ハードウェアエンジニアが初めて多層PCBに遭遇すると、少し圧倒されるかもしれません。蜘蛛の巣のように密集した複雑な配線が敷き詰められた10層や8層の基板を見ると、どこから手を付けていいのか分からなくなるかもしれません。しかし、多層PCBの設計は現代の電子機器に不可欠かつ不可欠な要素です。多層PCBの内部構造は3Dグラフィックスで表現できるため、回路基板の設計をより直感的に理解することができます。HDIの中核
高密度相互接続(HDI)は、多層PCBの中核設計であり、主にビア技術によって特徴付けられます。多層PCBの回路製造プロセスは単層および二層PCBと似ていますが、最も大きな違いはビア技術にあります。回路はエッチングで形成され、ビアはドリル加工と銅めっきによって形成されます。多層回路基板の種類
多層回路基板は、現代の電子製品において一般的かつ不可欠な部品です。その設計と製造には、製品の複雑さと性能要件に基づいて、さまざまな層数と技術が選択されます。以下に、一般的な多層回路基板の種類とその代表的な用途をいくつか示します。スルーホールPCB
スルーホールPCBは、最もシンプルなタイプの多層回路基板で、通常はスルーホールを介して相互接続された2層で構成されています。このタイプの回路基板は、比較的低コストであるため、一部のシンプルな8ビットマイクロコントローラ製品に適していました。しかし、スルーホール接続による潜在的な信号干渉や設計上の制約のため、より高い性能が求められる製品では、徐々に他のタイプの基板に置き換えられてきました。ファーストオーダーボード
ファーストオーダーボードは、32ビットマイクロコントローラレベルのスマートハードウェアに適した、一般的な4層から6層のスルーホール基板です。層間接続スペースが広く、設計の柔軟性が高いため、信号干渉を低減し、優れた電気性能とノイズ耐性を実現します。また、製造プロセスが比較的シンプルでコストも比較的低いため、多くの中複雑度製品に好まれています。セカンドオーダーボード
セカンドオーダーボードは、より高度なタイプの多層回路基板で、通常6層から8層です。このボードの設計はより複雑で、LinuxやAndroidレベルのスマートハードウェアに適しています。これらの製品では、通信インターフェース、高速信号、電源、グランド層のレイアウトに高い精度が求められ、セカンドオーダーボードを使用することで、これらの要件をより適切に満たすことができます。PCBを介して2次スタック
セカンドオーダースタックビアPCBは、8層以上の基板で使用される複雑なタイプです。ファーストオーダー基板とセカンドオーダー基板の特徴を併せ持ち、複数のビアを同じ場所に配置できるため、接続密度が高く、信号品質が向上します。しかし、その複雑さと製造の難しさから、用途は限定されており、主にハイエンドの高度な製品に使用されています。3次基板と高次回路基板
3次基板および高次回路基板は、設計と製造コストが複雑であることから、サーバーやハイエンドコンピュータなどの極めて高性能なアプリケーションに一般的に使用されます。これらの基板は、信号プレーンと電源プレーンの層数が多く、複雑な信号伝送と電源管理の要件を満たすことができます。価格が高いため、非常に高い性能と信頼性が求められるアプリケーションで広く利用されています。スマートフォンなどの小型製品では、通常、8層の1次基板から10層の2次基板が採用されています。限られたスペースに多数の機能と複雑な回路を収容する必要があるため、より多くの層と高次の回路基板を使用することで、信号整合性、電源管理、および放熱要件を向上させることができます。全体として、適切なタイプの多層回路基板の選択は、製品の性能要件、信号整合性、電気性能、レイアウトの複雑さ、および予算の制約によって異なります。技術の継続的な進歩に伴い、ますます高まる機能と性能の要求を満たすために、ますます多くの製品が高次回路基板を採用するようになるでしょう。最も一般的なタイプのスルーホール
ビアは1種類だけで、第1層から最終層まで貫通しています。外部配線であれ内部配線であれ、ビアはドリルで穴を開けて貫通させており、スルーホールPCBと呼ばれます。スルーホールPCBは層数とは関係ありません。一般的に使用されている2層PCBにもスルーホールは存在します。多くのスイッチやミリタリーグレードの回路基板は、20層にも関わらず、スルーホールビアを使用しています。このプロセスでは、ドリルビットでPCBに穴を開け、穴の中に銅をめっきすることで電気接続を確立します。

めっきスルーホールの直径は、一般的に0.2mm、0.25mm、0.3mmであることに注意してください。しかし、0.2mmのものは0.3mmのものよりも一般的に高価です。これは、ドリルビットが細いため破損しやすく、穴あけに時間がかかるためです。追加の時間とドリルビットのコストは、回路基板の価格上昇に反映されます。
HDIボード上のレーザービア
この図は、6層1次HDI(高密度相互接続)基板の層構造を表しています。上面と下面にはそれぞれ2層あり、直径0.1mmのレーザービアが配置されています。内層にはメカニカルビアが配置されており、4層スルーホール基板と同様の構造を形成しています。さらに2層で外側を覆っています。

レーザービアはガラス繊維材料を貫通しますが、金属銅は貫通しません。そのため、外層のビアは内部配線に影響を与えません。レーザードリリング後、穴に銅メッキを施し、レーザーマイクロビアを形成します。
2層レーザー付き2層HDIボード
上の画像は、6層2段スタガードホール(HDI)基板を示しています。一般的に、6層2段HDI基板はあまり使用されず、8層2段HDI基板が最も多く使用されています。ただし、6層HDIのような高層数の場合も、原理は同じです。「2段」とは、レーザードリルで穴を開けた穴が2層あることを意味します。「スタガード」とは、レーザードリルで穴を開けた2層の穴の位置がずれていることを意味します。なぜ穴がスタガードになっているのでしょうか?これは、銅めっき工程において、穴が完全に埋められず、穴の中に空洞が残る可能性があるためです。そのため、これらの空洞の上に直接ドリルで穴を開けることはできません。そのため、穴を一定の間隔でスタガードホールにし、その上にさらに空洞層を作成します。 6層2ステップHDIとは、1ステップHDI構造の層が4層あり、その外側にさらに2層が追加されることを意味します。8層2ステップHDIとは、1ステップHDI構造の層が6層あり、その外側にさらに2層が追加されることを意味します。マイクロビア技術は、レーザードリル加工されたビアの2層が重なり合う複雑なプロセスと高コストを伴います。これにより、よりコンパクトな回路が可能になります。外層ビアを作成する前に、内層ビアを電気メッキで埋め込む必要があります。このプロセスにより、従来のスルーホールボードよりも高価になります。非常に高価な高密度相互接続(HDI)ボードの場合:複数層のレーザードリル加工されたマイクロビアが含まれます。各層はレーザードリル加工されたビアで構成されており、必要に応じてビアを配線および作成する柔軟性を提供します。レイアウトエンジニアは、自分の仕事に非常に満足し、充実しています。理想的なデザインを作成できないことを心配する必要がなくなりました。しかし、Any-Layer HDI(高密度インターコネクト)基板のコストは通常のスルーホール基板の10倍以上も高いため、調達部門は大きなプレッシャーに直面しています。iPhoneのようなハイエンド製品だけが、このような高価な基板を採用できるのも、このためです。現状では、他の携帯電話ブランドではAny-Layer HDI基板を採用したという話は耳にしていないようです。
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