壊れたスマートフォンやスマートウォッチのケースを開けたことはありますか？もしあるなら、そんな小さなデバイスの中に小さな回路が詰め込まれていることにきっと慣れているでしょう。様々な電子部品は日々小型化しています。しかし、これらのデバイスの性能は劇的に向上しています。この変化は、マイクロビアPCBによってもたらされました。
この有益な記事では、マイクロビアPCBの設計とコストの考慮について学びます。さらに、その課題についても解説します。では、マイクロビアPCBとは何か、そしてなぜコスト効率が良いのかを見ていきましょう。
マイクロビアとは何か PCB ?
すべてのPCBには、小さな穴が開いたパッドが積み重ねられています。これらの穴は、電流を流すために互いに何らかの電気的接続を形成しています。これらの導電性の穴はビアと呼ばれます。
特定の製品、特にコンピューティング業界や通信業界で使用される製品には、ビアを備えた特殊なタイプのPCBが必要です。このようなPCBは、機能性を高めるために、非常に小さなビアを備えた高密度層を多数備えています。
マイクロビア PCB には 3 つの主要部分があります。
- 貫通穴: これらのマイクロビアは回路基板のすべての層を貫通します。
- 埋め込みビア: このようなマイクロビアは基板の中間層に存在し、外部への出口がありません。
- ブラインド ビア: これらのマイクロビアは回路基板全体を貫通するわけではありませんが、外部層と基板の少なくとも1つの層を接続します。
ミコルビアPCBの設計上の考慮事項
マイクロビアPCB設計は、従来のPCBと比較して、配線とパッドの密度が最も高く、さらにスペースとトレース幅も狭くなっています。
マイクロビアPCBのサイズは非常に小さいため、非常にコンパクトな設計を実現できます。さらに、これらのビアは最大約100マイクロメートルのドリル穴深さまで使用できます。マイクロビアPCBにはレーザードリルを使用する必要があります。バレルが短いため、様々な拡張による問題が発生することはありません。そのため、この技術はスルーホールビアに比べて信頼性が高いと言えます。
複雑な回路基板について言えば、様々な専門家がマイクロビアソリューションを強く推奨しています。マイクロビアによって発生するディンプルは、何らかの理由でボイドの発生リスクを高めます。しかし、適切なはんだ付け条件を使用することで、ディンプルの発生は容易に抑制できます。さらに、マイクロビア充填工程を追加することで、ディンプルの発生リスクを軽減できます。ただし、この場合は追加費用がかかります。
0.65マイクロメートルピッチのBGAには、マイクロビアが非常に適しています。BGAのトラック幅を90マイクロメートルまで狭める必要があるかもしれません。あるいは、それよりも狭くする必要があるかもしれません。
さらに、BGA 0.50マイクロメートルピッチではマイクロビアPCBも必要になります。マイクロビアのパッドサイズを75マイクロメートルまで縮小する必要がある場合もあります。
マイクロビアPCBのコスト考慮
マイクロビアは非常に小さく、高密度層間の接続に使用されます。IPC規格では、これらのビアの直径は150マイクロメートル以下にする必要があります。マイクロビアPCBは、コンパクトな回路基板の作成に非常に役立ちます。しかし、これらの基板は、複雑な回路とコンパクトな設計のため、いくつかの理由から非常に高価です。さらに、製造には複雑なビルドアッププロセスが必要です。
しかし、マイクロビアを使用することで回路基板のコストを削減できる状況はいくつかあります。ここでは、全体的な製造コストを削減できるいくつかの簡単なシナリオをご紹介します。
- 層数を減らしてコストを削減
設計でスルーホールビアを使用していますか？また、BGAのトレースエスケープがスムーズに動作しない場合は、ブラインドビアやマイクロビアを使用して、内層と下層のブレークアウトチャネルを拡張することを検討してください。
- 電気層を排除
マイクロビアは最小サイズであるため、配線チャネルを最大限に活用するのに非常に役立ちます。スルーホールビアの代わりにマイクロビアを導入することで電気層を削減すれば、プリント基板のコストを削減できます。つまり、スルーホールビアをマイクロビアに置き換えることで層数を削減できます。つまり、回路基板の層数が減れば、コストも削減できるということです。
マイクロビアPCB製造の課題
マイクロビアの製造プロセスには様々な課題が伴います。これらの課題への対応を誤ると、ICD（相互接続欠陥）や欠陥が発生する可能性があります。ICDとは相互接続欠陥の略で、内部の銅層付近で発生します。ICDは、断線や信頼性の問題など、様々な問題を引き起こす可能性があります。さらに、高温下で断続的な問題が発生し、回路が故障する可能性もあります。
ICDの検出は困難なプロセスです。テスト工程では正常に動作するため、組み立て中や使用後に問題が見つかる可能性があります。そのため、将来的に問題が発生するのを防ぐため、基板を慎重に製造することが非常に重要です。
デブリベースのICD
これはICDの一般的な種類の一つです。これは、接続穴に残骸が入り込み、内層銅に埋め込まれることで発生します。これは、穴あけ加工時に最も多く発生します。マイクロビアPCBはレーザーを用いて穴あけ加工されますが、レーザーは他の穴あけ加工に比べて残骸をほとんど発生させません。そのため、マイクロビアではICDが発生する可能性は低くなります。それでも、製造業者は注意を払うことが重要です。
ボイドと信頼性
マイクロビアの銅めっき工程で発生するその他の問題としては、ディンプル、不完全な充填、ボイドなどがあります。これらの欠陥や欠陥は信頼性の問題につながる可能性があります。銅の充填が不完全な場合、マイクロビア内の応力レベルが上昇し、疲労寿命が低下します。
マイクロビアへのボイドの影響は、ボイドの形状、位置、サイズなど、様々な特性によって異なります。例えば、小さく球状のボイドはマイクロビアの疲労寿命を延ばす可能性があります。一方、極端なボイド発生状況は、ビアの寿命を縮めます。
銅結合障害ICD
銅接合部の破損もICDの一般的な原因の一つです。これは、組み立て時や使用時に高い応力がかかることで発生することがあります。また、銅の接合が弱い場合にも発生することがあります。銅接合部が破損すると、相互接続に欠陥が生じます。この場合、銅接続部は物理的に切断されます。銅接合部が弱いと、接合部が破損する可能性が高くなります。
なぜ銅接合が不良になるのでしょうか？理由は様々です。例えば、多くのメーカーは厚いPCBと鉛フリーはんだ付け温度を採用しています。さらに、大きな穴やウェーブはんだ付けも銅接合不良の原因となる可能性があります。銅接合不良は、標準ビアやマイクロビアPCBの製造においてもよく見られる問題です。
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