HDIからウルトラHDIへ：PCB設計におけるビア構造

HDI（High-Density Interconnect）技術を扱っている場合、業界が可能な限りの境界を押し広げていることに気づいているでしょう。従来のHDI設計は、サイズが約4ミルのレーザードリルによるマイクロビアに依存しており、キャプチャパッドの直径は通常8～10ミル大きいものでした。しかし、技術は決して静止しておらず、現在ではUltra HDIが全く新しいレベルへと物事を引き上げ、以前は考えられなかった方法でビア構造と密度を再定義しています。

Ultra HDI：サイズの削減

Ultra HDI技術は、プリント基板の特徴サイズを極限まで押し進めることについてであり、それにはトレースだけでなくマイクロビアも含まれます。現在、私たちは2ミルという小さなビアサイズを見ており、絶対最小キャプチャパッドは6ミルですが、信頼性のためには8ミルが依然として理想的なポイントです。これを視点に置くと、75ミクロンのビアと8～10ミルのキャプチャパッドを持つことができ、PCBのフットプリントを劇的に縮小し、高密度コンポーネントの使用を可能にすることを意味します。

なぜこれが重要なのか？電子デバイスがより複雑でコンパクトになるにつれて、より高い接続密度への需要が増え続けているからです。ウルトラHDIは、信頼性を犠牲にすることなく、より小さなスペースにより多くの機能を詰め込むことを可能にします。これは、航空宇宙、医療機器、高性能コンピューティングなど、ミニチュア化の限界を押し進めている業界にとって、ゲームチェンジャーです。

ウルトラHDIの背後にある技術

では、ウルトラHDIを可能にするものは何か？答えは、先進的なビルドアップ技術、超薄型材料、そして精密なビア充填技術にあります。

まず、ビルドアップ技術について話しましょう。ウルトラHDIは、信じられないほど薄い誘電体層と超薄型銅箔（例えば、1/4オンス/平方フィートの銅重量）を使用して、その厳密な公差を達成しています。これらの薄い材料は、粗いエッチングよりも細かい特徴を製造し、より厳しい公差を実現することができ、薄い層上での信号の整合性を維持するのに役立ちます。これを実現する鍵は、ビアのアスペクト比（材料の厚さとビアの直径の比率）を1:1以下に保つことです。例えば、2ミルのビアを設計している場合、誘電体層は2ミル未満でなければなりません。これは通常、35ミクロンまたは25ミクロンの誘電体を使用することを意味します。やや大きな3ミルのビアでは、2ミルの誘電体が可能かもしれませんが、どの場合も精度が重要です。

その後、内部の超高密度相互接続（Ultra-HDI）層に埋め込まれたビアを埋めるという課題があります。これらのスケールでは、段階的に埋め込まれたビアの樹脂充填は信頼性のあるオプションにはなりません。なぜなら、PCB材料の樹脂が埋め込まれたビアの開いた空間を充填するのが難しいからです。その代わりに、信頼性のある電気性能と構造的完全性を確保するために、ビアは銅で充填されなければなりません。銅で充填されたビアは信号の整合性と熱性能を向上させ、これらは高周波アプリケーションや極端なスペース制約を持つ設計にとって重要です。空気のポケットを排除し、導電性を向上させることで、銅充填はUltra HDIを信頼性の高いものにします。

ビア構造へのUltra HDIの影響

Ultra HDIの最大の利点の一つは、高速信号のトレースルーティングをより少ない数の層に集約できる能力です。例えば、2ミルの最小トレース幅と4ミルの最小ビア直径が必要だったHDI設計は、1ミル幅のトレースと2-3ミルのビア直径を持つultra-HDI設計として、はるかに高い密度を達成できます。より小さなビアと薄い誘電体層を使用することで、設計者は同じインピーダンスでより薄いトレース幅で高密度コンポーネントにインチあたりより多くのトレースをルーティングできます。

さらに、Ultra HDIは電力分配と熱管理を改善します。銅で満たされたビアの使用は、高出力アプリケーションに不可欠な熱放散を強化します。小さなビア構造は、寄生容量とインダクタンスを減少させ、高速およびRF設計においてより良い性能をもたらします。その結果、通信や先進コンピューティングなど、正確な信号性能を要求する業界は、進化するニーズに応えるためにUltra HDIを急速に採用しています。

ビア構造に与える影響は深刻です。従来のスルーホールビアや従来のマイクロビアでさえ、次世代の設計にはもはや十分ではありません。Ultra HDIは、より緊密なピッチで積層および段階的なビア構造を可能にし、層間の接続性と設計の柔軟性を向上させます。これにより、基板の不動産をより効率的に使用し、ミッションクリティカルなアプリケーションでの信頼性を高めることができます。

初期計画と製造パートナーシップ

Ultra HDI技術はエキサイティングですが、新たな複雑さも導入します。そのような厳しい許容誤差と先進的な材料を使用すると、製造は当たり前のこととは考えられません。そのため、PCB製造業者との早期の協力が不可欠です。

Ultra HDIの設計は、ビアの縮小だけではなく、材料選択から製造技術までの全プロセスが成功に向けて最適化されていることを確認することについてです。設計段階で製造業者と密接に協力することで、高価な問題になる前に潜在的な障害を特定できます。必要な精度を考えると、早期の小さな調整でも後に大きな頭痛の種を防げる可能性があります。

このレベルの技術を推し進めることは、追加の製造コストを伴うことがあります。しかし、積極的なアプローチでこれらの費用を軽減できます。早期に製造業者と提携することで、プロセスの最適化が確保され、コストのかかる再設計のリスクが減少し、全体的な製造可能性が向上します。

高密度、より良い信号整合性、トップクラスの性能を要求する設計に取り組んでいる場合、Ultra HDIが求めている解決策かもしれません。しかし、Ultra HDIでの成功は計画から始まることを忘れないでください。プロセスの早い段階で経験豊富な製造業者と関わることは、設計がうまく機能するか、コストのかかる再作業が必要なものかの違いを生むことができます。