高密度 相互 接続 技術 の 仕組み

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高密度相互接続（HDI）PCBは、エレクトロニクス設計に革命をもたらし、5Gスマートフォンからウェアラブルヘルスモニターまで、現代生活を定義する洗練された高性能デバイスを実現しました。コンポーネントを狭いスペースに詰め込むのに苦労する従来のPCBとは異なり、HDI技術は高度な製造技術を使用して、より多くの接続、より高速な信号、より高いコンポーネント密度をより小さなフォームファクターに詰め込みます。しかし、HDI PCBとは正確には何であり、どのように機能し、なぜ最先端のエレクトロニクスに不可欠になったのでしょうか？このガイドでは、その中核コンポーネントから実際のアプリケーションまで、この技術を分解し、次世代デバイスのバックボーンとなっている理由を説明します。​

主なポイント​
   1.HDI PCBは、マイクロビア（直径150μm以下）、微細トレース（幅50μm以下）、高密度レイヤー積層を使用して、従来のPCBよりも3〜5倍高いコンポーネント密度を実現しています。​
   2.5G、AI、IoTデバイスに不可欠な、40％の損失削減で、より高速な信号速度（最大100Gbps）を可能にします。​
   3.HDI技術は、従来のPCBと比較して、デバイスサイズを30〜50％削減し、信頼性を60％向上させます。これは、コネクタが少なく、信号経路が短いためです。​
   4.主な機能には、マイクロビア（ブラインド、埋め込み、スタック）、シーケンシャルラミネーション、低損失材料が含まれ、すべてコンパクトなスペースでの高性能のために最適化されています。​

HDI PCBとは？​
HDI（高密度相互接続）PCBは、接続を最大化し、サイズを最小化するように設計された高度な回路基板です。これは、次の方法で実現します。​
   a.機能の縮小：マイクロビア（小さな穴）と微細銅トレースを使用して、スペースを無駄にすることなくレイヤーを接続します。​
   b.密度の増加：より多くのコンポーネント（チップ、センサー、コネクタ）を平方インチあたりに詰め込みます。従来のPCBの200〜300に対して、最大1,000コンポーネント/in²です。​
   c.レイヤーの最適化：重量を減らし、信号の流れを改善するために、4〜16の薄いレイヤーを使用します（従来のPCBの2〜8の厚いレイヤーと比較）。​
要するに、HDI PCBは、重要な問題に対する解決策です。現代のエレクトロニクスは、より多くの電力と機能性を要求しますが、消費者はより小型で軽量なデバイスを求めています。HDIは、このギャップを埋めます。​

HDI PCBの仕組み：中核コンポーネントと技術​
HDI PCBは、高密度と高性能を実現するために、マイクロビア、微細トレース、高度なレイヤー積層という3つの主要な革新に依存しています。​
1. マイクロビア：密度の秘密​
ビアは、銅レイヤーを接続するPCBの「穴」ですが、従来の貫通ビア（基板全体を貫通する）はスペースを無駄にし、信号を遅くします。HDI PCBは、これらをマイクロビアに置き換えます。マイクロビアは、直径50〜150μm（人間の髪の毛の幅程度）の小さく正確な穴です。​
マイクロビアには3つのタイプがあり、それぞれ特定の目的に役立ちます。​
   ブラインドマイクロビア：外層を1つ以上の内層に接続しますが、基板全体を穿透しません。信号経路の長さを短くするのに最適です。​
   埋め込みマイクロビア：外表面に到達することなく内層を接続し、基板の外側をコンポーネント用にクリアに保ちます。​
   スタックマイクロビア：3つ以上のレイヤーを接続するために垂直に積み重ねられた複数のマイクロビア。高密度設計では、必要なビアの数を40％削減します。​
従来の貫通ビアの「スタブ」を排除することにより、マイクロビアは信号反射を70％削減し、信号遅延を30％削減し、より高速なデータ伝送を可能にします。​

2. 微細トレース：より少ないスペースでのより多くの接続​
従来のPCBは、幅100〜200μmのトレース（銅線）を使用しますが、HDI PCBは、25〜50μmの微細トレースを使用します。これは、人間の髪の毛の幅の約半分です。これにより、より多くのトレースを同じスペースに収めることができ、ルーティング密度が2〜3倍になります。​
微細トレースは、信号の完全性も向上させます。制御された間隔を持つより狭いトレースは、広幅トレースと比較してクロストーク（信号間の電磁干渉）を50％削減します。これは、高速データ（たとえば、28GHzの5G mmWave信号）に不可欠です。​

3. シーケンシャルラミネーション：精密なレイヤーの構築​
従来のPCBは、すべてのレイヤーを一度にラミネートすることによって構築されるため、アライメント精度が制限されます。HDI PCBは、シーケンシャルラミネーションを使用します。これは、レーザーポジショニングを使用して、各新しいレイヤーを前のレイヤーに合わせながら、一度に1つのレイヤーを構築することです。これにより、±5μmのアライメントが実現します（人間の髪の毛の幅の1/20）。従来のラミネーションでは±25μmです。​
シーケンシャルラミネーションは、8つ以上のレイヤーHDI設計の鍵であり、マイクロビアとトレースがレイヤー全体で完全に整列していることを保証します。これは、短絡や信号損失を回避するために不可欠です。​

