Ultra-HDI PCBのどのような機能を利用できますか？

パッケージング、基板のようなPCB、細線PCBについて話すとき、私たちはPCB製造プロセスが限界に挑戦している領域を総称しています。この領域は超HDIであり、PCBの典型的な特徴が非常に小さい値に縮小されます。これらのより高度な機能により、従来の設計手法が大きなBGAで可能でしたが、非常に細かいピッチ（0.3 mm）にスケールダウンされ、狭いスペーシングとライン幅が必要になります。

これらの機能は歴史的にアジアで利用可能であり、以前は大量生産で本当にコスト効率が良くなるまででした。現在、これらの高度な機能へのグローバルアクセスが広がっているため、より多くの設計者が低いボリュームで、さらにはプロトタイピング中にもこれらの機能にアクセスできるようになりました。これはまた、大量生産された消費者向けデバイスに見られる高度なコンポーネントを、低いボリュームで使用できることを意味します。

超HDIは製造能力の限界を押し上げる

超HDIはPCBを設計する新しいアプローチではありません。能力は、減算法または加算法は、スマートフォンなどの非常に密度の高いPCBやICパッケージング（基板やRDL内）で利用可能でした。この技術は、通常、大量生産時にのみコスト効果が高いため、最高性能の消費者向け製品やより多くのI/Oカウントを持つIC生産を可能にしてきました。この技術は、現在、少量生産の製造業者でもよりアクセスしやすくなっています。

以下の表は、超高密度インターコネクト（ultra-HDI）に通常関連する製造機能をいくつか挙げたものです。これらの値は、これらの機能を提供する2つの異なる米国の製造業者からまとめたものです。以下に挙げる機能限界は包括的なものではありません。異なる製造業者は、彼らの超高密度インターコネクト製造能力に関して異なる保証を提供します。

上記の機能のいくつかは、標準的なHDIボードで一般的ですが、他の機能はIPC-2226（レベルC）で定義されている現行の標準を超えています。例えば、これらのボードでは、スルーホールビアのサイズ制限は標準HDIと同じです。しかし、ライン幅の制限ははるかに小さく、0.6ミルまで下がります。ライン幅によってはエッチングが可能かもしれませんが、最終的には加算プロセス（例：SAP、mSAP、またはA-SAP）を使用する必要があります。

ウルトラHDIで何ができるか？

ウルトラHDIは機能サイズを低い限界まで押し下げるため、2つの設計上の利点を可能にします：

1. HDIボードのレイヤー削減 - 細線ルーティングにより、トレースをより少ないレイヤー数に統合でき、HDIビルドアップレイヤーの数を減らすことができます。
2. 従来の構築での小さなライン幅 - HDIビルドアップを完全に排除できれば、PCBの製造に必要なコストを大幅に削減できます。

HDIビルドアップ層の数を減らすことができれば、超HDI製造機能へのアクセスに必要な追加コストの一部を相殺することができます。

例1：Xilinx FPGA（0.8 mm BGA）

BGAは、これらの大きなパッケージのファンアウトを作成する必要性があるため、しばしばHDI製造の要因となります。これは通常、積層盲埋め機械掘削ビアで行われます。1 mmピッチでは、パッド/ボールサイズに応じて、8または10ミルまでのスルーホールを使用することができます。ピッチとライン幅の制限のため、各層のボール間に単一のトレースを配置できる場合があります。

超HDI機能を使用すると、パッド間に2つの比較的幅広のトレースを配置できるようになります。ピン配置によっては、トレースをより少ない数の層に集約できるため、層の削減が可能になるかもしれません。下の画像は、トレース幅=2.25およびS/W=1.5のDDRインターフェースのいくつかのトレースを示しています。

このようにトレースを近づけるとクロストークが増加しますが、より薄い誘電体層を使用することで（トレースからGNDまでの距離が小さくなるため）、これを克服できます。

クロストークレベルは層の厚さに非線形に関連しているため、薄い層を使用すると、大きなクロストークのペナルティなしにインピーダンス目標を達成し、このような密なルーティングを可能にします。これは一般的に、特にインピーダンスが考慮される場合には、これらの密なボードには薄い層が必要であることを意味します。

S/W比率を同じにして、より積極的にトレース幅を細くしたらどうでしょうか？下の画像では、トレース幅を1ミルに減らしました。同じS/W比率で、このBGAのパッド間に4つのトレースを配置することができます。しかし、クロストークとDDRインターフェースのインピーダンス要件による課題のため、トレースのインピーダンス要件を満たすためには、より薄い層が必要になります。

