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高性能電子機器のための10層HDIPCBスタックアップ設計と信号整合性ガイド

2025-09-01

についての最新の会社ニュース 高性能電子機器のための10層HDIPCBスタックアップ設計と信号整合性ガイド

5G,AI,電気自動車 (EV) の時代に,高密度インターコネクト (HDI) PCBは,コンパクトで高速で信頼性の高い電子機器の骨組みとなっています.10層のデザインは"スウィートスポット"として注目されています..4mmピッチBGAと45μmマイクロヴィア),信号速さ (28GHz+ mmWave),および製造可能性. 4層または6層HDI PCBとは異なり,10層バージョンは騒々しい電源経路から高速信号を隔離することができます.EMI を 40% 削減する複数の電圧システム (3.3V,5V,12V) を 1 つのボードで処理します.


しかし,10層HDI PCBは複雑性がないわけではありません. 設計が不良なスタックアップは,信号の整合性 (SI) を破壊し,熱ホットスポットを引き起こし,または 30%高い欠陥率につながる可能性があります.エンジニアや製造業者向け5GベースステーションからEVバッテリー管理システム (BMS) までの高性能デバイスの全可能性を解き放つためには,10層HDIスタックアップ設計をマスターすることが重要です.


このガイドでは10層HDIPCBスタックアップの基礎,最適な層構成,材料選択,信号完整性ベストプラクティス,実用的なアプリケーションを分解します.データに基づいた比較と実行可能なヒント生産コストを抑えながら 厳格な性能基準を満たすスタックアップを設計するのに役立ちます


主要 な 教訓
1精巧に設計された10層HDIスタックアップは6層HDIよりも40%低いEMIを提供し,5Gおよびレーダーアプリケーションにとって重要な1dB/インチ損失の28GHz+ mmWave信号をサポートします.
2信号・地源・電源・地源・信号 (S-G-P-G-S) サブスタック構成により,クロスストークを50%削減し, ±5%の許容率で50Ω/100Ωのインペデントを維持する.
3材料の選択はSIに直接影響する: Rogers RO4350 (Dk=3.48) は28GHzで信号損失を最小限に抑え,高Tg FR4 (Tg≥170°C) は低周波経路のコストとパフォーマンスをバランスする.
4常見なスタックアップエラー (例えば,高速/低速信号の混合,地面平面不足) は,10層HDI SIの故障の60%を原因にします.厳格な層隔離とインペデンス制御で回避できます.
510層HDIPCBは6層版よりも2.5倍高い費用がかかりますが, 2倍高いコンポーネント密度 (1,800コンポーネント/平方イン) と厳しい環境での寿命が30%長くなっています.


10層HDIPCBスタックアップとは?
10層HDIPCBスタックアップは,交互の伝導性銅 (信号,電源,接地) と隔熱性電解層 (基板,プレプレグ) の層構造である.密度と信号の整合性を最大化するために設計された標準の10層PCBとは異なり (10層HDIは穴を通ったバイアスに依存しており),10層HDIはスペースを無駄にせずに層を接続するために盲目/埋葬されたマイクロバイア (45~100μm直径) を使用します.4mmのピッチBGAと25/25μmの痕跡幅/距離.


10層HDIスタックアップ設計の基本目標
10層のHDIスタックアップは 3つの非交渉可能な目標を達成しなければなりません

1信号隔離: 高速信号 (28GHz+) を騒々しい電源平面とデジタル回路から分離して交差音を減らす.
2. 熱管理:高電力部品 (EV BMS IC など) のホットスポットを避けるために,熱を2~4の地面/パワー・プレイスに分散する.
3製造可能性: 積み重ねられたマイクロビアにとって極めて重要な ±3μm の層の並び方を確保するために,連続的なラミネーション (建物のサブスタック) を使用する.


10層HDI対標準10層PCB:主要な違い
HDIの違いは技術と層効率にあります.以下は,標準的な10層PCBと10層HDIがどのように積み重なっているのかです.

