リジッドフレックスプリント基板のための焼結ペーストを用いたマイクロビアの設計

リジッドフレックスプリント基板（PCB）は、多くの電子パッケージングの課題に対するエレガントな解決策です。この技術は、リジッドPCBの耐久性とフレキシブル回路の多様性を組み合わせています。リジッドフレックスPCBは、スマートフォン、医療機器、自動車電子機器など、多くの現代のデバイスにとって重要です。これらの高密度ルーティングアプリケーションでは、異なる層の回路基板を相互接続するために、しばしばマイクロビアが使用されます。これらの接続を作成するための非常に効果的な方法には、焼結ペーストの使用が含まれます。このブログでは、リジッドフレックスPCBで焼結ペーストマイクロビアを利用するための設計ルールと考慮事項を探ります。

まず、プリント基板製造の文脈で焼結ペーストを定義しましょう。これは、金属粒子（通常は銀または銅）がバインダーに懸濁された導電性材料を指します。ペーストは、PCBの層間の電気的相互接続を作成するために適用されます。製造中、焼結プロセスは、他の金属粒子の融点以下の温度まで加熱することを含み、粒子が融解せずに周囲の基板を溶かすことなく結合して固体の導電経路を形成する原因となります。

焼結ペーストマイクロビアの利点

• 焼結ペーストマイクロビアは、従来のめっきビアに比べて優れた電気伝導性を提供します。焼結プロセスにより抵抗が減少し、効率的な信号伝送を保証します。これは、高速データ転送と信頼性の高い性能を必要とするアプリケーションにとって重要です。
• 小さく密接に配置されたマイクロビアを作成する能力により、より高い回路密度が可能になります。この小型化は、機能を犠牲にすることなくコンパクトで軽量な電子デバイスを開発するために不可欠です。

焼結ペーストマイクロビアの一般的な用途は、フレックス基板上の細ピッチBGAへの配線です。これらのマイクロビアは非常に小さな直径を持つことができ（下記参照）、このタイプの設計に優れたオプションを提供します。焼結プロセスはまた、高い機械的強度を持つビアを生成し、リジッドフレックスPCBのリジッド部分とフレキシブル部分の両方で遭遇するストレスに対して耐性を持ちます。

主要な設計上の考慮事項

材料：導電性ペースト：適切な導電性ペーストを選択することは重要な決定です。優れた電気特性を持つ銀および銅ベースのペーストが一般的に使用されます。焼結プロセスおよび基板材料との互換性が不可欠です。

基板材料：リジッドフレックスPCBは、リジッド部分にFR4、フレキシブルエリアにポリイミドなどの材料の組み合わせを使用します。両方の材料は、焼結温度に耐え、変形や劣化せずに済む必要があります。

パッケージサイズ：フレックスPCB上のHDI設計では、細ピッチパッケージのサイズが利用可能なビアサイズとルーティングスペースを制限します。焼結ビアは、上述のような小さなマイクロビアを可能にすることで、この課題を克服します。例として、以下に示すNordic WLCSPパッケージ（0.35 mmピッチ）があります。従来の盲ビア/埋め込みマイクロビアを焼結ビアに置き換えることで、ピン間のルーティングが可能になるかもしれません。

材料選択は、好みのプリント基板製造業者と協力するタイミングです。すべての製造業者が利用可能な材料やプロセスを扱っているわけではありません。在庫されている材料と定期的に処理される材料を理解せずに、プロジェクトに追加コストとリードタイムを簡単に加えることができます。

マイクロビアの寸法

ビア径とアスペクト比：レーザーでドリルされたマイクロビアは通常、直径が25から75マイクロメートルの範囲です。アスペクト比（深さ対直径）を0.75から1の範囲に保つことで、ペーストの信頼性のある充填と焼結が保証されます。

ピッチと間隔：電気的なショートを避け、信号の整合性を維持するために、マイクロビア間の最小間隔はビア径の少なくとも2倍であるべきです。適切な間隔はまた、より良い熱放散を促進します。

プリント基板製造業者は通常、これらのパラメータを製造能力と製造可能性の設計ガイドラインに記載しています。

製造可能性のための設計（DFM）

レイヤースタックアップ：多層リジッドフレックスPCBを設計する際には、スタックアップ構成を考慮して、マイクロビアの配置を最適化します。ステージャードビアは、応力集中を減少させ、機械的な堅牢性を向上させることができます。

アライメントと登録：製造中の正確なアライメントは、積層マイクロビアが層間で正確に接続することを保証するために重要です。先進のイメージングおよびドリリング技術は、この精度を達成するのに役立ちます。製造業者の能力は大きく異なるため、好みの製造業者の能力を理解することが重要です。それらを念頭に置いて設計することで、コストとリードタイムを節約できます。

熱管理：特に高密度設計では、効率的な熱放散が重要です。熱ビアの利用と適切なレイアウト技術を用いることで、熱負荷を管理し、過熱を防ぐことができます。

焼結プロセスパラメータ

温度プロファイル：焼結温度は、ペーストと基板材料に応じて、通常200°Cから300°Cの範囲です。制御された昇温率と冷却率は、熱衝撃と材料損傷を防ぎます。

時間と圧力：焼結時間は数分から数時間まで変わります。焼結中に圧力をかけることで、ペーストの圧縮を改善し、空洞を減少させ、ビアの機械的および電気的特性を向上させることができます。

雰囲気制御： 窒素やフォーミングガスなどの不活性または還元性の雰囲気で焼結プロセスを行うことで、導電性ペーストの酸化を防ぎ、より良い電気的性能を確保します。

製造業者が制御する必要がある主要なプロセス変数を理解することが重要です。

テストと検証

電気的テスト： 焼結後、マイクロビアの電気伝導性は、設計仕様を満たしていることを確認するために、四点プローブテストなどの技術を使用して測定されるべきです。

機械的ストレステスト： マイクロビアの機械的堅牢性は、実際のアプリケーションで遭遇する機械的ストレスに耐えられるように、曲げ試験やフレックス試験を通じて評価されるべきです。

信頼性テスト： 熱サイクル、湿度、振動を含むさまざまな環境条件下での長期信頼性は、リジッドフレックスPCBの耐久性を保証するために評価されるべきです。

製造中の一般的な課題

接着問題： 焼結したペーストと基板との間の接着を改善することは、信頼性の高いビアを実現するために重要です。プラズマクリーニングや接着促進剤の適用などの表面処理技術は、結合強度を向上させることができます。

空洞形成：焼結ペースト内の空洞は、ビアの電気的および機械的特性を損なう可能性があります。ペーストの配合と焼結パラメータを最適化し、焼結中に圧力をかけることで、空洞形成を最小限に抑えることができます。

亀裂および剥離：亀裂や剥離などの機械的故障は、材料選択を慎重に行い、設計を最適化して応力を均等に分散させることで軽減できます。熱膨張係数が一致した柔軟な接着剤や基板の使用も役立ちます。

結局のところ、焼結ペーストはPCB設計、特にHDI構築において新しいものではありません。このアプローチは、非常に高い層数を達成し、微細な特徴クリアランスとともに焼結ペーストビアの製造に使用されてきました。詳細を知りたい方は、専門家Chris Hunrathとの以下のポッドキャストエピソードをご覧ください：

焼結ペーストのマイクロビアは、PCBデザイナーのツールボックスに別のツールを提供します。この技術で成功するための鍵は、PCB製造業者の能力を理解し、それと協力することです。材料やプロセスに対する好みは製造業者によって大きく異なり、設計プロセスの早い段階で協力することで、時間とコストを節約し、最終製品の信頼性を向上させることができます。