めっきスルーホール向け高アスペクト比PCB製造

Highleap Electronicsは、厚みのある基板と比較的小さな穴径の穴を組み合わせた設計、または高度なスルーホールめっきを必要とする設計など、高アスペクト比のプリント基板製造に関するお問い合わせや見積もりを提供しています。以前のサプライヤーが基板の厚さ、穴径、めっきに関する懸念から設計を断った場合は、積層構造図とドリルテーブルをお送りいただければ、構造に特化したレビューを実施いたします。

高アスペクト比基板の見積もりを的確に行うには、基板の厚さ、ドリル径、仕上がり穴径、穴の種類、銅箔の必要量、および検査計画をすべて明確にする必要があります。アスペクト比の許容範囲は製造プロセスによって異なるため、一般的な最大値だけでは、すべての穴径、積層構成、および銅箔の必要量が実現可能であるとは限りません。Highleapは、適切な製造ルートを決定する前に、実際の構造を精査します。

高アスペクト比PCB製造とは何ですか？

多層基板には2種類の縦横比が存在し、これらを混同することは製造業者との間でよくある誤解の原因となっている。

スルーホールめっきの場合、公称アスペクト比は基板の厚さを仕上がり穴径で割って算出します。例えば、厚さ1.6mmの基板で仕上がり穴径が0.20mmの場合、公称アスペクト比は8:1となります。マイクロビアは形状とプロセスが異なるため、深さ対直径比は誘電体深さとビア径を用いて評価する必要があり、その限界値をスルーホールめっきの限界値と直接比較すべきではありません。

高アスペクト比基板の穴あけ加工と銅めっきにおける課題

比率が上昇するにつれて、3つの工程が劣化するが、それぞれ異なる物理的理由により劣化する。

• 掘削。 複合材積層板に長い穴を開けると、ドリルビットがずれて出口側からガラス繊維が引き抜かれ、典型的なバリが発生します。厚い材料に微細な穴を機械的に開ける場合、ドリル形状と装置がたわみなく保持できるアスペクト比によって制限されます。
• メッキ。 めっき浴は穴の壁面全体を濡らす必要があります。狭くて深い穴では、ビア底部での溶液交換が遅くなり、銅の分布が不均一になるため、ビア底部のビア銅の厚みが上部よりも薄くなることがあります。これが後に信頼性低下につながる欠陥です。
• 指定された場合に充填します。 充填処理はスルーホールめっきとは別の要件であり、独自の材料、ボイド、およびプロセス上の制約が生じます。適切な充填方法は、穴の形状と用途によって異なります。アスペクト比の高いめっきスルーホールはすべて充填処理が必要であると考えるべきではありません。

実際の限界値は単一の数値ではなく、穴径、基板厚、めっきの種類、ビアの充填の有無などによって異なります。製造業者は自社の製造工程における限界値を提示します。設計上重要な数値は、必要な穴径と基板厚の特定の組み合わせに対応する数値であり、一般的な能力リストから推測するのではなく、書面で確認する必要があります。

高アスペクト比PCBビアのめっき品質と信頼性

深ビア内部のめっき均一性は、見た目の問題ではなく、信頼性に関わる問題です。めっきビアは、穴が開いた銅製の筒状構造で、電気的および熱的な経路は筒の壁を通っています。筒の底部の壁が薄い場合、ビアの電流容量は設計上の想定よりも低くなり、抵抗値が高くなるため、負荷がかかった際に高温になります。

以下に3つの具体的な結果を示します。これらはあなたの失敗歴と照らし合わせて検討する価値があります。

• スタックの中央部分の電流容量を低くする。 設計上は十分に見える電源ビアでも、銅箔が最も薄い基板の中央部では熱的に制限される可能性がある。
• 欠陥箇所と相関しない相互接続ストレステストの失敗。 アンダープレーティングされたバレルは、表面からは見えないことが多い。見た目は完璧なビアで相互接続ストレステストに合格しない場合は、これが最初の原因として考えられる。
• 充填されたサーマルビアにおける熱性能の低下。 ビアが充填された状態で空隙が生じたり、めっき層が薄くなったりすると、本来の放熱経路が阻害されます。これは、基板の故障ではなく、サーモグラフィー画像上でホットスポットとして現れます。

