高品質HDI PCB設計のための3つの必須原則

HDI（High Density Interconnection：高密度相互接続）は、20世紀末に開発が始まったプリント基板技術です。従来のPCBでは機械ドリルが使用されますが、穴径0.15mmではコストが高く、ドリル工具の影響で改善が困難という欠点がありました。一方、HDI PCBではレーザードリルが採用され、登場直後から大きな人気を博しました。HDI基板は「レーザーボード」とも呼ばれ、一般的な穴径は3.0〜6.0mil（0.076〜0.152mm）、配線幅は3.0〜4.0mil（0.076〜0.10mm）であり、パッドサイズを大幅に縮小できるため、単位面積あたりにより多くの配置が可能になります。HDI技術はPCB業界の発展を適応・推進し、現在ではあらゆるデバイスに広く適用されています。

製造プロセス

穴径（アパーチャ）

スルーホールとブラインド/埋め込みビアの設計では、アスペクト比（板厚/穴径比）を考慮する必要があります。従来の機械ドリルでは、スルーホール径は0.15mm以上、板厚/穴径比は8:1以上が必要です（特殊な場合は12:1以上）。一方、レーザードリルでは穴径3〜6mil（推奨4mil）、メッキ充填の深さ/穴径比は最大1:1です。

基板が厚くなるほど穴径は小さくなります。メッキ工程では薬液が穴の深部まで入りにくく、振動や加圧で中心まで押し込んでも濃度勾配により中心部のメッキが薄くなり、穴壁で微小な導通不良が生じます。電圧上昇や過酷環境での衝撃により欠陥が顕在化し、最終的には断線・基板故障に至ります。したがって、PCB設計者は事前に製造メーカーの技術力を十分把握し、製造困難・歩留まり低下・製造不能を防ぐ必要があります。

積層構造（スタックアップ）

HDI PCBの層構成は、ブラインドビアの層順序に基づいて分類されます。代表的なカテゴリは以下の通りです。

• 1-HDI（埋め込みビア付き）：1-2層ブラインド、6-5層ブラインド、2-5層埋め込み、1-6層スルー
• 非スタック2-HDI（埋め込みビア付き）：各ブラインドビアが非スタック構造
• スタックだがレジン非充填の2-HDI：ブラインドビアがスタック構造
• スタックかつレジン充填の2-HDI：ブラインドビアがスタックかつレジン充填

積層工程では圧力と温度の影響で基板に応力が残ります。非対称スタックの場合、両面の応力分布が不均一になり、片側反りが発生して歩留まりが大幅に低下します。設計者は対称スタック設計を採用し、ブラインド/埋め込みビアの分布を考慮する必要があります。

プロセスフロー

4層1スタックHDIと6層2スタックHDIを例に説明します。

4層1スタックHDI

通常のPCBと類似していますが、穴あけ順序が異なります。まず2-3層の機械ドリル埋め込みビア、次に1-4層の機械スルーホール、最後に1-2層と4-3層のブラインドビアを加工します。設計要件だけで2-3層変換なしに1-3穴や4-2穴を直接ドリルすると、製造難易度が極めて高くなり、コスト増と歩留まり低下を招きます。

6層2スタックHDI

まず3-4層の機械ドリル埋め込みビア、次に2-5層埋め込みビア、その後2-3層と5-4層のブラインドビア、1-6層スルーホール、最後に1-2層と6-5層のブラインドビアの順で加工します。レーザードリルの高温で穴壁が炭化し「コークボタン」が付着、第2層の銅も酸化します。そのためレーザードリル後、メッキ前の前処理が必須です。ブラインドビア径が小さいためコークボタン除去は困難で、2-HDIでは専門的なブラインドビアメッキ充填が必要となりコストが大幅に増加します。また、工程が複雑なためアライメント誤差が蓄積し、歩留まりが低下するため、極めて高度な製品以外では2-HDIは推奨されません。

レイアウト

HDI基板の部品レイアウトは高密度になるため、後工程の実装性・はんだ付け性・保守性を確保する必要があります。部品間隔は以下の表を目安に決定します。

HDI上の部品	間隔
一般的なSOP & 他部品のピン	>40mil
BGA & 他部品のピン	>80mil
一般部品のピン間	>20mil

表の値は通常はんだ付け要件を満たす最小値です。実際の生産では実装性・保守性を考慮し、スペースの許す限り間隔を広げ、容易な実装・リワーク・はんだ付けを可能にすべきです。

その他のレイアウト考慮事項

• RF/アナログ/AD変換/デジタル部は空間的に厳密に分離し、同一面・異面問わず間隔を広げる
• 同一モジュールのレイアウトは同一面に配置し、ビア・層切り替え面積を削減。重要回路を特定し、信号重要度に応じて主要部品周辺に配置
• 高電力信号は他信号から離して配置

配線（トラック）

配線では最小線幅、安全間隔の管理、配線の均一性を考慮する必要があります。間隔が狭すぎると内層ドライフィルム工程でフィルム剥離が発生し、残留フィルムがショートを引き起こします。線幅が細すぎるとフィルム吸着が弱くオープン不良に。配線の不均一は銅厚分布とレジン流動速度の不均一を招きます。したがって、配線と銅の均一性に注意が必要です。

その他の配線考慮事項

• 表裏層の部品は良好な絶縁効果があるため、内層信号間のクロストークを低減
• RF・アナログ領域の重要信号には、各信号周辺に短いグランドリターンパスを確保
• 重要信号の配線領域には物理的接続のないブラインドビアを配置せず、相互干渉を回避。ただしグランドネットのブラインドビアは可
• 配線スペースが限られるため、重要信号とインピーダンス要件信号の配線スペースを最優先確保
• 電流容量を満たす前提で、単一ブロックの銅張りは避け、他信号への干渉を低減
• 信号品質最優先ならブラインドビアをパッド上に直接ドリル可。BGAエリアではブラインドビアとパッドを接線配置し、はんだ付けへの影響を回避
• ブラインド/埋め込みビアはスルーホールより連続性で劣る。インピーダンス要件信号では、パッド-ブラインドビア、ブラインドビア-埋め込みビア間のリード長を短くし、信号の上下面を完全に保つ

結論として、HDI基板設計では複雑な製造性を事前に十分考慮する必要があります。通常PCBのプロセスパラメータは多くの設計者に馴染みがありますが、HDI設計初心者はカスタム基板メーカーのHDI仕様を把握し、プロジェクトの成功を確実にすべきです。

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参考リソース

• HDIについて知っておくべきこと
• フレキシブルリジッドHDIにおける埋め込み・ブラインドビアの知られざる重要要素
• 車載HDI PCBメーカーの評価方法
• PCBCartのハイテクHDI PCB製造サービス