HDI PCBと従来のPCBの比較​

HDI PCBの種類：あらゆるニーズに対応する構成​

HDI PCBにはいくつかの構成があり、それぞれ特定のアプリケーションに最適化されています。​

1. 1+N+1 HDI PCB​
これは最も一般的なHDI設計で、次の機能を備えています。​
   a.上部と下部に1つの外層があり、それぞれマイクロビアを介して内層に接続されています。​
   b.電力、グランド、信号用のN個の内層（通常は2〜6）。​
   c.すべてのレイヤーにまたがる接続用の貫通ビア（ただし、スペースを節約するために最小限に抑えられています）。​
最適用途：スマートフォン、タブレット、および密度とコストのバランスを必要とするミッドレンジエレクトロニクス。​

2. 2+N+2 HDI PCB​
複雑さのステップアップで、次の機能を備えています。​
  a.上部と下部に2つの外層があり、より多くのルーティングを可能にします。​
  b.基板全体を貫通することなくレイヤーを接続するブラインド/埋め込みマイクロビアにより、信号損失を削減します。​
  c.より高いコンポーネント密度を実現するための8〜12の総レイヤー。​
最適用途：5Gルーター、医療用画像診断装置、および自動車ADASシステム。​

3. フルHDI PCB​
最も高度な構成で、次の機能を備えています。​
  a.スタックマイクロビアを介して接続された12以上のレイヤー（貫通ビアなし）。​
  b.すべてのレイヤーで正確なアライメントを実現するためのシーケンシャルラミネーション。​
  c.高周波信号（28GHz以上）用の低損失材料（例：Rogers RO4350）。​
最適用途：航空宇宙センサー、AIプロセッサ、および衛星通信システム。​

HDI PCBで使用される材料​
HDI PCBは、高速、厳しい許容誤差、高密度コンポーネントに対応するために、特殊な材料を必要とします。​

1. 基板（コア材料）​
   a.低損失FR-4：消費者向けエレクトロニクス（例：スマートフォン）向けの予算に優しいオプションで、誘電率（Dk）は3.8〜4.5です。​
   b.Rogers RO4350：Dk 3.48の高性能ラミネートで、5Gおよびレーダーシステム（28〜60GHz）に最適です。​
   c.Isola I-Tera MT：Dk 3.0の低損失材料で、データセンターの100Gbps以上の信号用に設計されています。​

2. 銅箔​
  a.電気めっき（ED）銅：ほとんどのHDI PCBの標準で、厚さは1/3〜1oz（12〜35μm）です。​
  b.圧延銅：より薄く（6〜12μm）柔軟性が高く、リジッドフレキシブルHDI（例：折りたたみ式電話）で使用され、曲げ中のひび割れに抵抗します。​

3. カバーレイとソルダーマスク​
  a.ポリイミドカバーレイ：フレキシブルセクションの微細トレースを湿気や摩耗から保護します。​
  b.液体フォトリソグラフィー（LPI）ソルダーマスク：25μmのトレースをブリッジすることなくカバーするのに十分な精度があり、信頼性を確保します。​

HDI PCBが現代のエレクトロニクスに不可欠な理由​

HDI技術は、今日のデバイス設計者が直面している3つの主要な課題を解決します。​
1. 小型化​
消費者は、より多くの機能を備えた小型デバイスを求めています。HDI PCBはこれを可能にします。​
   最新のスマートフォンは、1,500以上のコンポーネントを6インチのフォームファクターに詰め込んでいます。これは、従来のPCBでは不可能です。​
   ウェアラブルフィットネストラッカーは、HDIを使用して、心拍数モニター、GPS、バッテリーを時計サイズのデバイスに収めます。​

2. 高速信号​
5G、AI、IoTデバイスは、これまで以上に高速（最大100Gbps）で信号を伝送する必要があります。HDI PCBは、次の方法でこれを可能にします。​
   信号経路（トレース）を従来のPCBと比較して50〜70％短縮し、遅延を削減します。​
   高周波での信号減衰（損失）を最小限に抑えるために、低損失材料を使用します。​

3. 信頼性​
HDI PCBは、次の理由により、従来のPCBよりも故障することが少なくなります。​
   従来の設計で一般的な故障ポイントである、60％のコネクタと配線ハーネスを排除します。​
   短い信号経路は、EMI（電磁干渉）とクロストークを削減し、安定性を向上させます。​

HDI PCBの実際のアプリケーション​
HDI技術は、私たちが日常的に使用している無数のデバイスのバックボーンです。​
1. 5Gスマートフォン​
最新の5G電話（例：iPhone 15 Pro、Samsung Galaxy S24）は、1+6+1 HDI PCBに依存して、次のことを行います。​
   5Gモデム、mmWaveアンテナ、48MPカメラを7mm厚のボディに収めます。​
   28GHzで5G信号を送信し、<2dBの損失で、高速データ速度を確保します。​2. 医療機器​