めっき穴の品質に関する一般的な原則については、当社の「PCB信頼性に関する考察」で説明しており、バレルアンダーめっきを検出する具体的なテストについては、当社の「相互接続ストレステスト（IST）」で解説しています。結果を改善するには、多くの場合、当社の「PCB信頼性向上」で説明している設計とプロセスの選択が重要になります。

高アスペクト比スルーホール向けPCB積層設計

基板の厚みがビアのサイズに対して機械的に厚すぎる場合、4つの有効な解決策があります。それぞれにコストがかかり、どの制約が実際に存在するかによって最適な選択が決まります。

5つ目の選択肢として、多くの場合最も安価な方法があります。それは、アスペクト比が実際に制約条件となっているのか、それともその背後にあるめっき要件が制約条件となっているのかを確認することです。設計によっては、穴あけ加工ではなく、ビアを充填してめっきする必要があるため、穴あけ加工のみの場合よりも厳しい制約となる場合があります。関連するプロセスについては、「ビア充填と銅めっき」および「ブラインドビアと埋め込みビア」のページをご覧ください。

高アスペクト比スルーホールとHDIマイクロビアの比較

積層基板の場合、制限要因となるのは通常、スルーホールではなくマイクロビアです。マイクロビアは、片面から積層板にドリルで開けられ、メッキ処理と充填処理が必要となりますが、その直径は機械式ドリルで加工できる直径よりもはるかに小さいため、マイクロビアは微細な形状になります。

マイクロビアスタックは、そのアスペクト比から想像されるよりも製造が困難な要因が2つあります。1つ目は、マイクロビアがブラインド構造であるため、めっきは両端が開いているのではなく、固体材料で終わる壁面に沿って均一に行われなければならず、バレルの底部はめっきボイドが発生しやすい場所です。2つ目は、マイクロビアスタックは、ビア径に対して層あたりの銅重量が高いビルドアップ構造の上に構築されることです。

実用的なルールとして、マイクロビアスタックは2層または3層が一般的であり、層数を増やすごとにラミネーション工程とめっき工程がそれぞれ追加され、歩留まりリスクも伴います。配線面積を節約するために深いスタックが必要な場合は、層数と配線要件を直接比較検討することが重要です。両者はトレードオフの関係にあることが多いためです。設計上のトレードオフについては、当社のHDIスタックアップ設計と、 HDI基板のシーケンシャルラミネーションにおける製造手順をそれぞれ示しています。

小さなドリル穴を用いた厚板基板の製造

厚みのある基板に大量の銅箔を貼る場合、アスペクト比の問題と熱問題が互いに重なり合い、サプライヤー間の価格差が最も大きくなる傾向があります。

その理由は、バレルに厚めの銅をめっきする必要があり、深い穴に厚めの銅をめっきするのは、標準の銅をめっきするよりもはるかに難しいからです。めっき時間が長くなり、めっき液の化学組成もより厳しくなり、めっきの空隙や底面の薄さのリスクが高まります。3.2 mm厚の基板に4オンスの銅をめっきする場合、優れた仕上がりと平凡な仕上がりの違いは、設計者の仕様よりも、めっきサイクルの管理にあることが多いのです。

難易度を軽減する3つの設計上の対策：

• フットプリントが許容する最大のビア径を使用してください 最小のものよりも大きい。電源基板の場合、環状リングの必要サイズはドリル径に比例するため、通常は余裕がある。
• 熱伝導経路で必要とされる場合を除き、電源ビアを充填しないでください。 充填によって、高比率では困難な流れ工程が加わり、また、バレルを目視で検査することもできなくなります。樹脂で塞がれた、または充填されていないめっきビアは、内部に空隙のある銅充填ビアよりも多くの電流を流します。
• 銅の重量を全体的に均一に保つ 1つの積層構造に重い層と軽い層を混ぜるのではなく、銅の重量が変わるたびに、それぞれ異なる厚さ公差を持つ別のめっき工程が必要になるため、この方法を採用する。

