HDI PCB設計：材料選定、スタックアップ、および信号性能の最適化​

顧客承認の画像

高密度相互接続（HDI）PCBは、5Gデバイス、AIプロセッサ、医療用画像処理装置が要求する小型化と高性能を実現する、現代のエレクトロニクスのバックボーンとなっています。従来のPCBとは異なり、HDI設計は、マイクロビア、より細いトレース、および高度な材料を使用して、より多くのコンポーネントをより小さなスペースに詰め込みますが、この密度には特有の課題があります。成功は、適切な材料の選択、効率的なスタックアップの設計、および信号完全性の最適化という3つの重要な要素にかかっています。適切に行えば、HDI PCBは、標準的なPCBと比較して、信号損失を40％削減し、デバイスサイズを30％削減します。各要素をマスターする方法を以下に示します。​

主なポイント​
1. HDI PCBは、10GHzを超える周波数で信号完全性を維持するために、低損失で安定した材料を必要とします。​
2. スタックアップ設計（1+N+1構成、マイクロビア配置）は、インピーダンス制御と熱管理に直接影響します。​
3. マイクロビア（≤150μm）は、信号反射を減らし、従来の貫通穴設計よりも30％高いコンポーネント密度を実現します。​
4. 信号性能は、材料の誘電特性、トレース形状、および層間隔に依存します。これは、5Gおよび高速デジタルアプリケーションにとって重要です。​

HDI PCBをユニークにするもの​
HDI PCBは、以下の機能を使用して、微細ピッチコンポーネント（≤0.4mm）と高接続密度をサポートできることで定義されます。​
 1. マイクロビア：ボード全体を貫通することなく層を接続する小径ビア（50〜150μm）で、信号損失を低減します。​
 2. ファイントレース：25μm（1mil）という細さの銅線で、狭いスペースでのルーティングを可能にします。​
 3. 高層数：密接に配置された信号面と電源面を備えたコンパクトなスタックアップ（多くの場合6〜12層）。​
これらの機能により、HDIは、スマートフォン（1000以上のコンポーネントを搭載）、5G基地局、ウェアラブルヘルスモニターなど、スペースと速度が不可欠なデバイスに最適です。​

材料選択：HDI性能の基盤​
HDI材料は、誘電率（Dk）、誘電正接（Df）、および熱安定性の3つの重要な特性のバランスをとる必要があります。これらの特性のわずかな変動でさえ、特に10GHzを超える周波数では、信号性能を低下させる可能性があります。​

​
DkとDfが重要な理由​

1. 誘電率（Dk）：電気エネルギーを蓄積する材料の能力を測定します。低いDk（≤3.5）は、信号遅延を低減します。これは、5Gでは非常に重要であり、0.5 Dkの低減により、伝搬遅延が10％削減されます。​
2. 誘電正接（Df）：熱としてのエネルギー損失を測定します。低いDf（<0.005）は、信号減衰を最小限に抑えます。28GHzでは、Dfが0.002の場合、10cmのトレースでDf 0.01よりも50％少ない損失になります。​
たとえば、PPO/PTFE（Dk 3.2、Df 0.003）を使用する5G基地局は、標準FR-4を使用する基地局よりも信号強度を30％高く維持し、カバレッジ範囲を150メートル延長します。​

HDIスタックアップ設計：密度と性能のバランス​

HDIスタックアップ設計は、層がどのように相互作用するかを決定し、信号完全性、熱管理、および製造性に影響を与えます。目標は、ビア長を最小限に抑え、インピーダンスを制御し、ノイズの多い電源層を感度の高い信号層から分離することです。​

一般的なHDIスタックアップ構成​

主なスタックアップの原則​
1. 信号と電源の分離：インピーダンスを制御し、EMIを低減するために、高速信号層（例：50Ω RFトレース）に隣接してグランドプレーンを配置します。差動ペア（例：USB 3.2）の場合、トレースを0.2〜0.3mmの間隔で配置することにより、90Ωのインピーダンスを維持します。​
2. マイクロビア戦略：信号反射を最小限に抑えるために、1：1のアスペクト比のマイクロビア（直径50μm、深さ50μm）を使用します。スタックマイクロビア（2層以上を接続）は、高密度設計でビア数を40％削減します。​
3. 熱層：高電力HDI（例：EV充電器）に厚い銅層（2oz）またはアルミニウムコアを含めて、熱を放散します。2ozの銅グランドプレーンを備えた12層HDIは、コンポーネント温度を15℃下げます。​

