12層基板の用途：12層を選択するタイミング

12層基板は、高密度な部品配置、複数のインターフェース、および電源分配のニーズを満たす必要がある用途でよく用いられます。12層基板は、より少ない層数の構造では基板内外の配線、リターンパス、または電源整合性の要件を満たせない場合に有効な選択肢となります。最終的な選択は、パッケージ、ビア構造、材料、および製造上の制約によって決まります。12層基板を採用したからといって、必ずしもHDI（高次元データインターフェース）が不要になるわけではありません。

このページでは、あなたの設計がそのグループに属するかどうかを判断するのに役立ちます。12層基板を一般的に使用する製品、設計を12層基板へと導く要因、そして層数を決定する際の考慮事項を一覧で示しています。これらの基板の製造方法とコストについては、12層基板製造に関するページで詳しく解説しています。

12層基板を一般的に使用する製品

層数は、製品の密度と速度に応じて決まり、業界によって決まるわけではありません。医療機器のシンプルなコントローラは4層基板である一方、同じ建物内の小型ネットワークカードは12層基板である場合があります。以下の例は評価の出発点であり、業界固有の層数要件ではありません。

Highleapは、通信機器、医療機器、車載エレクトロニクス、産業制御システムなど、これらの各市場向けに基板を製造しています。製造要件はどの市場においても共通ですが、異なるのは受入基準と最終顧客が求めるドキュメントです。

消費者向け製品には12層基板が使用されていますか？

はい。一部のコンピューティング機器、ゲーム機器、ネットワーク機器、小型民生機器では、12層以上の層構造が採用されています。スマートフォンや薄型マザーボードでは、HDIマイクロビアを用いて多数の層構造を組み合わせる場合があります。層数とビア技術はそれぞれ独立した設計上の選択肢であり、どちらも民生機器のカテゴリーによって固定されるものではありません。

航空宇宙・防衛関連の委員会についてはどうでしょうか？

これらの製品は12層以上の積層構造になることが多いですが、積層数自体は問題ではありません。問題となるのは、ドキュメント作成、材料のトレーサビリティ、そしてプログラムが要求する受入基準です。もし貴社の基板がこのカテゴリーに該当する場合は、ファイルを送付する際に満たすべき基準をお知らせください。なぜなら、積層構造よりも、その基準によって見積もり額が大きく左右されるからです。航空宇宙・防衛プログラム向けの当社の業務範囲は、このように設定されています。

設計を12層にまで拡張する信号とコネクタ

基板が12層になるのは、製品カテゴリーが先進的だからではなく、特定の配線上の問題が原因です。私たちが目にするほとんどのケースは、以下の4つの状況によって説明できます。

これらの問題はいずれも8層または10層で解決できます。しかし、固定された基板外形内で2つ以上の問題を組み合わせる場合、12層が実用的な解決策となります。高速配線の実践については、当社の高速PCBガイドで解説しており、 AIサーバープラットフォーム向けに構築された基板は、このロジックがより多くの層数でどのような結果をもたらすかを示しています。

より高速なインターフェースには、必ずしもより多くのレイヤーが必要なのでしょうか？

いいえ。シンプルな基板上に高速リンクが1つあるだけで、12層もの基板を正当化することはできません。重要なのは、そのようなリンクを同時にいくつ配線する必要があるか、そしてそれぞれのリンクが途切れることのない参照プレーンを維持できるかどうかです。クリーンなリターンパスを持つ10Gbpsリンクを1つ構築する方が、分割されたプレーンを横切る1Gbpsリンクを8つ構築するよりも容易です。

8層、10層、12層、16層の中からどれを選ぶか

高速信号すべてに基準面を与えつつ、基板の配線も可能な最小限の層数を選択してください。層数を増やすと、どの基板を製造してもコストがかかるため、目標は最も高性能な積層構造ではなく、電気的要件を満たす最小の積層構造にすることです。

見落とされがちなもう一つの選択肢があります。層数を増やす代わりに、マイクロビアを用いたHDI構造を採用することで、BGA下の配線スペースを確保し、10層構成を維持する設計もあります。これは層数コストと積層コストのトレードオフであり、どちらが有利かは基板によって異なります。経験則ではなく具体的​​な数値を知りたい場合は、外形、パッケージおよびインターフェースの要件、候補となる積層構成、利用可能なレイアウトデータを送付してください。そうすれば、代替案を比較検討し、同等の基準で見積もりを提供できます。

レイアウトを10レイヤーで開始して、後からレイヤーを追加することはできますか？

可能ですが、後から行うとコストがかさみます。層を追加すると、全体の厚みが維持されていても誘電体の間隔や基準割り当てが変わる可能性があるため、インピーダンス制御ジオメトリと配線を再検証する必要があります。設計で12層が必要になる可能性が高い場合は、レイアウトをその層数から開始してください。層を削除する場合も、スタックアップと信号完全性のレビューが必要です。どちらの変更も、単純な機械的編集として扱うべきではありません。

12層構造を採用する際に重要となる設計ルール

層数が確定したら、基板が綺麗に製造できるかどうかは3つの決定事項によって決まります。これらの決定事項は、レイアウト作業がかなり進む前に決めておくことが重要です。なぜなら、後から変更するとそれぞれコストがかかるからです。

• 積み重ねは左右対称にしてください。 銅と樹脂はボードの中心を中心として鏡像関係にあるべきです。12層の積層構造が不均衡だと、積層後に反りやねじれが発生するリスクが高まり、反ったボードは組み立てが難しく、現場で故障する可能性があります。 スタックアップガイド バランスの取れた配置を示しています。
• すべての高速信号に基準面を与える。 高速配線は、途切れのないグランドプレーンまたは電源プレーンに隣接する層に配線し、そのプレーンの分割部分を横切らないようにしてください。これは、4層の場合よりも12層の場合の方が重要です。なぜなら、12層では配線ミスが発生する可能性が高くなるからです。
• ビアのサイズは基板の厚さに合わせて決定してください。 12層基板は通常1.6mm以上の厚さになるため、最小スルーホール径は製造業者のアスペクト比内に収まるようにする必要があります。BGAピッチを決定する前に、ビアのサイズを計画しておきましょう。

レイアウトに関するその他のルールは、他の多層基板と同様です。12層になると、ミスが積層の中央部分に埋もれてしまい、修正が不可能になるという点が異なります。設計段階で製造上の制約を早期にチェックすることが最も安価な保険であり、それが当社のDFMレビューの目的です。

12層基板の設計は自分でするべきか、それとも製造業者に積層構造を依頼するべきか？

積層構成を依頼し、それに基づいて設計してください。製造業者は、どのコア材とプリプレグ材の厚みが在庫にあるか、またどの構造が特殊な材料を使わずにインピーダンスを維持できるかを把握しています。実際に製造可能な積層構成に基づいて設計することで、見積もり構造がお客様のCADツール上の構造と異なる場合に発生する再設計を回避できます。必要な層数と目標インピーダンスをお送りいただければ、最適な構成をご提案いたします。