電子機器は小型化・高速化・高性能化が進んでおり、その内部のプリント回路基板もそれに歩調を合わせる必要がある。HDI（高密度相互接続）基板技術は、現代のスマートフォンのマザーボードが、わずか10年前の基板の何倍ものサイズの基板よりも多くの配線、部品、機能を詰め込める理由である。次のプロジェクトがより細かい配線、より小さなビア、より狭い部品間隔を要求する場合、経験豊富なHDI PCB製造サービスのプロバイダーと協力することが、信頼性が高く高歩留まりの基板を得るために不可欠である。

本稿では、HDI基板とは何か、その主な利点、使用される用途、エンジニアが製造にファイルを送る前に留意すべき設計上の考慮点をカバーする。

HDI基板とは？標準基板との違い

HDI基板は、スルーホールビアのほとんどをレーザー穴あけされたマイクロビア——通常直径150ミクロン（0.15mm）未満——と、より細かい配線、積層または千鳥状のビア構造を組み合わせることで、より少ない基板面積により多くの配線を詰め込む回路基板である。標準の多層基板は機械的ドリルビットでスタックをまっすぐに貫通するため、現実的にビアを小さくできる限界があり、通常0.2mm（8ミル）を下回ると信頼性の問題が発生する。HDI製造は代わりにレーザー穴あけを使用し、基板を逐次積層サイクルで構築し、次の層を追加する前に各層ペアを検査する。

HDI基板の主な利点

1. 大幅な小型化：マイクロビアとファインピッチ配線により、機能を維持または増加させながら基板サイズを劇的に縮小できる。スマートフォン、ウェアラブル、その他のコンパクト民生機器でHDIがデフォルトの構造方法である理由である。

2. 電気性能の向上：より短い信号経路とより小さなビアにより、寄生インダクタンスと容量が低減し、高周波での信号損失が低減し信号整合性が向上する。高速デジタル設計、RF回路、厳格なタイミング要件のあるアプリケーションに適している。

3. 高い信頼性：HDI基板は通常、必要な穴あけ穴が少なく、ラミネートへの機械的ストレスが少ないため、厳格なプロセス管理で製造された場合、厳しい熱的・振動環境でより優れた信頼性を提供できる。

4. 先進的な部品パッケージへの対応：ファインピッチBGA、CSP、その他の先進的な部品は、標準PCB技術が許容するよりも厳しい配線を必要とする。HDIのマイクロビアとファインライン能力により、過度な層数を必要とせずにこれらのパッケージの配線引き出しが可能になる。

5. 層数と重量の削減：より少ない層により多くの配線を詰め込むことで、HDI設計は同等の多層従来基板よりも薄く軽くなる傾向があり、ポータブル機器や航空宇宙電子機器で大きな利点となる。

標準多層基板では対応できない場合：HDIへの移行タイミング

HDIへの移行が必要となる現実的なトリガーは、0.4mmピッチ以下のBGAを配線する時点である。標準的な機械穴あけビアでは、アニュラリングも含めるとパッド間に物理的に収まらない。この場合、信号配線は迂回せざるを得ず、層数と配線長が増加するか、設計そのものが行き詰まる。

マイクロビアはこの問題を、パッド上に直接配置する（ビアインパッド）か、標準ビアでは到達できないスペースに収めることで解決する。これにより、スマートフォンのメインボードはクレジットカードより小さいフットプリントに10層以上の配線を詰め込み、ウェアラブルのフレックスリジッドHDIスタックは、コインサイズの基板にプロセッサ、RFモジュール、電源管理をひとつに収めることが可能になる。ただし、その代償として、配線密度が高まるとインピーダンス制御、熱管理、ビア信頼性のすべてが厳しくなる。