HDI設計における信号性能の最適化​
HDIの高密度は、クロストーク、反射、およびEMIによる信号劣化のリスクを高めます。これらの戦略は、信頼性の高い性能を保証します。​

1. インピーダンス制御​
a. ターゲットインピーダンス：シングルエンドRFトレースの場合は50Ω、差動ペア（例：PCIe 4.0）の場合は90Ω、ビデオ信号の場合は75Ω。​
b. 計算ツール：Polar Si8000などのソフトウェアを使用して、トレース幅（0.8mm厚のボードで50Ωの場合は3〜5mil）と誘電体厚さ（低Dk材料の場合は4〜6mil）を調整します。​
c. テスト：TDR（Time Domain Reflectometry）を使用して検証し、インピーダンスの変動がターゲットの±10％以内であることを確認します。​

2. クロストークの低減​
a. トレース間隔：並列トレースを幅の少なくとも3倍の間隔（例：5milトレースには15milの間隔が必要）に保ち、クロストークを-30dB未満に低減します。​
b. グランドプレーン：信号層間のソリッドグランドプレーンはシールドとして機能し、12層HDIでクロストークを60％削減します。​
c. ルーティング：直角ターンを避け（45°の角度を使用）、0.5インチを超える並列ランを最小限に抑えます。​

3. ビアの最適化​
a. ブラインド/ベリードビア：これらのビアはボード全体を貫通しないため、スラブ長（反射の原因）をスルーホールと比較して70％削減します。​
b. ビアスタブ：スタブ長を<10% of signal wavelength (e.g., <2mm for 28GHz signals) to avoid resonance.​
c. アンチパッド設計：2xビア径のアンチパッド（50μmビアの場合は100μmアンチパッド）を使用して、グランドプレーン干渉を防ぎます。​

4. EMIシールド​
a. ファラデーケージ：感度の高い回路（例：GPSモジュール）を、グランドプレーンに接続された接地された銅シールドで囲みます。​
b. フィルタリング：コネクタポートにフェライトビーズまたはコンデンサを追加して、HDIへのEMIの侵入/退出をブロックします。​

実際のHDIアプリケーションと結果​
a. 5Gスマートフォン：1+4+1 HDIスタックアップ（低Dk FR-4）を備えた6.7インチの電話は、剛性PCBよりも20％多くのコンポーネントを搭載し、サイズを大きくすることなく5G mmWaveと4Kカメラをサポートします。​
b. 医療用超音波：PTFE材料（Dk 2.8）を備えた12層フルHDIは、信号処理を30％高速化し、画像解像度を15％向上させます。​
c. 航空宇宙センサー：セラミック充填PTFEを備えた8層HDIは、-55℃〜125℃で確実に動作し、信号損失は<0.5dB at 40GHz—critical for satellite communication.​

FAQs​
Q: HDIはPCBのコストにどのくらい追加されますか？​
A: HDIは従来のPCBよりも20〜50％高価ですが、30％のスペース節約と40％の性能向上は、高価値デバイス（例：5Gモデム、医療機器）への投資を正当化します。​
Q: HDIで最も小さいトレース幅は？​
A: 高度なHDIは10μm（0.4mil）トレースをサポートしていますが、25〜50μmが製造の標準です。よりタイトなトレースには、より正確なエッチング（±1μmの許容差）が必要です。​
Q: シーケンシャルラミネーションはいつ使用すればよいですか？​
A: シーケンシャルラミネーション（層を1つずつ構築する）は、12層以上のHDIに最適で、マイクロビア配置をより細かく制御し、層のずれを<10μmに減らすことができます。​

結論​
HDI PCB設計には、材料、スタックアップ、および信号最適化の戦略的なバランスが必要です。低Dk、低Df材料を選択し、効率的なスタックアップを設計し、信号劣化を軽減することにより、エンジニアは高密度エレクトロニクスの可能性を最大限に引き出すことができます。5G、医療機器、航空宇宙システムなど、HDIは単に多くのコンポーネントを詰め込むことではなく、可能な限り最小のフォームファクタで信頼性の高い高性能ソリューションを提供することです。