特徴 10層HDIPCBスタックアップ 標準的な10層PCBスタックアップ 業績への影響
タイプによって 盲目/埋もれたマイクロビア (45~100μm) 透孔バイアス (200~500μm) HDI: 2倍の密度; 30%の小板サイズ
構成要素密度 1部品800個/平方メートル 900 パーツ/平方メートル HDI: 2倍以上のコンポーネントに対応 (例えば,5Gモデム+GPS)
信号速度サポート 28GHz+ (ミリ波) ≤10GHz HDI: 5G/レーダーを検証;標準:高速SIテストに失敗
横断音の削減 50% (S-G-P-G-Sのサブスタックを通じて) 20% (限られた地平面) HDI:よりクリーンな信号,40%低いBER (ビットエラー率)
生産生産 90% (順次ラミネート) 95% (シンプルラミネーション) HDI: 収穫量が少し低いが,パフォーマンスが高い
コスト (相対) 2.5x 1x HDI: 高性能設計ではコストが高く,しかし正当化される

例: 5G小型セルのための10層HDIスタックアップは,28GHzトランシーバー,4x2.5Gbpsイーサネットポート,および120mm×120mmフットプリントの電力管理ユニット (PMU) に適合します.標準の10層PCBでは180mm×180mm.


最適な10層HDIスタックアップ構成
標準的な10層HDIスタックアップは存在しませんが,高性能アプリケーションには2つの構成が優れています. バランスされたS-G-P-G-S (5+5) と高速隔離 (4+2+4).選択は信号の組み合わせ (高速対高速) に依存します電力) とアプリケーションのニーズ.


コンフィギュレーション1: バランスのとれたS-G-P-G-S (5+5) 混合信号設計用
この対称スタックアップは10層を2つの同一の5層サブスタック (上1°5と下6°10) に分割し,高速信号と高電力経路 (EV ADAS,産業用センサー).

レイヤー # 層の種類 目的 基本規格
1 シグナル (外側) 高速信号 (28GHz mmWave) 25/25μmの痕跡; ブラインド・バイアスからレイヤ2°3
2 地面平面 電源から層1を隔離する;SI参照 1オンス銅;90%カバー
3 パワーの飛行機 5V/12Vの電力を配給する 2オンス銅;分離コンデンサタパッド
4 地面平面 低速信号から電力を隔離する 1オンス銅;90%カバー
5 シグナル (内側) 低速デジタル/アナログ信号 30/30μm の痕跡; 6 層への埋葬経路
6 シグナル (内側) 低速デジタル/アナログ信号 30/30μm の痕跡; 5 層への埋葬経路
7 地面平面 鏡 4層,電源を隔離する 1オンス銅;90%カバー
8 パワーの飛行機 3.3Vの電力を配給する 2オンス銅;分離コンデンサタパッド
9 地面平面 鏡層2 隔離層10 1オンス銅;90%カバー
10 シグナル (外側) 高速信号 (イーサネット10Gbps) 25/25μmの痕跡; ブラインド・バイアスからレイヤ8 〜9


効果 が ある 理由
a.対称性:ラミネーション中に曲線を減らす (CTE不一致が層間バランス).
b.隔離: 2つの地面平面が高速電源 (層1,10) と電源 (層3,8) を分離し,横断音声を50%削減する.
c.柔軟性: 28GHz mmWave と 12V の電源経路の両方をサポートする. EV ラダーモジュールに最適.


コンフィギュレーション2: 高速隔離 (4+2+4) 28GHz+設計用
このスタックアップは,中央の2層の電源/地面ブロック (レイヤー56層) を専用し,5G mmWave,衛星通信,レーダーシステムに最適である高速サブスタック (上14層,下710層) を隔離します.

レイヤー # 層の種類 目的 基本規格
1 シグナル (外側) 28GHz mmWave信号 20/20μmの痕跡,2層への盲目経路
2 地面平面 1層EMIシールドのSI参照 銅1オンス 95%のカバー
3 シグナル (内側) 10Gbpsの差分ペア 25/25μmの痕跡; 4層への埋め込みバイアス
4 地面平面 高速電源を隔離する 1オンス銅 95% 覆い
5 パワーの飛行機 低騒音 3.3Vの電力を配給する 1オンス銅;最小限の痕跡
6 地面平面 中央シールド;底部サブスタックから電力を隔離する 1オンス銅 95% 覆い
7 地面平面 鏡 4層,底部信号を隔離する 銅1オンス 95%のカバー
8 シグナル (内側) 10Gbpsの差分ペア 25/25μmの痕跡,層7への埋め込み経路
9 地面平面 鏡層2 層10のSI参照 銅1オンス 95%のカバー
10 シグナル (外側) 28GHz mmWave信号 20/20μmの痕跡,層9への盲目経路