BGAフットプリント内のパッド間を通過するトレースの数を倍増または4倍にすることで、BGAの完全なファンアウトに必要な層の数を減らすことができる可能性があります。小さいピッチ（0.5 mmから0.8 mm）では、通常、盲孔/埋没ビアとパッド間の細かいルーティングが必要ですが、HDIビルドアップ層の数を減らすことができ、これによりプロセスステップの数が大幅に減少し、製造コストの管理に役立ちます。HDIビルドを従来のビルドに変換することが可能になるかもしれません。これは、細線製造のコストを相殺することができます。

例2: nRF52 WLCSP (0.35 mm BGA)

非常に細かいピッチのコンポーネントでは、従来のアプローチは盲孔/埋没ビアを使用し、各層でパッドの下をルーティングすることです。BGA内のボール間のクリアランス要件のため、従来の能力ではパッド間をルーティングするスペースが単純にありません。ウルトラHDIは、より小さいビアとより細いトレースを可能にすることで、利用可能なルーティング領域をパッドサイズによって限定されるように変えます。

以下のルーティング例は、私たちの以前のnRF52モジュールプロジェクトを示していますが、BGAファンアウト内のパッド間に細線ルーティングを使用して再設計されています。このプロジェクトの元のバージョンでは、基板は6層で2 + N + 2 スタックアップで設計されました。超HDI機能を使用することで、単一層上のパッド間をルーティングできます。ここでは、同じ画像で2つの例を示しています：

• 1.75ミルのトレース幅とパッドまでの1.75ミルの間隔
• 1ミルのトレースと1ミルの間隔（トレース対パッドおよびトレース対トレース）

このBGAピッチでは、2つのパッドの間に1.75ミルのトレース/間隔を快適に収めることができます。または、より積極的に2つのパッドの間に2つの1ミルトレースを収めることができます。最初のケースは、2倍のルーティングにおけるトレース間のクロストークが大きいため、より良い選択肢です。

明らかに、2倍のトレース間の間隔は3Wルールの限界よりも小さいです。この限界を破っても、合理的なクロストークを期待できるでしょうか？答えは「多分」です...他の記事で示したように、そしてSIエンジニアの間でよく知られているように、トレースのペアに近づく地面は、それらの相互容量とインダクタンスを減少させます。したがって、このような積極的なルーティングに移行するには、より薄い層を使用する必要があります。これは次のためです：

• 地面領域が近いほど、与えられた層の厚さに対してクロストークが減少します
• インピーダンス制御線においては、薄い層により、一般的なインピーダンス目標を達成しやすくなります

これが、非常に細かいピッチでの2倍のトレース配線が最適な選択肢でない理由です。これらのトレース間の潜在的なクロストークを考慮すると、1.75ミルの配線がより良い選択肢です。そして、これが厚い層（約3ミル）で行われるならば、インピーダンス制御されたトレースでも50オームの目標を達成できるでしょう。

超高密度インターコネクト（UHDI）用の材料

上記の議論では、UHDIボードに必要な材料についてかなり詳しく説明しました。これには、信号の整合性に関連する2つの理由があります：密接に配置されたトレース間のクロストーク、および狭いライン幅でのインピーダンス目標の達成。

これらの目標を非常に細いトレースで達成するためには、薄い層数が必要です。通常、様々な可能な材料に適用される上限として50ミクロンが設定されています。例えば、Happy Holdenの11のHDI材料リストに記載されているものなどです。レーザードリル可能な材料や薄い強化FR4への一般的な代替品には、以下のようなものがあります：

• アジノモトビルドアップフィルム（ABF）
• BTエポキシベースの材料
• 薄い液晶ポリマー（例：UltraLam）
• レジンコーティング銅膜（メタライズドポリイミド、純ポリイミド、キャストポリイミド）

これらは組み合わせて、超HDI構造を作成するために使用されることがあります。その一つの組み合わせは、BTエポキシベースの積層板をコアとして、従来の埋め込みビアと、細線ルーティングをサポートする外部ビルドアップ層としてABFを使用することです。このビルドアップスタイルは、BGAパッケージングにおける有機基板として使用されますが、同じアプローチは超HDI PCBにも使用できます。このビルドの例は以下に示されています。

コストは高いが、より多くのオプション
これらのより高度な設計手法は、製造コストが高くなり、スタックアップ設計とルーティングへの新しいアプローチが必要になりますが、PCBに対してより高度なコンポーネントを細ピッチで使用できるようになります。全体として、細線製造は、これらの細ピッチで作業するために必要なHDIビルドアップ層の数を減らすことができるかもしれません。これは、細ピッチBGA上のボール間でのルーティングを可能にすることによります。

場合によっては、超HDIは層の統合と従来の機械的に穿孔されたスルーホール構造への変換により、大幅なコスト削減につながることがあります。BGAのパッド間に4倍のトレースを配置できる場合、その同じボードは超HDIの機能にアクセスできなければ32層が必要になるかもしれません。これらの機能に興味がある場合、アメリカとカナダではちょうど利用可能になり始めており、ヨーロッパと日本ではまだアクセスできます。

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