次のプロジェクトでは10層基板が必要ですが、メーカーが実際にどのように複雑な基板を製造しているのか疑問に思っています。 Wonderful PCB スタックアップ設計、材料選定、製造工程、そしてニーズに合った10層基板スタックアップ工場を選ぶ方法に関する情報を提供します。
10層基板技術の基礎
多層基板の概要
多層基板は、銅と絶縁材を重ね合わせてサンドイッチ状にした構造です。2層なら簡単。4層でもまだ扱いやすいでしょう。
でも10枚重ね？
ここからは、あらゆる段階で精度が重要となる領域に入ります。層が増えるごとに、配線スペースが広がり、シールド性能が向上し、電力分配も改善されます。しかし、複雑さは急速に増大します。層間の位置合わせはミクロン単位の精度でなければならず、そうでなければ基板は故障します。
10層基板とその他の多層基板の比較
8層や12層ではなく、なぜ10層を選ぶのか？
6層基板は中密度設計には適していますが、信号数が増えるとスペースが不足します。8層基板は改善されますが、電源の安定性が損なわれる場合があります。12層基板は？ほとんどの用途では過剰であり、コストも跳ね上がります。
10層はまさに理想的な構成です。信号層4層、グランドプレーン2層、電源プレーン2層、外部配線層2層という構成で、高速デジタル回路、RFモジュール、高密度部品レイアウトなどに対応でき、予算オーバーを防ぎます。
これを、配線の混雑に常に悩まされる4層基板と比較してみてください。10層基板は、必要な場所にゆとりを生み出します。
標準的な積層構成と材料層
信号レイヤー
信号層は、配線パターン、データ線、クロック、アドレスバスを伝送します。10層構成の場合、信号ルーティングは第1、第3、第4、第6、第7、および第10層で行われます。
外層は低速信号を扱います。内層は基準面の間に位置するため、高速差動信号に適しています。
設計者によっては、低速信号を外側に、高速信号を内側に配置する場合があります。また、配線長の要件に基づいて、両方を混在させる場合もあります。唯一の正解はありません。優先順位はアプリケーションによって決まります。
電源プレーンとグランド プレーン
レイヤー2と9はグランドプレーンとしてよく使用されます。レイヤー5と8は電源プレーンとして機能しますが、レイヤー5を複数の電圧ドメインに分割することも可能です。
地上の平面は、可能な限り安定した状態を保つべきである。
グランドを分割すると、リターンパスに問題が生じ、信号の完全性が低下します。電源プレーンは分割できますが、慎重に行ってください。分割境界を横切る配線では、インピーダンスの不連続が生じます。
誘電体およびコア材料
FR-4は、ほとんどの10層基板において依然として主力材料である。 PCB製造 プロジェクト向け。標準FR-4はコストが低く、数ギガヘルツまでの周波数で優れた性能を発揮します。高Tg FR-4は、鉛フリーはんだ付け温度でも剥離しません。
高周波性能を向上させたいですか？
ロジャース社のラミネート材は、低い誘電正接と温度変化に対する安定した誘電率を実現します。ポリイミドは極端な熱サイクルにも耐えます。PTFEベースの材料はマイクロ波周波数に対応しますが、コストがかなり高くなります。
プリプレグシートは、積層時にコア層同士を接着する役割を果たします。厚さは様々で、例えば2116プリプレグは約4ミル、7628は約7ミルです。プリプレグの種類を組み合わせて、目的の10層基板の厚さを実現してください。
10層構造特有の設計上の考慮事項
インピーダンス制御
信号周波数が数百メガヘルツを超えると、インピーダンスの問題が発生します。これは避けて通れません。誘電率を無視すると、最初の高速基板は悲惨な結果を招く可能性があります。なぜでしょうか？配線幅と銅箔厚は単なる数値ではなく、法則なのです。
10層構造にすることで、信号をプレーン間に挟み込むことができる。だから何だというのか？ 50オームの配線が実際に機能するようになるのだ。内側の層は基準線に近接しているが、外側の層は遠く離れていて、孤立しており、予測不可能だ。
つまり、第3層または第6層の細い配線と同じインピーダンスにするには、第1層と第10層の配線をより太くする必要があるということです。
積層計算ツールは役立ちますが、10層基板の積層構造を製造するメーカーには必ずインピーダンス試験を依頼してください。
シグナルインテグリティ
高速信号は不連続性を嫌う。