効果 が ある 理由
a.中央シールド:層5~6は上下高速サブスタック間の"ファラデーケージ"として機能し,EMIを60%削減します.
b. 最小の電源交差:電源は信号経路の障害を避けるため,層5に限定される.
c.高速焦点: 28GHz/10Gbps経路に専用の4つの信号層は,5Gベースステーショントランシーバーに最適です.


スタックアップ 比較: どの 構成 を 選ぶ か

要因 バランスのとれたS-G-P-G-S (5+5) 高速隔離 (4+2+4) 最良の為
高速層 4 (層1,5,6,10) 6 (層1,3,810 + 部分 2,9) 5Gbps以上の設計: 隔離を選択
パワー層 2 (層3,8) 銅2オンス 1 (層5) 1オンス銅 高出力 (10A+) デザイン: バランスされたものを選択します
横断音の削減 50% 60% 28GHz+ mmWave: 隔離を選択する
製造可能性 より簡単 (対称性のあるサブスタック) 硬い (中央電源ブロックの配置) 低容量プロトタイプ: バランスのとれたものを選択します
コスト (相対) 1x 1.2x 予算 に 敏感 な 方: バランス を 選ぶ

推奨: EV BMS や産業用センサー (混合高速/電力) では,バランススタックアップを使用します. 5G mmWave やレーダー (純粋高速) では,高速隔離スタックアップを使用します.


10層HDIスタックのための材料選択
材料は10層のHDISIと信頼性を向上させたり低下させたりします.間違った基板またはプレプレグは信号損失を40%増加させ,熱循環で脱層を引き起こす可能性があります.重要な材料とその仕様を以下に示します:

1基板と準備:バランスSIとコスト
基板 (コア材料) とプレプレグ (結合材料) は,介電常数 (Dk),損失接量 (Df),熱性能を決定する.これはSIの鍵である.

材料の種類 Dk @ 1GHz Df @ 1GHz 熱伝導性 (W/m·K) Tg (°C) 費用 (FR4と比較して) 最良の為
高Tg FR4 4.2446 00.02 ゼロ03 0.3 〇4 170~180 1x 低周波層 (電源,低速信号)
ロジャース RO4350 3.48 0.0037 0.6 180 5x 高速層 (28GHz mmWave)
ポリミド 3.0 〇 35 00.0080. ほら01 0.2・0.4 260 4x 柔軟な10層HDI (ウェアラブル,折りたたむ)
セラミックで満たされたFR4 3.84. オーケー0 00.0080. ほら01 0.8 ¥10 180 2x 熱批判的層 (EV電源経路)


10層HDIのための材料戦略
a.高速層 (1,3,8,10): ロジャース RO4350 を使用して信号損失を最小限に抑える (28GHzでは0.8dB/インチ,FR4では2.5dB/インチ).
b.電源/地層 (2,2,3m)3,7,8): 高Tg FR4 またはセラミックで満たされた FR4 を使用してコスト効率と熱伝導性を高めます.
c.プレプレグ:CTEの不一致を避けるため,プレプレグを基板にマッチする (例えばRO4350層のロジャーズ4450F).


5G用の10層HDIは,レイヤ1のRogers RO4350を使用します.3,8材料のコストを30%削減し,すべての層でロジャースを使用する.


2銅製: 高速SIのスムーズさ
銅ホイルの表面荒さ (Ra) は,高周波で導体損失に直接影響します. 表面を通過すると皮膚効果損失が増加します (信号は表面に沿って移動します).

銅製のホイールタイプ Ra (μm) 導体損失 @ 28GHz (dB/インチ) 電流容量 (1mm トレース) 最良の為
ローリング銅 (RA) <0.5 0.3 10A 高速層 (28GHz mmWave)
電気銅 (ED) 1・2 0.5 12A パワー/地層 (2オンス銅)


勧告
a.高速信号層のためにローリング銅を使用する (1,3,8導体損失を40%減らすために
電源/地層のために電解銅を使用する (2,3,7,8) の電流容量を最大化するために (2oz ED銅ハンドル 30A 1mmの痕跡).


