UHDIにおける登録の課題：なぜ製造公差がレイアウトに重要なのか

超HDIビルドの初期品の写真をじっくり見たことがある人なら、近くのトレースに少し近すぎるビアや、中心からわずかにずれているように見えるパッドを見つけたことがあるかもしれません。それは、超HDIの世界に足を踏み入れたデザイナーがよく尋ねる最も一般的な質問の一つです。レイアウトでは、すべてがうまく機能します。レイヤーは揃っています。パッドは置いた場所に正確にあります。移動させない限り、何もずれません。

しかし、その設計が製造に移ると、現実の世界が現れます。材料は膨張したり収縮したりします。フィルムは伸びたり縮んだりします。レーザードリルは、数時間前とは全く異なる場所にあるフィデューシャルを追跡します。これらの動きは微小で、しばしば数マイクロンに過ぎませんが、超HDIでは、数マイクロンがクリーンなインターコネクトと表面化を待つ信頼性の問題との違いを意味することがあります。

UHDIで登録がこれほど決定的な課題となっている理由と、デザイナーがそれに先んじて対処するために早期にできることを実践的に見てみましょう。

UHDI世界における登録の理解

レジストレーションとは、各レイヤー、ビア、銅の特徴を意図した正確な位置に配置する技術のことです。大きな特徴サイズを持つ設計では、PCBレイヤー間のわずかなずれが目立たないため、大きな許容誤差があります。

UHDIははるかに小さな特徴を持ち、トレース幅は25ミクロンまで低く、レーザーで穿孔されたマイクロビアを支える小さなキャプチャパッドがあります。特徴が小さくなると、許容される公差も小さくなります。標準のHDIボードでは気付かれないようなミスレジストレーションが、UHDI PCBでは銅の特徴サイズよりも大きくなり、製品が顧客に出荷されるとフィールド故障につながる可能性があります。

UHDIの印象的な能力は、設計がプロセスが確実に提供できるものと一致するときにのみ機能します。特徴が意図した場所に着地しないと、結果はすぐに積み上がります：

• マイクロビアがキャプチャパッドを逃れ、オープンまたは断続的な故障を引き起こします。
• はんだマスクがずれて、覆われるべき銅を露出させます。
• トレースがパッド領域に押し込まれ、電気テストの問題を引き起こします。
• 収率が下がり、コストが上がり、ビルド時間が長くなります。

なぜレジストレーションが見た目より難しいのか

工場内では、各製造ステップがPCB層間の機械的または熱的に駆動されるわずかなずれを引き起こします。これは予想されることであり、プロセスエンジニアは可能な限り補正しますが、特徴のずれは積み重なっていきます。

• イメージング： フォトレジストは温度と露光エネルギーに反応し、制御されたイメージング室でさえ湿度の変動を経験します。フィルムは取り扱い時やスケーリング時にわずかに伸びることがあります。
• レーザードリリング： レーザードリルヘッドはCNCコントローラーでPCBの周りを移動し、レーザーによる電力供給は非常に正確です。しかし、レーザードリルはPCBをスキャンする際の機械的ヒステリシスに完全に免疫があるわけではありません。それらはフィデューシャルを追跡し、それらのフィデューシャルが少しでもシフトすると、他のすべても同様に移動します。薄いUHDIパネルを横切る10から15ミクロンのドリフトは珍しくありません。

• 積層： ここで実際のバランス調整が行われます。各プレスサイクル中に、樹脂が流れ、ガラスファブリックが動き、すべての材料が熱に異なって反応します。UHDIスタックアップはしばしば非常に薄いコアを使用し、複数の順次積層パスを経ることで、登録の課題が増大します。

標準的な多層PCBスタックアップでは、10ミクロンのシフトはほとんど問題になりません。しかし、UHDIでは、同じ10ミクロンがはんだマスクダムを消し去ったり、マイクロビアの着地点をそのパッドの端にまさに乗せてしまうことがあります。AOIや最終検査をどれだけ行っても、その許容差を取り戻すことはできません。

デザイナーが最も大きな影響を与える場所

製造業者はプロセスのばらつきを減らすために大きな投資をしていますが、設計自体が登録ウィンドウをどれだけ厳しくする必要があるかをしばしば決定します。初期の選択が収率と安定性を劇的に改善することができます。

• 特徴にマージンを取り入れる：最小限は存在しますが、それらは完璧なアライメントを前提としています。実際のボードはほとんど完璧にアラインメントされることはありません。できるところではデザインに余裕を持たせてください。
• マイクロビア： 積層マイクロビアは非常に厳しい登録制御を要求します。スタガード構造はその要求を和らげ、しばしば長期的な信頼性を向上させます。
• 銅のバランス：不均一な銅分布は静かな問題を引き起こします。密な銅エリアはラミネーション中の動きに抵抗し、希薄なエリアはより容易にシフトします。銅の重さが一様であればあるほど、登録が予測可能になります。
• はんだマスク：画面上ではクリスプに見える小さな開口部や狭いダムは、マスクシフトにほとんど許容差を残しません。わずかなミスアラインメントでも開口部を閉じたり、意図しない露出を作り出すことがあります。

初期レイアウト段階での小さな決定が、すべてを仕様内に保つために必要な製造余裕を正確に提供することがよくあります。

製造者側からの素早い見方

製造フロアでは、登録制御は精密なツールと材料の物理との間の絶え間ないダンスです。CAMチームは、スケーリングモデル、アライメントシステム、そして多くの歴史的データを使用して、パネルが処理中にどのように振る舞うかを予測します。それらのツールは役立ちますが、熱サイクル中の樹脂、ガラス、銅の固有の動きを覆すことはできません。

そのため、設計と製造の間の早期のコミュニケーションがとても重要です。製造者があなたのスタックアップ、銅密度の目標、および意図したビアアーキテクチャを理解していれば、それに応じてプロセスウィンドウを調整することができます。良い登録は単一の調整ではなく、多くの小さな、調整された決定の累積結果です。

前もって少し知識があると、後で多くの頭痛の種を節約できます。単純に、不整合な特徴を許容範囲に戻す検査はできません。UHDIのために設計するということは、製造の現実を見据えて設計することを意味します。スタックアップの議論から始めましょう：ファブリケーターのミスレジストレーション予算は、UHDIスタックアップで使用されている特定の材料の機能です。許容される公差が分かったら、CADでエレガントに見えるが製造ウィンドウを不必要に狭めてしまうような制約は避けてください。

イノベーションはエキサイティングですが、実行が勝利をもたらします。この考え方を受け入れる設計者は、初回の記事の実行がスムーズで、より高い収率を見て、後期のサプライズがはるかに少ないことが多いです。

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