ビアスタブは容量を増加させます。層間の遷移は反射を引き起こします。隣接する配線間のクロストークは波形を歪ませます。10層構造により、これらの問題を軽減するための選択肢が広がります。
帰還電流は、信号配線の真下の平面内を流れます。配線が層をまたぐ場合、帰還電流はビアやコンデンサを経由して新しい基準面へと流れる経路を見つける必要があります。
リターンパスが不十分だと、EMI（電磁干渉）やグランドバウンスが発生します。
層間の遷移部付近にステッチングビアを配置することで、帰還電流ループを密に保つことができます。
電力分配と熱管理
層数が増えるほど、電力分配は向上します。専用の電源プレーンは直流抵抗を低減し、電流を均一に分散させます。
しかし、銅は熱伝導率が高いのに対し、FR-4は断熱性が高いため、熱の問題が生じる。10層もの材料が基板内部に熱を閉じ込めてしまうのだ。
高温部品の下にあるサーマルビアは、熱を外層に伝導し、そこで空気またはヒートシンクによって放散されます。過度な温度上昇を起こさずに電流を処理できるよう、電源プレーンのサイズを設計してください。
10層PCB製造プロセス
- 設計と試作
まずは回路図から始めましょう。待つ必要はありません。AltiumやKiCadのレイアウトに移行しましょう。スタックアップを早めに定義しておかないと、後々大変なことになります。ガーバーデータ、ドリル穴、製造図面をエクスポートし、銅箔の重量と公差を指定しましょう。
まずは試作品を作りましょう。問題点は今のうちに発見しておくべきです。本格的な生産段階まで待ってしまうと、些細なミスでも大きな損失につながります。
- 材料の準備と選択
メーカーはコアラミネート材とプリプレグロールを在庫しています。そして、シートをパネルサイズにカットします。10層ボードの場合、複数のコア層と、それらを接着するためのプリプレグシートが必要です。
材料の選択は、性能と価格に影響を与える。
標準的なFR-4は、ほとんどのデジタル回路設計に適しています。高周波回路には低損失の積層板が必要です。大電流用途には、より厚い銅箔が求められます。
- 内層の製造
積層前に内層にパターンを形成する。この工程は銅被覆コアから始まる。銅層にはフォトレジスト層が塗布される。
紫外線はフィルムまたはレーザーダイレクトイメージングを通してレジストを露光します。現像によって未露光のレジストが除去され、不要な部分には銅が露出します。エッチングによってその銅が溶解されます。
各層はAOI（自動光学検査）によって検査され、配線幅、間隔、および位置合わせマークが検証されます。
- レイヤーの位置合わせとレジストレーション
位置合わせマークは、各層にエッチングされた小さなターゲットで、積層時にコアとプリプレグの位置合わせに役立ちます。数ミル以上位置がずれると、ビアがパッドに接触しなかったり、配線がプレーンに接触して短絡したりします。
10層基板を積層する工場の中には、ピンラミネーションを採用しているところもある。これは、治具のピンがすべての層を貫通して位置合わせを行う方法だ。一方、ビジョンシステムのみに頼っている工場もある。
ビアのサイズが小さくなるにつれて、許容誤差の要件は厳しくなり、マイクロビアでは±2ミル以内、あるいはそれ以上の精度での位置合わせが求められる。
- ラミネート加工
積層作業はクリーンルームで行われます。積層された層は順番にプレス機に投入され、真空によって気泡が除去されます。
熱と圧力によってプリプレグ樹脂が硬化し、すべてが一体となって強固なパネルを形成する。
反りを防ぐためには、冷却はゆっくりと行う必要があります。冷却が不均一だと、内部に応力が発生し、板が反ってしまいます。
- 掘削作業
ラミネート加工後、ブランクの多層パネルが完成します。次に、ビアと部品リード用の穴を開けます。
CNCドリルマシンは、超硬合金またはダイヤモンドコーティングされたドリルビットを使用します。貫通穴の穴径公差は±2ミル、マイクロビアの場合はさらに厳しくなります。
高アスペクト比の穴はめっき工程に課題をもたらします。厚さ2mm、ビア径0.2mmの10層基板は、アスペクト比が10:1となり、標準的な能力の限界ぎりぎりです。
- めっきおよび銅析出
エポキシ樹脂の壁は、無電解銅めっきによって導電性の層が形成されるまでは役に立ちません。その後、電気めっきによって25ミクロンの厚さにまで厚みを増します。なぜでしょうか？それは、層間の電気的な橋渡しとなるからです。中心部が薄いと、熱応力によってビアに亀裂が生じる可能性があります。均一性が命なのです。