3表面仕上げ: SI と溶接性を保護する
表面塗装は銅酸化を防止し,10層HDIで0.4mmのピッチのBGAにとって重要な信頼性の高い溶接を保証します.

表面塗装 厚さ 溶接可能性 信号損失 @ 28GHz (dB/インチ) 最良の為
ENIG (無電動ニッケル浸水金) 2 5μm Ni + 0.05μm Au 良質 (保存期間18ヶ月) 0.05 高速BGA (5Gモデム),医療機器
ENEPIG (無電動ニッケル 無電動パラジウム浸水金) 2 5μm Ni + 0.1μm Pd + 0.05μm Au 上級品 (24ヶ月間保存可能) 0.04 航空宇宙,EV ADAS (ブラックパッドリスクなし)
浸水銀 (ImAg) 0.1 〜0.2μm 良い (6ヶ月間保存可能) 0.06 費用に配慮した高速設計 (WiFi 7)


決定 的 な 選択
HASL (Hot Air Solder Leveling) を10層のHDIに避ける.その粗い表面 (Ra1μ2μm) は28GHzで0.2dB/インチの信号損失を増加させ,ロジャース基板の利点を取り消す.ENIG や ENEPIG は 高速設計の唯一の実行可能な選択肢です.


10層HDIスタックアップの信号完全性最適化
10層HDIPCBの決定要因は信号完整性 (SI) です.信号損失の1dB増加でさえ,5Gやレーダー設計が役に立たない可能性があります.以下は,最も効果のあるSI最適化戦略ですデータの裏付け:


1阻力制御: 50Ω/100Ωの許容を維持する.
阻力不一致 (例えば,50Ωの代わりに55Ω) は信号反射を引き起こし,ビットエラー率 (BER) を40%増加させる.

a.シングルエンド信号 (mmWave,USB): 50Ω ±5%を標的にし,ロジャーズ RO4350 (0.1mm介電厚さ) に0.15mm幅,1ozのローリング銅痕跡でこれを達成する.
差点ペア (イーサネット10Gbps,PCIe): ターゲット100Ω ±5%. 0.2mmの距離で0.2mmの幅の痕跡を使用する (1oz銅,ロジャースRO4350).

トレースパラメータ 50Ω 単端 (ロジャーズ RO4350) 100Ωの差分ペア (ロジャーズRO4350)
トレース幅 0.15mm 0.2mm
トレース・スペーシング N/A (単一追跡) 0.2mm
介電体厚さ 0.1mm 0.1mm
銅の厚さ 1オンス (35μm) 1オンス (35μm)
阻害容量 ±5% ±5%

ツールのヒント:Altium Designerのインペデンス計算機を使用して 軌跡の寸法を自動化します.手動エラーを70%減らすことができます.


2. 層隔離で信号損失を最小化
高速信号 (28GHz+) は,介電性損失 (基板によって吸収される) と導体損失 (銅中の熱) によって強さを失う.以下のようにこれを緩和する.

a.専用地平面:各高速信号層に直接隣接する地平面を配置する (例えば,層1の下の層2,層10の下の層9).損失を30%削減する"マイクロストライプ"または"ストライプライン"の構成を作成します.
b.短軌跡長さ: 28GHzの軌跡を <5cmに保持する.追加のセンチメートルごとに0.8dBの損失が加わります.より長い経路では,リピーターまたは均衡器を使用します.
c.ストップを通さないこと:ストップ (セグメント経由で使用されない) は,ストップを通した反射を発生させ,28GHz信号では<0.5mmを保持する.ストップを排除するために盲目バイアス (透孔の代わりに) を使用する.


試験結果:専用地面平面と4cm 28GHzトラスの10層HDIは,共有地面平面と6cmトラスの設計に対して3.2dBの総損失を示した.


