HDI PCBはあなたのニーズを満たせるか？専門家の知見で徹底解説

近年、IoTや4G/5Gネットワークなど新興技術を支える、強力な演算能力を持つより高度な電子デバイスへの需要が急増しています。HDI PCBは、従来のPCB技術と同等またはそれ以下の面積で、高性能かつ小型な電子デバイスを実現する重要なイネーブラーです。

本記事ではこの優れたPCB技術について深掘りします。HDI PCBの定義、設計・製造方法、材料選定、メーカー選び、国際市場予測までを網羅します。

1. HDI PCBとは何か

軽量・薄型・小型設計の電子デバイスニーズに応えるべく、高密度インターコネクト（HDI）PCBが登場し、業界で地位を確立しました。HDI PCBと従来基板の最大の違いは、マイクロビア層を採用することで高密度化を実現している点です。

従来のPCB配線手法ではこの密度は達成できません。HDIでは、PCB層がマイクロビア層となり、直径・深さともに50〜150μmの微小ビアを形成。これにより小型・薄型HDI PCBで、高機能な小型電子デバイス製造が可能になります。

通常、これらのマイクロビア層は基本PCB基板（単層や多層）の上に構築され、基板の両面に形成可能です。基本基板とビルドアップ層間の電気接続はマイクロビアで実現します。

マイクロビアパッドが微小であるため、基板サイズと重量を大幅に削減し、電子製品全体の小型化に貢献。マイクロビア使用は電気的性能も向上させます。

HDI PCBの主な利点：

• サイズ削減
• 軽量化
• 電気的性能の向上
• コスト効率に優れる
• 製造リードタイム短縮
• 熱伝導の低減
• 効率的な消費電力でバッテリー寿命延長
• 高速信号伝送・高信号品質を実現

2. HDI PCB設計の要点

市場に出回る大半のパッケージングプロセス技術はHDIプロセスに依存しています。安定した工業歩留まりを得るには、最小ライン幅・スペース100μmが必要です。

HDI PCBで採用するビルドアップ技術は、レーザードリル、プラズマドリル、感光性誘電体を用いてブラインドビアを形成し、フリップチップアレイのファンアウトに必要な高密度を実現します。

1〜2個のフリップチップしか不要なケースでは、基板の残り部分でHDI技術が過剰になる場合があります。IPC-2221AおよびIPC-2222の普遍的設計基準によれば、スルーホールビアのアスペクト比は6:1〜8:1に制限することが推奨されます。

同様に、標準的な1.60mm基板厚に対して0.25mmのドリル径を推奨します。これらの制約は製造上完全に妥当であり、WellPCBも推奨します。IPCクラス3では、こうした整合性パラメータが必須です。

信頼性確保のため、ビアパッド寸法と穴径を過度に縮小することは避けます。IPC-2221A基準では、パッドサイズを0.55〜0.60mmに制限することが推奨されています。

3. HDI PCB製造プロセスの重要キー

3.1 アペルチャ比（開口比）

HDI PCB製造で考慮すべき重要パラメータの一つがアペルチャ比です。スルーホールとブラインドホール設計時に考慮必須。従来のメカニカルドリル使用時、スルーホールアペルチャは約0.15mm、基板厚とアペルチャ比は8:1以上が目安。レーザードリル使用時は、レーザーホールアペルチャを3〜6μm、アペルチャ比最大1:1に設定することを推奨。

3.2 スタックアップ（積層構成）

スタックアップ工程では温度・圧力など様々な要因が基板に影響します。出力基板が非対称（応力分布が不均一）だと、片側にウォーページ（反り）が発生し、歩留まり低下を招きます。設計者は非対称スタックアップ設計と穴の不均一分布を考慮する必要があります。

3.3 プロセスフロー

HDI PCBと標準PCBのプロセスフローには多くの共通点があります。例えば、6層2スタックのHDI PCBは、ドリル穴加工の順序を除き標準PCBと同一です。レーザードリル工程では高温でホール壁を焼成しブラインドホールを形成。2層HDI PCBではブラインドホールをメッキ充填するため、プロセスコストが高くなります。

4. HDI PCBに最適な材料選定

PCBに使用する薄型材料は最終製品の特性を大きく左右します。HDI PCB製造では、製品の要求仕様に基づき多様な材料を扱えます。

必要材料はFR-4、金属、ガラス繊維など、製品タイプに応じて選択可能。表面処理はENIG、HASL、浸漬スズ、浸漬銀、金から選択可能です。WellPCBは平滑性とはんだ付け性に優れるENIGを推奨します。

5. HDI PCBメーカー選定のチェックポイント

複雑な高品質基板製造に対応できるHDI PCBメーカー選定は極めて重要です。HDI PCB製造は複雑なプロセスであるため、高度な多層技術を持ち、高品質製品提供にコミットするメーカーを選んでください。

WellPCBはHDI PCB製造で競争優位性を提供します。迅速かつ信頼性の高い見積もり、経験豊富なエンジニアチームによる設計段階から最終工程までの革新的提案、最小欠陥での高品質PCB提供をお約束します。PCB製造サービスの詳細をご覧ください。

6. グローバルHDI PCB市場予測

PCBメーカーは数年間HDI PCBに多大な努力を注いでおり、2017年市場規模は95億ドル。専門家は2025年までに220億ドル、CAGR 11%で成長すると予測しています。

スマートフォンと超小型モバイルメディア機器の登場により、半導体デバイスはピン数を増やしながら小型化を継続。2020年量産時点では、ハイエンドI/O端子ピンアウトがフリップチップあたり4,000本超に達し、アレイエリアでの超微細ピッチが必須となります。多くの中国PCBサプライヤーはITRI定義のパッケージングロードマップを提供します。

これらのピン数はムーアの法則に従いさらに増加見込み。こうしたピッチサイズ要件の進化を踏まえると、チップパッケージングはコストと性能の両面で課題となります。

現在市場で利用可能な大半のパッケージングプロセス技術はHDIプロセスに依存し、安定歩留まりのため最小ライン幅・スペース100μmが保証されています。

7. 結論

基板またはPCBのインターコネクト密度を高める一般的手法は、金属層数を増やし、誘電体と金属化の総厚を制御して最終製品を小型化することです。HDI PCBは、小型PCBに実装しなければならない複雑な回路にとって最適な選択肢です。