- 回路パターンイメージングおよびエッチング
外層はめっき後にパターン形成されます。ドライフィルムレジスト、マスク、エッチングなど、内層と同様の工程です。なぜでしょうか？それは精度のためです。微細な配線は厳密な制御を必要とし、そうでなければ信号は銅の混ざった水の中に消えてしまいます。
- ソルダーマスクの塗布
ソルダーマスクは通常緑色ですが、パッドやビアを露出させたまま外層を覆うために、他の色も利用可能です。
液体状の感光性ソルダーマスクを薄く塗布し、紫外線に露光した後、現像する。これにより、銅の酸化を防ぎ、組み立て時のソルダーブリッジの発生を防止する。
- 表面処理
むき出しの銅はすぐに酸化します。表面処理を施すことで、組み立てまでパッドを保護します。
HASLは基板を溶融はんだに浸す方法で、安価だがムラが生じる。ENIGはニッケルめっきを施し、その上に金めっきを施す方法で、平坦で微細ピッチ部品に適しているが、高価である。
どちらを選ぶかは、組み立て工程と保管期間によって異なります。ENIGは、特にワイヤボンディングや長期保存が求められる場合など、ほとんどの10層基板製造プロジェクトに適しています。
- 電気試験
すべての基板は電気検査に合格しなければならない。
フライングプローブテスターは可動式の針を使用するため、プロトタイプには最適です。しかし、大量生産の場合はどうでしょうか？ピンを備えた治具ベースのテスターの方が高速ですが、専用の治具は無料ではありません。動作を推測する必要はありません。タイムドメインリフレクトメータは、信号線に信号を送り、50オームの配線が実際に仕様を満たしていることを確認します。精度が重要です。
- 最終検査と品質管理
目視検査では、傷やソルダーマスクのボイドといった見苦しい欠陥が見つかりますが、それだけでは終わりません。寸法検査では、基板が実際に筐体に収まるかどうかを確認します。X線検査では、ビア内部を覗き込み、位置ずれや隠れたボイドを探します。ISO 9001は規格に準拠していることを意味しますが、真の基準はIPCクラスです。クラス2は多少の軽微な欠陥を許容しますが、クラス3は完璧さを要求します。
重要な製造上の考慮事項
層間位置合わせ許容誤差
誤差はあっという間に積み重なります。内層のずれが2ミル、積層によるずれが3ミル、ドリルのずれが2ミル？合計で7ミルの誤差です。突然、ドリルがパッドを完全に外してしまいます。回路が断線。ゲームオーバーです。厳しい公差は、より低速で高性能な機械を必要とするため、決して無料ではありません。
アスペクト比管理
これは単に穴の深さを直径で割った値です。1.6mm厚の基板に0.2mmのビアがある場合、比率は8:1になります。この数値が高くなるにつれて、めっき品質は低下します。12:1を超えると、銅が薄くなったり、中央にボイドができたりする可能性が高くなります。深さをごまかすには、パルスめっきやブラインドビアを使用してください。
ビアホールの品質と信頼性
ビアは、熱応力によってめっきに亀裂が生じると機能しなくなります。銅とエポキシ樹脂は膨張率が異なるため、互いに干渉し合います。めっき厚に関する規定はIPC-6012で定められています。信頼性を最優先するのであれば、工場に断面解析レポートを要求するべきです。
10層基板製造に使用される材料
FR-4 標準グレード
これは安価で定番のガラスエポキシ樹脂です。基本的な用途なら、これ以外を使う理由はありません。耐熱温度は130℃近くあり、高温になると軟化します。誘電率は4.4前後ですが、周波数によって変化します。
高Tg FR-4材料
Tgを180℃まで高めることで、鉛フリーリフローの常識が変わります。安価な基板によく見られる熱サイクルにも耐えることができます。自動車や産業機器では、この素材が熱に非常に強いため重宝されています。
ロジャース高周波ラミネート
RFや10Gbps以上の速度では、標準のFR-4は漏洩が大きすぎます。Rogersはタイトで低損失です。プロのヒント：ハイブリッドスタックアップを使用しましょう。高速トレースにはRogers、それ以外にはFR-4を使用します。Rogersのフルボードにお金をかける必要はありません。
高温用ポリイミド
これは航空宇宙グレードの素材で、260℃の高温にも耐えます。柔軟性があり、熱膨張にも抜群の耐性を発揮します。ただし、難点は？FR-4の5倍もの価格です。すべての工場がこの高価な素材を常に在庫しているわけではないため、納期も長くなります。