3適切なルーティングでクロスストークを減らす
交差音 (隣接する線路間の信号漏れ) は,高密度10層HDIでSIを劣化させる.

a.Trace Spacing:高速トラス間のトラス幅の3倍間隔を維持する (例えば,0.15mmのトラス間の0.45mm間隔).これはクロスストークを60%削減する.
地面経路: 差分対に沿って2mmごとに地面を配置すると,信号漏れを阻む"シールド"が作られます.
c.層分離:近隣層 (例えば層1と3など) に高速線路を路線するのを避ける.垂直横断を70%減らすために,地面平面 (層2) でそれらを分離する.

クロスストーク削減方法 クロスストーク (28GHz) に及ぼす影響 実施コスト
3x トレース・スペーシング -60% 低額 (追加費用なし)
2mm ごとに地面経路 -45% 中途半端 (外途線)
層間の地面平面 -70% 高度 (余分な層)


4. SI を保存する熱管理
過熱は基板Dkと銅の伝導性を損なう.両者はSIを損なう.

a.銅電源/地面平面:電源平面に2オンス銅を使用します (バランススタックアップでは3,8層) 1オンス銅よりも2倍速く熱を拡散します.
b.熱線:熱部材 (例えば5GPA) の下に0.3mmの銅で満たされた熱線を掘り込み,熱を内面の地平面に転送する.10x10の熱線が部品の温度を20°C低下させる.
c.ホットスポットを避ける:高速線路から離れた高電力部品 (例えば電圧調節器) をグループ化する2Wの部品からの熱は,近くの信号損失を0.5dB/インチ増加させる.


10 層 の HDI スタックアップ の 一般 的 な 間違い (そして それ を 避ける 方法)
経験豊富なエンジニアでさえ,SIを壊すスタックアップのミスを犯します.以下はトップのミスがと解決策です:
1. 同じ層で高速信号と電源信号を混ぜる
a.エラー: 28GHz mmWave トレースと 12V 電源経路を同じ層 (例えば,層1) にルーティングする.電源騒音は高速信号に漏れ,BER を50%増加させる.
b.解決策:専用平面 (層3,8) に電力を供給し,高速信号を外側/内側信号層 (層1,3,8地面機を障壁として使用する.


2地面の覆いが不十分
a.エラー: 固体平面の代わりに"グリッド"の地面平面 (1mmの隙間) を使用すると,高速信号の高阻力回路が作られる.
b.解決法: ≥90%の覆いを有する固体地平面を使用します.線路交差点には小さな隙間 (≤0.5mm) を追加してください.高速道路から隙間を遠ざけてください.


3悪い位置付け
誤り:高速信号経路に穴を通ったバイアスを置くと 1nH の寄生誘導力を加え,反射を引き起こします.
b.解決策:外層の信号 (例えば,層1 → 2) に対して盲目バイアスを使用し,内層の接続 (例えば,層3 → 4) に対して埋葬バイアスを使用する.


4. CTE 層間の不一致
a.誤り:CTEが大きく異なる材料 (例えば,ロジャースRO4350 (14ppm/°C) と純粋アルミコア (23ppm/°C)) を使用すると,熱循環中にデラミネーションが発生します.
b.ソリューション:隣接する層のCTEをマッチする.例えば,ロジャーズRO4350とロジャーズ4450Fのプレプレグ (14ppm/°C) をペアして,異なる材料を混合しないようにする.


5製造の許容を無視する
a.誤り:イデアル寸法 (例えば,0.15mmの痕跡) を設計すると,エッチングの許容量 (±0.02mm) を考慮せずに,インピーダンスの変動が>±10%になる.
b.解決策:痕跡寸法に10%の幅を加える (例えば,0.15mmのターゲットに0.17mmの痕跡を設計する). 製造者と連携して,プロセス容量を確認する.


実用的な応用: 5G小型セルのための10層HDIスタックアップ
5Gの小型セルに10層のHDIPCBが必要でした

a. 28GHz mmWave (シグナル損失 < 5cm で 4dB) をサポートする.
b. 4 × 2.5Gbps イーサネットポートを処理する.
c. 120mm×120mmの囲いに収まる.