   ウェアラブルECGモニター：2+2+2 HDI PCBを使用して、センサー、Bluetoothチップ、バッテリーをパッチサイズのデバイスに収め、正確な心拍数追跡のために微細トレース（25μm）を使用します。​
   植込み型除細動器：生体適合性材料（例：ポリイミド）を備えたフルHDI PCBは、体内で10年以上の信頼性の高い動作を提供します。​
3. 自動車エレクトロニクス​

   ADASシステム：LiDARおよびレーダーモジュール内の8層HDI PCBは、1秒あたり100以上のデータポイントを処理し、70mphでの衝突回避を可能にします。​
   EVバッテリー管理：HDI PCBは、100以上のバッテリーセルをリアルタイムで監視し、マイクロビアは従来の設計と比較して信号遅延を30％削減します。​
4. 航空宇宙および防衛​

  衛星通信：16層のフルHDI PCBは、宇宙で-200℃から260℃で動作し、99.99％の稼働率で5G衛星リンクをサポートします。​
  ドローンセンサー：軽量1+4+1 HDI PCBは、重量を20％削減し、飛行時間を15分延長します。​
HDI PCBの製造：課題と革新​

HDI PCBの製造には、従来のPCB製造を超える精度が必要です。​
1. マイクロビアの穴あけ​
50μmのマイクロビアを作成するには、UVレーザー穴あけ（従来のビアの機械穴あけと比較）が必要であり、98％の精度を実現します。これは、短絡を回避するために不可欠です。​
2. 微細トレースのエッチング​

25μmのトレースをエッチングするには、±2μmの許容誤差を持つ高度なフォトリソグラフィー（UV光を使用してパターンを転送する）が必要です。わずかな変動でも、信号損失が発生する可能性があります。​
3. シーケンシャルラミネーション​

レイヤーを一度に1つずつ構築するには、剥離を回避するために温度と圧力が制御されたプレスが必要であり、各レイヤーはレーザーマーカーを使用して配置されます。​
4. 検査​

HDI PCBは、マイクロビアの品質とレイヤーのアライメントを確認するためにX線検査を必要とします。欠陥（例：ビアボイド）は、肉眼では小さすぎて見えないためです。​
HDI PCBのコスト：投資する価値がある理由​

HDI PCBは、従来のPCBよりも1.5〜3倍のコストがかかりますが、その利点は多くの場合、価格を正当化します。​
  a.デバイスサイズの削減：サイズが重要なセールスポイントである、プレミアムでスペースが限られた製品（例：1,000ドル以上のスマートフォン）を可能にします。​
  b.より速い市場投入までの時間：コネクタが少なく、アセンブリが簡単なため、製造時間を2〜3週間短縮できます。​
  c.より低い保証コスト：故障が60％少ないため、返品と修理が減り、デバイスのライフサイクル全体で総製品コストの10〜15％を節約できます。​
よくある質問​

Q：市販のHDI PCBで最小のマイクロビアサイズは？​
A：市販のメーカーは、50μmのマイクロビアを製造していますが、コスト効率のために75〜100μmの方が一般的です。航空宇宙プロトタイプは、25μmのマイクロビアを使用しています。​
Q：HDI PCBはリジッドフレキシブルにできますか？​

A：はい。リジッドフレキシブルHDI PCBは、リジッドセクション（コンポーネント用）とフレキシブルセクション（曲げ用）を組み合わせたもので、折りたたみ式電話や医療用内視鏡に最適です。​
Q：HDI PCBは熱をどのように処理しますか？​

A：厚い銅層（2〜3oz）とサーマルビアを使用して熱を放散し、一部の設計では、高出力コンポーネント（例：5Gアンプ）用にアルミニウムコアを統合しています。​
Q：HDI PCBはハイエンドデバイス専用ですか？​

A：いいえ。予算のスマートフォンやIoTセンサーでさえ、コストと密度をバランスさせるために、基本的な1+2+1 HDI PCBを使用していますが、より大きなマイクロビア（100〜150μm）を使用する場合があります。​
Q：HDI技術の将来は？​

A：次世代HDI PCBは、10μmのトレース、25μmのマイクロビア、20以上のレイヤーを備え、テラビット/秒の信号とさらに小型のデバイスを実現します。これは、6Gおよび量子コンピューティングに不可欠です。​
結論​

HDI PCBは、現代のデバイスが要求する密度、速度、小型化を可能にすることで、エレクトロニクスを変革しました。マイクロビア、微細トレース、高度な材料を活用することにより、より多くの機能をより少ないスペースに詰め込むという中核的な課題を解決し、同時に信号性能と信頼性を向上させています。従来のPCBよりも高価ですが、その利点（小型デバイス、高速、低い故障率）により、5G、医療、自動車、航空宇宙アプリケーションに不可欠です。技術が進歩するにつれて、HDI PCBはますます重要になり、エレクトロニクスにおける次のイノベーションの波を推進します。