HDI基板の主な用途

HDI基板は以下のような用途で標準的に使用されている。

• スマートフォン、タブレット、ウェアラブルデバイス

• 医療機器——埋め込み型機器や診断機器を含む

• 車載電子機器——ADASモジュールやインフォテインメントシステムなど

• 航空宇宙および防衛システム——軽量で高信頼性の基板を必要とする

• 5Gインフラおよび高速ネットワーキング機器

• IoTデバイスおよびその他のコンパクトなバッテリー駆動電子機器

標準多層 vs HDI：実際の違い

指定前に理解すべきマイクロビア構造

すべてのHDIが同じHDIではない。ビルドアップ構造は通常、コアの両側に何層のレーザー穴あけ層があるかによって記述され、1+N+1のような比率で表記される。

HDI基板の設計考慮点

1. スタックアップ計画：設計が単純な1+N+1ビルドアップで十分か、より複雑なAny-layer構造が必要かを早期に決定する。層数、インピーダンス要件、ビア構造はすべてコストと製造可能性に影響するため、回路図を確定する前にメーカーとスタックアップオプションを検討する価値がある。

2. マイクロビアタイプとビアインパッド：積層、千鳥、スキップビアのいずれかを配線密度と信頼性要件に基づいて選択する。ファインピッチBGAで一般的なビアインパッド設計では、通常、平坦でメッキ可能な表面を維持するためにビア充填とキャップが必要であり、メーカーの能力として確認すべきプロセスである。

3. 配線幅と間隔：HDI基板は一般的に3〜4ミル範囲以下の配線幅と間隔を使用する。メーカーの最小フィーチャサイズと歩留まりへの影響を確認する。メーカーの実証済みプロセスウィンドウを下回ると、欠陥とコストが増加する可能性がある。

4. 材料選定：高速設計では低損失ラミネートが必要になる場合があり、厳しい熱要件のある基板ではより高い熱伝導率または高いガラス転移温度（Tg）の材料が必要になる場合がある。材料選定はエンドアプリケーションの電気的・機械的要求に合わせる必要がある。

5. DFMとテスト：HDIプロセスは従来のPCB製造よりも設計エラーに対して寛容でないため、生産前の徹底的なDFMチェックが重要である。DFMフィードバック、AOI、電気テストをHDI製造サービスの標準部分として提供する製造パートナーを探す。

PCBgogoを選ぶ理由

HDIを正しく行うには、厳格なプロセス管理、最新のレーザー穴あけおよびメッキ装置、密度・歩留まり・コストのトレードオフを理解するエンジニアが必要である。PCBgogoは、1+N+1、2+N+2、Any-layerビルドを含む高度なスタックアップ、ファインピッチBGAおよびCSP設計に対応するファインラインおよびマイクロビア能力、製造前の無料DFMレビュー、全注文に対するAOI/電気テスト/品質文書、迅速な納期オプションを提供する。

コンパクトなウェアラブル、高速ネットワーキング基板、またはミッションクリティカルな医療機器を開発している場合でも、PCBgogoのHDI基板製造サービスは、設計から信頼性の高いテスト済みハードウェアへと自信を持って移行できるよう構築されている。

FAQ

本当のHDI作業のためにメーカーがサポートすべき最小ビアサイズは？

直径0.1mm（4ミル）以下のレーザー穴あけマイクロビア能力を探す。工場の最小値が0.15mm以上であれば、真のファインピッチHDIではなく「HDI準拠」の能力を提供している。

1+N+1 vs 2+N+2、実際に必要なビルドアップ層数は？

最も高密度の部品が単一の0.4mmピッチBGAであれば、1+N+1で通常十分である。複数のファインピッチ部品や複数層に配線するRFセクションがある場合、通常2+N+2またはAny-layer HDIが必要になる。設計が実際に必要とする以上の層数にすると、配線上のメリットなしにコストと積層サイクルが増加するだけである。

低ロット試作にHDIは価値がありますか？

設計が標準基板では達成できないファインピッチ配線を真に必要とする場合、数量に関係なく避けられない。HDIが単に基板サイズを縮小するために検討されている場合で、設計が標準多層基板でも配線可能であれば、まず標準基板で試作し、生産フォームファクタのためにHDIを取っておく。