銅箔の厚さオプション
重量はオンスで測定されます。1オンスは35ミクロンです。信号線には0.5オンスが標準ですが、電源線には1オンスまたは2オンスが必要です。厚い銅は電流を流すことができますが、細い線をエッチングするのが非常に困難になります。これはトレードオフの関係です。
高電流層には高濃度銅を使用
10アンペアの電流があれば、高出力化しても問題ありません。発熱と抵抗損失は抑えられますが、エッチング時に側壁が傾斜する「アンダーカット」に注意が必要です。また、10層基板の厚さの予算も膨らんでしまいます。計画をしっかり立てないと、コネクタが基板に収まりません。
設計上の考慮事項とガイドライン
スタックアップ設計のベストプラクティス
対称的な層状配置
バランスの取れた積層構造では、中央部を中心として左右対称の層ペアが配置されます。この対称性により、積層時に基板が平坦に保たれ、はんだ付け時の反りが軽減されます。
非対称な積層構造では、銅がFR-4とは異なる膨張率を示すため、基板が反ってしまう。
地上機および動力機の位置
グランドプレーンはできるだけ外層に近づけて配置してください。これによりEMIが低減され、レイヤー1とレイヤー10の信号に対して低インピーダンスの帰還経路が確保されます。
高周波ノイズを分離するために、電源プレーンは信号層の間に配置する必要がある。
グランドプレーンを分割することは、通常は好ましくありません。分割部を通過する信号は不連続な帰還経路をたどり、放射エミッションやクロストークを引き起こします。
制御インピーダンス要件
高速信号には伝送線路特性が必要です。つまり、制御インピーダンスは通常、シングルエンドで50オーム、差動で100オームとなります。
インピーダンスは、配線の幅、厚さ、基準面までの距離、および誘電率（Dk）に依存します。
積層構造設計時にはインピーダンス計算ツールを使用してください。そして、製造後にインピーダンス測定で検証してください。ほとんどの10層基板積層構造メーカーはインピーダンス制御に追加料金を請求しますが、ギガビット設計の場合はそれだけの価値があります。
技術を介して
スルーホールビア
スルーホールビアは、第1層から第10層まで貫通して穴を開け、すべての層を接続します。安価で信頼性が高く、検査も容易です。
欠点：スペースを占有し、最も低い接続点の下に突起部（スタブ）が生じる。スタブはアンテナとして機能し、高周波信号を反射する。
ブラインドビア
ブラインドビアは、外層と内層を接続するが、完全に貫通しない。例：第1層と第4層。
それらはスペースを節約し、余分な部分をなくします。
しかし、複数の穴あけとメッキ工程が必要となるため、コストは高くなります。
埋め込みビア
埋め込みビアは、外層には到達せずに2つの内層を接続する。これらは最終積層前に形成されるため、工程が複雑になる。
埋め込みビアはHDI基板では一般的だが、配線が非常にタイトな場合を除き、標準的な10層基板ではまれである。
熱管理
サーマルビア配置
電源部品、電圧レギュレータ、FPGA、RFアンプなどは熱を発生します。これらの部品の下にあるサーマルビアは、上層から基板を通してグランドプレーンまたは下層のヒートスプレッダへと熱を伝導します。
部品のサーマルパッドの下に、20～50個の小さなビアを配列します。ビアの数が多いほど、熱抵抗は低くなります。
熱放散戦略
厚い銅配線は、薄い配線よりも放熱性に優れています。熱負荷が高い場合は、電源配線に2オンスの銅を使用してください。
電源プレーンに放熱溝を設けることで、はんだ付けが容易になるが、放熱溝は熱抵抗を増加させる。
空気の流れは重要です。ケースにファンが付いている場合は、高温になる部分に空気が最大限に流れるように基板の向きを調整してください。
シグナルインテグリティに関する考慮事項
高速信号ルーティング
1Gbpsを超える信号は、慎重なルーティングが必要です。
配線は短く保ち、スタブは避けてください。差動ペアとマルチビットバスの長さを一致させてください。高速信号は可能な限り内層に配線してください。ストリップラインはマイクロストリップよりもシールド性能に優れています。
差動ペアの配線
USB、HDMI、PCIe、イーサネットはすべて差動ペアを使用しています。2本の配線が逆方向の信号を伝送します。
これを機能させるには、配線が密接に結合され、長さが一致している必要がある。
