PCBレイヤ管理でHDIスタックアップをプランニングする

高密度に配線された青いPCB

高密度に配線された青いPCB

 

自慢するわけではありませんが、私はこのたびマイホームを購入しました。まもなく引越し作業を始めます。全てのものを箱に詰め、引越しの当日には工夫を凝らしてトラックにきっちり積み込む必要があります。何も破損することなく、前のアパートと新しい家との往復回数は最小限に抑えて引越したいと思っています。トラックに家族の持ち物を全て詰め込むところは、PCBで利用可能な限られた基板面積により多くの機能とコンポーネントを詰め込むイメージを連想させます。

いずれ基板サイズを増やさずにPCBに機能を詰め込み続ける必要に迫られたとき、それを可能にする唯一の方法はHDI設計技術の使用です。この方法では、PCBに対し、ビアの慎重な使用、工夫を凝らした配線、レイヤスタックアップの方法が必要です。適切に行えば、レイヤスタックアップおよび配線は、シグナルインテグリティの維持とEMIによる障害の回避に役立ちます。

 

標準的なHDIスタックアップ方法

各HDIスタックアップの方法は、標準化されたデジグネータ付与を前提とします。最も単純なHDIスタックアップは「1+N+1」と呼ばれます。この配列では、トップレイヤとボトムレイヤは、高密度信号層として配列されます。信号層の間にある残りのNレイヤは、交流電源レイヤおよびGNDレイヤとして配列されます。信号層の下にGNDレイヤを配置すると、低インダクタンスの小さな電流ループが作られ、GNDプレーンが隣接することでEMIを低減することができます。

次の一般的なスタックアップ設計は「i+N+i」と呼ばれ、複数の信号層を使用した設計です。PCBの両サイドの最も外側のレイヤは高密度信号層として、内側のレイヤは電源レイヤまたはGNDレイヤとして設計されます。1+N+1スタックアップの場合と同様、電源とGNDの配列も、EMIを抑えながらGNDへの短経路を提供するように設計する必要があります。

最も複雑なHDIスタックアップ配列は、「any layer」と呼ばれます。このスタックアップ配列では、任意のレイヤへの高密度配線が可能で、各レイヤ間にビアを配置する必要があります。この配列は、スルーホール、ブラインド、ベリードの各ビアを組み合わせて使用する必要があります。このスタックアップ方法は、CPUやFPGAなどのピン密度が高いデバイスの場合に信頼できる配列です。

 

BGAを含むHDIスタックアップ

フォームファクタが小さい基板を使って新しいFPGAを配置する場合は、HDIスタックアップおよび配線の技術が必要です。ピン密度が高いFPGAや同様のコンポーネントとの使用目的でBGAを組み込むと、「any layer」HDIスタックアップ方法に進む可能性が増えます。ピン密度が高いBGAは、エスケープ配線を処理するためにより高密度の接続が必要です。i+N+iおよびany layerのスタックアップは、ピン密度が高いコンポーネントのBGAと使用するのが最適です。

エスケープ配線は、マルチレイヤで単純な配線を行うことで簡単に作成できます。BGAのファンアウトとブレークアウトのためのレイヤ間の移動には、ファンアウトの方法に応じたビアの使用や配置が必要です。ドッグボーンファンアウトは一般に、BGAのピッチが粗い場合に使用されます。ピッチが細かくなってピン密度が高くなると、内側の信号層への接続を配線するためにマイクロビアインパッドを使用する必要があります。

 

PCB設計ソフトウェアを使用したBGA間の配線

PCB設計ソフトウェアを使用したBGA間の配線

 

HDI設計のビアと製造の難しさ

通常のPCBとHDI PCBを比較した場合、根本的な違いは、一般にHDI PCBは、スルーホールビアではなく、ブラインドビアとベリードビアを使ってレイヤを接続する点です。これは、複数の信号層を持つHDI基板では特に重要です。HDI PCBの信号線の間隔を非常に細かくするには、通常、ドリルで開けたビアではなくレーザーで開けたマイクロビアが必要です。

HDI基板のスペースを節約するには、ビアの直径を選んでそれを守ることです。HDI基板にスルーホールビアが含まれている場合、ビアメッキが難しくなる可能性があります。基板の厚みが増すと、ビアのアスペクト比も増します。メッキ液の濃度勾配により、ビアの中心に近いメッキが外側よりも薄くなるため、アスペクト比が大きくなると、スルーホールビアのメッキは難しくなります。

製造業者によっては、オシレーションまたはプレスにより、内側部分を改善できます。この方法では、メッキ液がより深くビアの細い部分まで達します。それにもかかわらず、場合によっては、内側のメッキは比較的薄いままになり、基板が過酷な環境で使用されるとメッキが割れやすくなります。このことから、HDIスタックアップでスルーホールビアの代わりにスタックビアを使用するメリットは無視できません。スルーホールビアを使用する必要がある場合は、可能かどうかを必ず製造業者に相談してください。

スルーホールビアに関する上記の問題を回避する1つの方法として、ベリードビアの上にスタックビアを使用するという選択肢があります。ベリードビアは、マルチレイヤに及ぶことができるので、アスペクト比が高いスルーホールビアよりも構造上の整合性が向上します。ブラインドビアは、最上位の信号層間を接続し、i+N+iのスタックアップの信号層間で、より小さいインピーダンスによる途切れを生じさせます。これにより、直径が小さく適度なアスペクト比のベリードビアを使用することができます。

 

PCB製造プロセス

PCB製造プロセス

 

ベリードビアとブラインドビアを併用した別の方法として、「スタッガードビア」の作成があります。この構造は、ベリードビアの各端部でブラインドビアを接続しますが、ブラインドビアは、ベリードビアからある程度オフセットされます。隣接するレイヤのブラインドビアも、相互にオフセットされます。この配置により形状が階段状になり、単純にスタックされたビア構造に比べてより柔軟な配線が可能になります。

PCB設計ソフトウェアは、特殊なツールを使用しなくてもPCBのスタックアップを定義できるべきです。Altium Designer の高度なCAD、レイアウト、およびシミュレーションのツールを使用すれば、レイヤスタックアップを簡単に定義できます。無償評価版をダウンロードして、Altium Designerがご自分に適しているかどうかをぜひご確認ください。

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