穴径のアスペクト比です。基板が厚くなるほど、あるいはドリル径が小さくなるほど、ビアの全深さにわたってめっきを施すことは難しくなります。しかし複数の理由から、PCB設計ソフトウェアではaspect ratioを設計ルールとして定義できず、その代わりに、異なるビアタイプごとの最小許容穴径をユーザーが定義する必要があります。

たとえば、仕上がり径0.15 mmのビアを厚さ2 mmのPCBに配置すると、ほとんどの基板メーカーが受け入れないほど厳しいアスペクト比になります。公称62 mil (1.57 mm) board thicknessであっても、そのドリル径は多くの製造業者の標準プロセス能力を外れる可能性があります。これは特に、大型BGAや高密度QFNレイアウトによって、より多くの配線チャネルを確保するためにビア径を小さくしたくなる場合に重要です。

• スルーホールをファンアウト配線に使える大型BGAでは、ピン数が増えるほどスタックアップの層数も増え、結果として厚みも増す
• 基板厚が増すにつれて、スルーホールはアスペクト比の限界に近づき、さらに大径化しようとすると今度はクリアランス限界に達する

正しい制約値は、一般的なPCB設計ルールからではなく、製造業者から得るべきです。多くの基板メーカーは、IPC Class 2の出来栄え基準で製造される標準厚PCBであれば、8 milのドリル径を受け入れます。Class 3では、許容アスペクト比がさらに厳しくなる場合があります。サポートされる最大アスペクト比が分かれば、想定する基板厚から最小許容ドリル径を決定できます。

銅重量によって配線ルールは変わる

銅重量もまた、配線密度を制約するスタックアップパラメータです。仕上がり銅が厚くなるほど、一般に製造可能な最小配線幅と銅間隔は大きくなります。PCB設計ルールの観点では、これは内層と外層で異なる配線制約が必要になることを意味します。一般的なスタックアップでは、内層に0.5 oz銅、外層に仕上がり1 oz銅を用いることがあります。この場合、外層では内層の配線層よりもかなり大きな最小幅とクリアランスが必要になります。

ベース銅と仕上がり銅の違いも重要です。外層はスルーホールめっき工程中に追加で銅が付くため、1 ozのcopper foilで始まる層でも、仕上がりではさらに厚くなる可能性があります。したがって設計者は、製造ドキュメントでは仕上がり銅の要件を明記し、設計ルールもその仕上がり銅重量を反映したものにするべきです。

銅重量に対するクリアランス／最小フィーチャサイズの例（注：内層には別の表を使用）

出典：Bittele Electronics および PCBWay。

銅厚が2 oz以上になると、配線間隔、エッチング公差、樹脂充填、ソルダーマスク被覆性、はんだ付け性のすべてがより厳しい制約を受けるようになります。このため、多くのパワーエレクトロニクス設計や、高電流も必要とするデジタル設計では、少数の層に厚銅を無理に載せるよりも、追加の1 oz配線層またはプレーン層を増やした方が、はるかに大きな設計自由度を得られることがあります。コスト面では、この2つのアプローチは基本的に同程度です。

サブラミネーションにおけるブラインド／ベリードビア

機械加工で形成するブラインドビアおよびベリードビアは、特にドリル加工に関して、製造シーケンスと標準的な製造能力に直接結びついた制約を導入します。サブラミネーション内のブラインド／ベリードビアには、重要なルールがあります。

1. 開始層・終了層ルール - 機械加工のブラインド／ベリードビアスパンは、別の機械加工ビアスパンの開始層と同じ層で終了してはなりません。例外はシーケンシャルラミネーションを使用する場合で、その場合、あるいはレーザードリルのブラインドビアを使う場合はスタックが可能になります。
2. ビア交差禁止 - 機械加工のブラインド／ベリードビアスパン同士は交差してはなりませんが、入れ子状に配置することは可能です。
3. プリプレグ接着 - サブラミネーションを接合する際、サブスタック同士はコアではなくプリプレグでのみ接合できます。

基本的な設計アプローチとして、特定のベリードビア径（たとえばBGAファンアウト用）を狙うのであれば、スタックアップ作成時にドリルのアスペクト比を計画しておく必要があります。相互に独立した各ブラインド／ベリードビアスパンは、追加のサブラミネーション、ドリル工程、めっき工程を必要とする場合があり、そのたびに銅重量が増し、クリアランスやサイズ要件が厳しくなり、許容アスペクト比も小さくなります。

また、めっきプロセスは機械加工されたベリードビアスパンの開始層と終了層における銅厚も変化させます。露出したそれらの銅層には、ベリードビアのバレル形成時に追加めっきが施されます。その結果としての仕上がり銅厚は、それらの層の配線クリアランス、インピーダンス計算、エッチング補正に影響する可能性があります。