ほとんどのペアは100オームの差動抵抗を目標としています。ペアは分離せずに一緒に配線してください。ペアの途中にビアを設けることは避けてください。
選択 Wonderful PCB メーカー
10層基板の積層構造設計が完成しました。次は、それを製造してくれる工場が必要です。
どうやって選ぶのですか？
価格は重要だが、品質、納期、サポートも同様に重要だ。
製造能力と生産能力
その工場は10層に対応できますか？最大層数、最小配線幅、最小穴サイズ、アスペクト比の制限について確認してください。
もしあなたの設計が、3ミル幅の配線、6ミル幅のビア、12:1のアスペクト比など、限界に挑戦するようなものであるなら、高度な設備を備えた製造業者が必要です。
生産能力は納期に影響します。フル稼働している工場は6週間かかるかもしれませんが、余裕のある工場なら3週間で済むかもしれません。
複雑な多層基板に関する経験
長年の事業経験は、多層的な専門知識を保証するものではない。
10層基板の積層構成例、完成基板の写真、顧客の声、または事例研究などを依頼してください。可能であれば、工場見学を依頼してください。
IPC認証は、工場が業界標準に準拠していることを示します。ISO 9001は、品質プロセスが文書化されていることを意味します。自社の業界に合った認証を取得しましょう。
品質認証と基準
IPCクラス2は、軽微な外観上の欠陥が許容される一般電子機器の商用製品に適用されます。IPCクラス3は、欠陥が一切許容されない、高い信頼性が求められる航空宇宙、医療、軍事用途向けです。
工場が100%電気検査またはサンプル検査を実施しているかどうかを確認してください。重要な用途の場合、100%検査は追加費用を払う価値があります。
リードタイムと納期パフォーマンス
10層基板の標準納期は2～4週間です。短納期サービスを利用すれば5～10日に短縮できますが、費用は50～100%高くなります。
納期を守ることは、提示されたリードタイムと同じくらい重要です。
納期を2週間と約束しながら実際には3週間かかる工場は、あなたのスケジュールを狂わせます。口コミを確認したり、配送実績データを問い合わせたりしましょう。
プロトタイピングサービスの提供状況
試作と量産は異なる。試作は設計を検証するために少量（1～10枚）で作成される。量産は数百枚から数千枚規模で行われる。
試作品製作に特化した工場は、対応が迅速で、小ロット注文にも対応でき、設計変更にも柔軟に対応できる。しかし、基板1枚あたりのコストは高い。
理想的には、10層基板の積層構造に対応し、試作から量産までサプライヤーを変更することなく対応できる工場を見つけることです。
技術サポートおよびDFM支援
製造性を考慮した設計は、製造前にエラーを検出する。
優れた製造業者は、ガーバーファイルを精査し、配線幅が狭すぎる、クリアランスが狭すぎる、ビアが小さすぎるなどの問題点を指摘します。
設計段階での質問には、テクニカルサポートがお答えします。どのような積層構造を使用すればよいでしょうか？2オンス銅板上に4ミル幅の配線を構築できますか？
迅速なサポートがプロジェクトの進行を加速させます。
競争力のある価格設定
価格には大きなばらつきがある。国内の短納期対応業者であれば、10層基板の試作品は1枚あたり200～500ドル、海外の工場であれば50～150ドルかかる。
大量購入割引：100枚の基板は1枚あたり20～40ドル程度。複数のサプライヤーから10層基板の見積もりを取り、比較検討しましょう。
極端に安い見積もりには注意しましょう。ある工場が他社の半額しか提示してこない場合は、その理由を尋ねてください。
最小注文数量
最小注文数量は、注文できる基板の最小枚数を設定します。試作品製作会社では、最小注文数量が1～5枚であることが多いです。量産工場では、50枚、100枚、あるいはそれ以上の枚数が必要になります。
アプリケーションに必要な基板が数枚だけであれば、最小発注数量（MOQ）の少ない10層基板メーカーを選びましょう。量産を予定している民生品の場合は、MOQが高くても問題ありません。
10層基板の製造には、積層設計から最終テストまで、あらゆる段階で高い精度が求められます。適切な材料、厳密な工程管理、そして多層基板製造の実績を持つメーカーが必要です。10層基板の厚さとインピーダンス制御を理解することで、初回から正常に動作する基板を設計することができます。