電子機器が小型化・高機能化を続ける中、HDI（High-Density Interconnect）基板技術はハードウェアエンジニアにとって不可欠なツールとなっています。ウェアラブルデバイス、産業用IoTモジュール、コンパクトな医療機器のいずれを設計する場合でも、HDI設計ルールを理解しているかどうかが、最初の試作で成功するか、コストのかかる再設計になるかの違いを左右します。

このガイドでは、HDI基板設計をマスターするために必要なコア原則、設計ルール、実用的なトレードオフについて説明します。また、設計したものを製造業者が実際に製造できることをどのように保証するかについても説明します。

HDI基板技術とは？

HDI基板は、従来の基板よりも単位面積あたりの配線密度が高いことが特徴です。これは、より細い線幅とスペース、より小さなビア、キャプチャパッド、そして複数の層の逐次積層によって実現されます。基板全体を貫通するスルーホールビアを使用する標準的な基板とは異なり、HDI基板はマイクロビア構造を使用しており、スタックアップ全体にルーティングスペースを無駄にすることなく、特定の層間の接続を可能にします。

HDI設計における3種類のビア

EDAツールを開く前に、ビアの種類を理解することが基本です。

ブラインドビア

ブラインドビアは、外層を1つ以上の内層に接続しますが、基板全体を貫通しません。片面からのみ見えます。ブラインドビアは、BGAブレークアウトに最適で、表面層の高密度ピンアレイをスルーホール領域を消費せずにエスケープさせる必要がある場合に役立ちます。

埋め込みビア

埋め込みビアは内層のみを接続し、どちらの表面からも見えません。これらは外層が積層される前に作成されるため、逐次ビルドアップ（SBU）製造が必要です。内層ルーティングがブロックされる可能性のある超高密度設計で最も価値があります。

マイクロビア（レーザー加工）

マイクロビアは、通常直径0.15mm以下のレーザー加工された穴です。これらは、複数の層にわたって直接積み重ねる（スタック）ことも、水平方向にずらして配置する（スタガード）こともできます。スタックマイクロビアはスペースを節約しますが、正確な充填と平坦化が必要です。スタックマイクロビアの銅めっき充填をコミットする前に、必ず製造業者が対応しているか確認してください。

HDI基板の主要な設計ルール

信号インテグリティに関する考慮事項

HDIのより高密度なルーティングは、しばしば過小評価される独自の信号インテグリティ（SI）の課題をもたらします。

• ビアスタブ:高周波設計（>5 GHz）では、ビアスタブが共振容量効果を引き起こします。バックドリルまたはブラインド/埋め込みビアでこの問題を解消できます。
• インピーダンス連続性:層間の遷移は、参照プレーンのジオメトリを変更します。特に差動ペアの場合、3D EMシミュレーションツールで全ての遷移をモデル化してください。
• クロストーク:ファインピッチルーティングは、よりタイトな結合を意味します。可能な限り、並列高速トレース間のスペースを、導体幅の少なくとも3倍に保ってください。
• リターンパス管理:分割プレーンを横切って高速信号をルーティングしないでください。全てのHDI層遷移には、近くにリターンパスビアが必要です。これは、層遷移がより頻繁であるため、標準設計よりもHDIでより重要です。

HDIスタックアップにおける熱管理

小型化は熱を集中させます。HDI設計では、パワーコンポーネントのサーマルパッドの下にサーマルビア（導電性エポキシまたはめっき銅で充填）が使用されます。熱設計に関する注記でサーマルビアを指定する際は、ビアの充填材、キャップめっきの要件、およびビアをトップ/ボトム側でテントするか露出させるかを明確に記載してください。曖昧な注記は、コストのかかる驚きにつながります。

HDI製造業者と効果的に連携する方法

HDIの最初の試作品が失敗する最も一般的な理由は、設計者の仮定と製造業者のプロセス能力の不一致です。これを回避する方法は次のとおりです。

• レイアウトを開始する前に、製造業者の設計ルールチェック（DRC）ファイルを入手してください。後からではなく。
• ガーバーファイルを最終決定する前に、製造可能性設計（DFM）レビューを実施してください。DUXPCBでは、全てのHDI注文に対して無料のDFM分析を提供しています。
• 製造業者と協力してスタックアップを指定してください。インピーダンスターゲット、材料選択（例：RF設計用の低損失誘電体であるMegtron 6）、コア/プリプレグの厚さはすべて歩留まりとコストに影響します。
• ガーバーファイルに加えて、IPC-2581またはODB++出力も提供してください。これらは、解釈エラーを減らす、より豊富なレイヤー意図データを含んでいます。

HDIと標準基板の使い分け

HDIが常に最良の選択肢とは限りません。コスト（逐次積層は標準多層基板よりも高価）、リードタイムの延長、およびより厳しいDFM制約が伴います。HDIを選択するのは、BGAピッチが0.8mm以下で、標準技術ではエスケープビアをルーティングできない場合、ボード面積の予算が固定されており、部品密度がそれを要求する場合、または設計がスルーホール技術のビアスタブが性能を許容できないほど低下させる周波数で動作する場合です。

設計に0402以上のパッシブ部品、0.8mm以上のピッチのBGAが多く、厳しいサイズ制約がない場合は、標準多層基板が通常、より速く、安価で、リスクが低くなります。

結論

HDI基板設計は、電気的要件だけでなく、各設計ルールの背後にある製造上の制約を理解しているエンジニアに報います。製造可能なスタックアップから始め、早期に製造業者と協力し、レイアウト前にシミュレーションを通じてSIの仮定を検証してください。これらを一貫して行うエンジニアは、最初のビルドで機能する製品を出荷します。

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