バックドリル加工は、高速設計においてブラインドビアによって生じたスタブに対する標準的な解決策であり、当社のPCBバックドリル加工に関する記事で解説しています。バックドリル加工自体は穴の裏側から材料を除去するため、有効バレル長がわずかに短くなります。そのため、後から別途考慮するのではなく、深さの仕様に含める必要があります。

高アスペクト比スルーホールめっき用PCB材料

厚みのある基板では、銅とラミネートの熱膨張率の差が大きくなる。これは、銅が基板の高さ方向により大きく移動するためである。紙の上で熱サイクルに耐えた基板でも、材料システムが適切に選択されていない場合、厚い銅部分と隣接するラミネートとの界面で破損する可能性がある。

関連する選択肢は以下のとおりです。

• Tg ガラス転移温度（Tg）は、樹脂が軟化し始める温度です。組み立て時にハンダ付けのリフローが発生する基板や、使用中に高温環境にさらされる基板は、この温度を十分に上回るTg値が必要です。
• Td は分解温度であり、厚銅板の場合、Tgよりも意味のある数値です。なぜなら、プレスサイクル中に材料が保持する余裕を示すからです。
• CTE、特に厚さ方向のCTEは、温度変化に伴う基板のたわみ具合を決定するパラメータです。厚い基板の場合、銅とよく一致する面外方向の熱膨張係数（CTE）を持つことで、剥離が始まる界面の応力が軽減されます。
• CAF耐性 基板が湿度の高い高電圧環境で使用される場合は、導電性フィラメントが積層板によって隔てられたビアとグランドプレーンの間に成長するため、この点が重要になります。

これらの要件を満たす材料の選定については、高Tg PCB材料のページ、より詳細な比較についてはPCB材料選定ガイド、湿度関連の故障モードについてはCAF耐性材料のページをご覧ください。厚板における熱サイクルによる故障も、最終検査で基板が不合格となる一般的な理由の一つであり、これについてはPCB剥離のページで説明しています。

高アスペクト比PCBのスルーホールめっきのテスト

高アスペクト比のシステム構築においては、検証計画は構築そのものと同じくらい重要です。検証計画とは、このプロセスで発生する欠陥を発見するための手法であり、それぞれに明確な目的があります。

最後の列の区別は、2つの見積もりを比較する際に重要になります。X線検査のみを記載した見積もりでは、基板の品質は示されていません。一方、定義されたサンプルプラン上の微細断面を明記した見積もりでは、比率がどのように検証されるかが示されています。より広い視野で知りたい場合は、当社のPCBテスト方法の比較記事で、各テスト方法とその用途について解説しています。また、穴あけ加工については、当社のレーザー穴あけPCBガイドをご覧ください。

高アスペクト比PCBの見積もり要件：基板の厚さとドリルサイズ

高アスペクト比基板の見積もりは、実際の形状に基づいて見積もられた場合にのみ意味を持ちます。以下の4つの情報があれば、ほぼすべての曖昧さが解消されます。

• 基板の厚さと層数積み重ね図は、銅の重量が変化する箇所を示しています。
• ドリルファイル少なくとも、最小および最大の穴径と貫通穴径が必要です。これは加工業者にとって最も有用なファイルであり、見積もり前にこのファイルを要求する加工業者は、実際の加工工程に基づいて見積もりを行うつもりであることを示しています。
• ビアが充填されているかどうかそして、何で。充填されたビアは、充填されていないビアよりもアスペクト比の制限が低くなります。
• 検証要件なぜなら、断面検査や応力試験は、後から判明するのではなく、見積もりに含めるべきコストと時間を追加するからである。

