デザイン 高密度相互接続（HDI）PCB には、電気的ニーズと製造上の限界の両方を深く理解することが必要です。HDI技術では、より小さなスペースでより多くの部品を使用することができます。そのため、スマートフォンやウェアラブル端末のような最新の電子機器に最適です。.
以下は、HDI設計において考慮すべき要素と最適化方法に関する詳細なガイドです。.
HDI PCB設計時に考慮すべき要素
1.スマートな部品選択
HDIボードを設計する場合、通常は非常に小さな部品を使用します。これには、ピッチ$以下の表面実装デバイス（SMD）やボール・グリッド・アレイ（BGA）が含まれます。.
部品は慎重に選ばなければならない。ピン間の距離（ピッチ）が最も重要な要素です。ピン間が非常に近いと、銅トレースを通すスペースが少なくなります。この選択によって、どのようなトレース幅が必要か、どのようなタイプのビア（穴）を使わなければならないかもわかります。ピッチが非常に小さいBGAを選ぶと、すべての信号を接続するために、より多くのレイヤーを使用するか、より小さなマイクロビアを使用せざるを得なくなるかもしれません。.
2.マイクロヴィアの使用
マイクロビアはHDI設計の心臓部である。これは非常に小さな穴で、通常は直径$未満である。設計者は多くの場合、「ビルドアップ」または「シーケンシャル」ラミネート技術を使用してこれらの穴を形成します。.
マイクロビアはスペースの節約に役立つ。非常に小さいので、従来のスルーホールに比べて狭い面積に多くの本数を収めることができます。また、インダクタンスが低いことも大きな特長です。そのため、高速回路に最適です。パワー・プレーンとデカップリング・コンデンサの接続や、電気ノイズを低減する必要があるあらゆる場所に使用できます。.
3.素材の選択
適切な材料を選択することは、どのようなPCBにも不可欠ですが、HDIではさらに重要です。目標は、製造が簡単で、熱や電気によく耐える材料を見つけることです。.
素材の物理的な厚さは重要な要素である。マイクロビアの「アスペクト比」を見る必要がある。これは穴の深さと直径の比です。材料が厚すぎたり、穴が小さすぎたりすると、穴を銅で適切にメッキするのは非常に難しくなります。メッキ処理中に薬液が穴の中を流れるような材料を選ぶ必要があります。.
4.ビアキャッピングとオフセットマイクロビア
HDI設計では、“ビア・イン・パッド ”と呼ばれる手法を使うことができる。これは、表面実装パッドの中央に直接マイクロビアを配置することを意味します。.
そのためには、ビアを「キャップ」または充填し、その上に銅メッキを施さなければならない。こうすることで、はんだ付けのための平らな表面ができます。この方法を用いると、ビアがパッドの外側に余分なスペースを取らないため、トレースを配線するスペースが大幅に広がります。また、「オフセット」マイクロビア（異なるレイヤーの穴が完全に一直線に並ばない）を使用することで、スペースをさらにうまく管理することができます。.
5.平面穿孔の減少
の下で電源プレーンとグラウンド・プレーンを設計する場合、次のようになる。 BGA, そのため、できるだけ頑丈な銅が必要です。これは「パワー・インテグリティ」（PI）と呼ばれるものです。.
伝統的な設計では、大きなスルーホールが銅プレーンの中に多くの「ボイド（空洞）」または空のスポットを作ります。これは、電流の流れを遮断するフェンスのような役割を果たします。HDIでは、ビアがはるかに小さいため、より多くの銅をそのまま残すことができます。これにより、基板の電磁両立性（EMC）が向上します。また、干渉に対するシールド性も向上します。.
6.スタックアップと層間剥離の問題
スタックアップ」とは、銅と絶縁層の配置のことです。HDIでは、層ごとに異なる素材を使うことがよくあります。.
あらゆる素材には「熱膨張係数」（CTE）がある。これは、その素材が熱くなったときにどれだけ膨張するかを示すものです。2つの層のCTE値が大きく異なる場合、それぞれの層は異なる速度で膨張します。これは「層間剥離」と呼ばれ、層が引き離される原因となります。これを避けるため、設計者はすべての層に同じ材料を使うか、CTE値と吸湿率が非常に似た材料を使うようにする必要があります。.
7.試験方法
従来の「インサーキット・テスト」（ICT）は、HDIボードではしばしば不可能です。ICTは大きなテストポイントを必要とし、スペースを取りすぎるからです。.
その代わりに、設計者は機能テストやJTAG（Joint Test Action Group）メソッドを使用する。JTAGを使えば、配線ごとに物理的なテスト・プローブを用意することなく、集積回路間の接続をテストできます。ICTは特定の故障を見つけるのに非常に優れていますが、JTAGはHDIボードの密集した環境にははるかに適しています。.
8.熱管理
HDI基板は非常に高密度なので、すぐに熱くなります。部品から熱を逃がす方法を計画する必要があります。.
に従うべきである。 IPC-2226 HDIにおける熱設計のルールを定めた規格。HDIの利点の一つは、誘電体（絶縁体）層が非常に薄いことです。薄い層とマイクロビアを組み合わせることで、チップから熱を遠ざけることができます。非常に高温の部品がある場合、「サーマルビア」を追加することで、より大きな銅プレーンやヒートシンクに熱を移動させることができます。.
9.ルーティング需要と基板容量
“「配線需要 ”とは、基板上の部品を接続するために必要な全配線の長さのことです。「基板容量 “とは、基板が実際に保持できるワイヤーの長さの合計です。.