スタックアップ設計
彼らは高速隔離 (4+2+4) の構成を選択した.

a. 層1,3,8,10: ロジャース RO4350 (28GHz mmWave, 10Gbps イーサネット)
b.層24,7,91オンス固体地平面 (95%カバー)
c.層5 〜6:高Tg FR4 (3.3V電源,1オンス銅).
d.バイアス:60μmの盲目バイアス (層1→2,10→9),80μmの埋葬バイアス (層3→4,7→8).


SI 試験結果

テスト メトリック ターゲット 実際の結果
28GHz信号損失 (5cm) <4dB 3.2dB
10Gbps イーサネット BER <1e-12 5e-13
クロストーク (28GHz) <-40dB -45dB
熱耐性 <1.0°C/W 0.8°C/W


結果
a. 小型の電池は信号品質について 5G NR 規格 (3GPP リリース 16) に準拠した.
b.フィールドテストでは,以前の6層HDI設計よりも20%の優れたカバーを示しました.
c. 連続ラミネーションと光学調整で 92%の生産率に達しました.


10層HDIPCBスタックアップに関するFAQ
Q1:10層のHDIスタックアップを 設計するのにどれくらい時間がかかりますか?
A: 経験豊富なエンジニアにとって,スタックアップ設計には材料選択,インペダンス計算,DFMチェックを含む2〜3日かかります.HyperLynx) は 1 〜 2 日を追加しますが,高速設計では重要です..


Q2:10層のHDIスタックアップは柔軟性がありますか?
A:はい,ポリマイド基板 (Tg 260°C) とローリング銅をすべての層に使用します.柔軟な10層HDIスタックプは0.5mmの屈曲半径をサポートし,ウェアラブルまたは折りたたみ可能な電話に最適です. 注:柔軟なデザインには連続的なラミネーションが必要で,硬いバージョンよりも3倍も高い費用がかかります..


Q3: 10層のHDIの最小の痕跡幅/距離は?
A:ほとんどのメーカーがレーザーエッチングで20/20μm (0.8/0.8mil) をサポートしています.先進的なプロセス (深紫外線リトグラフィー) は15/15μmに達できますが,これはコストに20%を追加します. 28GHz信号では,過剰な損失を避けるために,20/20μmは実践的な最小値です..


Q4:10層HDIPCBと6層HDIのコストは?
A: 10層HDIPCBは6層HDIよりも2.5倍費用がかかります (例えば,100kユニットにつき$50対$20).プレミアムは追加の層,連続ラミネーション,高速材料 (ロジャーズ) から生じます.大量出荷用単位のコストは35~40ドルに下がります


Q5: 10層HDIスタックアップSIにはどのようなテストが必要ですか?
A: 基本テストには以下が含まれます

a.TDR (タイム・ドメイン・リフレクトメーター):インパデンスと反射を測定する.
b.VNA (ベクトルネットワーク解析器): 標的周波数 (28GHz+) で信号損失と交差音声をテストする.
c.熱循環:信頼性を検証する (-40°C~125°C,1000サイクル).
d.X線検査: 充填と層の調整による検査.


結論
10層HDIPCBスタックアップデザインは 密度とSI,コストと性能,製造可能性と信頼性のバランスです10層のHDIスタックアップは標準PCBの2倍のコンポーネント密度を提供します5G,EV,航空宇宙に不可欠なものになります. 電子通信は,電波の周波数で


成功の鍵は次の点にあります

1適切なスタックアップ構成を選択する (混合信号のバランス,高速信号の隔離)
2.SI (高速,高Tg FR4のコストのためのロジャー) を優先する材料を選択する.
3信号の質を維持するためにインピーダンスを最適化し,経路を追跡し,熱管理します.
4信号と電力の層が混ざり合ったり 地面覆蓋が不十分になったりといった一般的な間違いを回避します


電子機器がより複雑になるにつれて,10層のHDIは,小型化とパフォーマンスとの間のギャップを埋める重要な技術であり続けるでしょう.厳格な基準を満たすスタックアップを設計できます生産の欠陥を軽減し,競争力のある市場で 優れた製品を提供します.


製造業者にとって,HDIの専門家 (LT CIRCUITのような) と提携することで,各デザインを検証する 連続ラミネーション,レーザードリリング,SIテストで スタックアップが生産準備ができています.適切なスタックアップとパートナーと10層のHDIPCBは 仕様を満たすだけでなく 可能なものを再定義します

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