以前のサプライヤーが製造を断った場合は、その旨と、彼らが何に反対したかをRFQに明記しておくべきです。反対理由がアスペクト比の制限であれば、それは製造工程で検討すべき事項であり、解決策があるかもしれません。価格が反対理由であれば、それについても回答可能です。しかし、製造工程に合わせて形状をこっそり変更するような製造は、回答不可能です。そのため、基板の外形寸法よりも、積層構造やドリルファイルが重要になるのです。

厚板・小穴対応の高アスペクト比プリント基板メーカー

Highleapは、スルーホールめっきの形状、銅の要件、および選択されたラミネート材を総合的に評価する必要がある高アスペクト比PCB製造プロジェクトをレビューできます。高アスペクト比PCBメーカーを探している購入者にとって、有用な比較対象は、サプライヤーが特定の基板厚と穴径の組み合わせに対応し、完成した穴壁構造を検証できるかどうかであり、単に「高アスペクト比」が機能ページに記載されているかどうかではありません。

厚みのある基板に小さなドリル穴を設ける場合は、基板の厚さ、ドリル径、仕上がり穴径、穴数、銅箔重量、層数、積層材、および適用される受入基準を明記してください。購入仕様書にマイクロセクション、相互接続ストレス試験、その他の信頼性要件が含まれている場合は、それらも記載してください。これらの要件は、工程計画、試験範囲、納期、および見積もりに影響を与える可能性があります。

設計にブラインドビアや埋め込みビアが含まれる場合は、HighleapのHDI PCB製造サービスを通じて、全体のビルドアップを確認してください。信頼性が重視されるプロジェクトの場合は、関連する相互接続ストレス試験とPCBの信頼性要件をRFQに明記する必要があります。PCB見積もり依頼を通じて、すべてのパッケージを提出してください。

• 見積もりパッケージ： ドリルファイル、スタックアップ、基板厚、ドリル加工および仕上げ加工後の穴寸法、穴壁の銅含有量要件、品質クラス、および必要な信頼性試験。

高アスペクト比PCB製造に関するよくある質問

標準的な多層基板では、どのようなアスペクト比の基板を構築できますか？

穴の直径やビアを埋める必要があるかどうかによって異なりますが、正直なところ、加工業者は一般的な能力値ではなく、お客様の具体的な組み合わせに基づいて限界値を見積もるべきです。通常、最小のスルーホールと最小のブラインドビアの数値は異なるため、それぞれについて個別に限界値を問い合わせるのが現実的なアプローチです。

厚い基板には必ず厚いビアが必要なのでしょうか？

比率は上がりますが、解決策はビアを大きくすることではありません。ブラインドビアや埋め込みビアは実効的な深さを減らし、基板をサブスタックに分割することで厚みの問題は完全に解消されます。ここで問うべきは、配線密度、電流容量、機械的剛性のうち、どれが真の制約なのかということです。

高アスペクト比の基板に銅ペーストを充填することは可能ですか？

はい、しかし、ペーストが空隙を残さずにバレルの深さ全体に流れ込む必要があるため、比率の限界は未充填ビアの場合よりも低くなります。深いバレル内の空隙は後から検出するのが非常に困難です。熱経路に充填が不要な場合は、未充填のめっきビアの方が信頼性の高い選択肢となることがよくあります。

アスペクト比はリードタイムに影響しますか？

確かに可能です。穴あけ加工が難しいため、1回の穴あけサイクルで製造できる基板の枚数が制限されます。また、深いドラム缶に銅を流し込むと、めっきサイクルが長くなります。これらは、製造業者の生産能力における現実的な制約であり、同じ価格でより遅い工程を提示するための言い訳ではありません。

既存のデザインを再構築して、アスペクト比を下げることは可能でしょうか？

多くの場合、そうです。スルーホールをブラインドビアに変更したり、最小ビア径を大きくしたり、配線層を基板の反対側に移動したりすることは、いずれも標準的な調整方法です。ギリギリの仕様で製造に着手する前に、製造業者にスタックアップを確認してもらう価値はあります。修正は通常わずかで済み、修正を見落とした場合の損失はパネルの廃棄につながるからです。