シーケンシャルラミネーションとHDIの制約

レーザードリルによるマイクロビアを使用する場合、シーケンシャルラミネーションでは別の制約群が加わります。許容されるレーザードリル径は、隣接する銅層間の誘電体厚と、通常は1未満が必要なアスペクト比に依存します。そのため、HDIのビルドアップ層は一般に薄くなります。誘電体がレーザードリル径に対して厚すぎると、そのビアは製造業者が対応可能なmicrovia aspect ratioを超えてしまいます。

各シーケンシャルビルドアップサイクルは、製造工程も追加します。スタックドマイクロビアでは、その真上に別のマイクロビアを直接形成する前に、充填および平坦化されたビアが必要になる場合があり、製造業者によっては対応可能なスタック段数に制限があります。スタガードマイクロビアはこうしたスタック要件の一部を回避できますが、その分より広い配線領域を消費します。

実用的なHDIスタックアップの多くは、シーケンシャルラミネーションと、機械加工のベリードビアコアを組み合わせています。これにより設計者は、外層近傍ではマイクロビアを使い、基板中央部を通る長いベリード接続も利用できます。PCBの両面でBGAをオーバーラップ配置しつつ、内層へのマイクロビアスタックをサポートする一般的なオプションを以下に示します。

配線前に製造制約を定義する

最も効率的なPCBスタックアップとは、不要な追加工程を製造側に強いることなく、必要な配線を実現できるものです。配置と配線を始める前に、仕上がり銅重量、許容される機械ドリルのアスペクト比、選定した製造業者が対応するマイクロビアスタック条件を用いて、いくつかの基本設計ルールを定義してください。

• 銅フィーチャサイズと間隔
• 各種ビアタイプに対するビアサイズ上限／下限
• 制御インピーダンス配線の線幅／間隔値
• 銅重量に基づき、内層・外層それぞれの銅フィーチャを定義する

こうした基本的なPCB設計ルールによって、レイアウトが製造可能にするために大幅な手戻り設計を要する方向へ逸脱するのを防げます。より高度なスタックアップにおいて、ベリードビア構造がもたらす設計ルールや制約を詳しく理解するには、以下の動画をご覧ください。

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よくある質問

PCBの厚さはスルーホールビアのアスペクト比にどのような影響を与えますか？

PCBの厚さは、スルーホールビアのアスペクト比に直接影響します。基板が厚くなるほど、同じドリル径でもアスペクト比は高くなり、ビアバレルへの均一なめっきが難しくなります。設計者は、製造業者が対応可能な最大アスペクト比を確認し、想定する基板厚に基づいて許容される最小仕上がり穴径を決定する必要があります。

PCBスタックアップでシーケンシャルラミネーションが必要になるのはどのような場合ですか？

シーケンシャルラミネーションは通常、複数のビルドアップ層を接続するレーザードリルのマイクロビアをスタックアップで使用する場合、または単一の従来型ラミネーション工程では作製できないビア構造を用いる場合に必要です。ビルドアップの各サイクルで製造工程が追加され、スタックドマイクロビアでは、その上にさらにマイクロビアを形成する前に、充填と平坦化が必要になることがあります。

PCBスタックアップ内でブラインドビアとベリードビアは交差または重なり可能ですか？

機械加工で形成するブラインドビアおよびベリードビアのスパンは、一般的に互いに交差させることはできませんが、入れ子状に配置することは可能です。また、シーケンシャルラミネーションを使用しない限り、ある機械加工ビアのスパンが終了する層で、別の機械加工ビアのスパンを開始することもできません。レーザードリルのマイクロビアは追加の柔軟性を提供し、製造プロセスが対応していればスタック構造も実現できます。

なぜPCBの外層では内層と異なる配線幅および間隔ルールが必要なのですか？

PCBの外層では、スルーホールめっきによって追加の銅が付着するため、より広い配線幅と大きなクリアランスが必要になることがあります。その結果、外層の仕上がり銅厚は、初期の銅箔厚や内層で使用される銅厚よりも厚くなる可能性があります。したがって、PCB設計ルールはスタックアップ全体に同一のルールを適用するのではなく、各層の仕上がり銅箔重量を反映させるべきです。

銅箔重量はPCBの配線幅と間隔にどのような影響を与えますか？

仕上がり銅箔重量が増えると、一般に製造可能な最小配線幅および銅同士の最小間隔も大きくなります。銅が厚いほど、エッチングや製造公差のためにより多くの余裕が必要となり、その層で利用できる配線密度は低下します。たとえば、この記事では、標準的な最小パターン寸法が 0.5 oz 銅では 4 mil、2 oz 銅では 8 mil に増加することが示されています。