設計を成功させるためには、キャパシティは需要よりも高くなければならない。需要が高すぎる場合、レイヤーを増やす必要があるかもしれないが、そうするとコストが高くなる。設計者は、この2つのバランスを取りながら、可能な限り低いコストで設計を完成させようとします。.
10.プリント配線板の密度の計算
PWB（Printed Wiring Board）密度を計算することで、設計の複雑さを測ることができます。これは、1平方インチあたりのトレースの平均長さとして測定されます。.
これを求めるには、各「ネット」（1つの電気的接続）が3つのノードを持ち、各コンポーネントのリード線が1つのノードであると仮定する。以下の式を使用する：
$$Wd = \sqrt{Cd ¢times Cc}$$
どこでだ：
- $Wd$:プリント配線板の密度（1平方インチあたりの平均トレース長）。.
- $Cd$:部品密度（1平方インチあたりの平均部品数）。.
- $Cc$:部品複雑度（部品あたりの平均リード/ピン数）。.
- $:回路の種類に基づく定数。.
- 用途 2.5 高アナログ領域またはディスクリート領域向け。.
- 用途 3.0 アナログとデジタルの混在したエリア向け。.
- 用途 3.5 純粋なデジタルまたはASIC分野向け。.
この公式は参考になる。しかし、すべてのデザインはユニークであり、すべてのボードに適合する唯一のルールなど存在しないことを忘れないでください。.
エレクトロニクス向けHDI設計を最適化する方法
HDIはPCB業界で最も急速に成長している。HDIは基板をより効率的にし、信号の高速化を可能にします。標準的な基板に比べ、HDI基板は線が非常に細く、スペースが小さく、パッドも小さい。主な違いは、レイヤーの接続方法です。標準的な基板は貫通した穴を使用しますが、HDI基板はブラインド・ビアと埋設ビアを使用します。.
デザインを最適化し、高価な失敗を避けるためのいくつかの方法を紹介しよう。.
適切なビアタイプを選ぶ
選択するビアによって、ボードの性能とコストが変わります。マイクロビア（ブラインドまたは埋設）を使用すると、実際に必要な層の総数を減らすことができます。層数が減れば、材料費も下がります。また、製造工程も複雑になりません。どのタイプのビアを確実に製造できるか、早めにメーカーに相談すべきです。.
慎重に部品を選ぶ
HDIボードを作る場合、選ぶパーツには細心の注意が必要です。レイアウトを始める前に、ピン数とパーツのサイズを見てください。ピン間にどのようにトレースが収まるかを考えてください。基板サイズに対して複雑すぎる部品を選ぶと、設計に多くの時間を費やし、製造に多くの費用をかけることになります。.
スタックアップの計画は慎重に
HDIボードのレイヤーの配置にはさまざまな方法があります。一般的なスタイルは以下の通りです：
- 1-HDI： 上下に1層のマイクロビアと、埋設ビアを含むコア。.
- 2-HDI（ノンスタック）： マイクロビアが2層になっており、重ならないようになっている。.
- スタック2-HDI： 互いに直接重なり合うマイクロビア。これには樹脂や銅を充填することができる。.
バランスのとれた積み重ねを選ぶ必要があります。スタックアップが左右対称でないと、加熱中に基板が反ったり曲がったりする可能性があります。良いスタックアップは「歩留まり」（良いボードを作る割合）を向上させます。.
適切なスペーシング
部品を近づけすぎると、「電磁干渉」（EMI）を引き起こす可能性があります。これは、あるワイヤーからの電気信号が別のワイヤーに漏れることで起こります。また、「寄生キャパシタンス」が発生し、信号が遅くなることもあります。.
ストレスやEMIを最小限に抑えるために、部品のスペースを確保する必要があります。同時に、組み立てや修理に十分なスペースがあることも確認してください。部品が近すぎると、はんだ付けや、何か問題が起きたときの修理が非常に難しくなります。.
シグナル・インテグリティ（SI）に焦点を当てる
シグナル・インテグリティとは、電気信号がワイヤーの端から端までクリーンな状態を保つことです。信号を強く保つために
- 銅めっきが厚く均一になるように、ビアの「アスペクト比」を正しく保ってください。.
- スタブ」の長さ（トレースから垂れ下がる余分な銅）を減らすために、非常に小さなマイクロビアを使用してください。.
- 信号経路を短く保つため、小さな部品同士を近づける。.
- 基板材料への物理的ストレスを軽減するために、埋設ビアとブラインドビアを広げる。.
高度な設計ツールを使う
HDIプリント基板の設計は、基本的なソフトウェアでは難しすぎます。製造業者や設計者は、専門的なCAD（コンピューター支援設計）やCAM（コンピューター支援製造）ソフトウェアを必要とします。また、LDI（レーザー・ダイレクト・イメージング）を使って基板上に小さな線を描きます。公差が非常に小さいため、機械と同様にオペレーターの経験も重要である。.
業界を超えたメリット
HDIボードは、電子機器の性能を向上させるために使用されます。HDIボードは、次のような場所で見つけることができます：
- コンピューター より高速なデータ処理のために。.
- スマートフォン： ポケットサイズのデバイスに、より多くの機能を搭載する。.
- 医療機器 機器を小型化し、医師が持ち運びできるようにすること。.
HDIプロジェクトの成功は、レイアウトをいかにうまく計画し、メーカーといかにうまく協力できるかにかかっています。これらのヒントに従うことで、信頼性とコスト効率の両方を備えた高性能ボードを作成することができます。.
