パッドオン貫通VIA(樹脂埋め)とパッドオンレーザーVIA(ビルドアップ)の
基板設計例をご紹介します。
1列目から3列目までの引き出し例です。
上図のように配線引き出しを行うのですが、配線幅・配線間隔（L/S)が
0.1mmを下回り、特にインピーダンスコントロールが必要な高速信号は
層数層構成にもよりますが、内層70μm程度と微細になる場合もあり
設計･製造の難易度が上がります。
基板設計時に基板工場と製造スペックの摺合せを行わないと、
基板製造出来ないデータを作成してしまうことになります。
パッドオン貫通VIA(樹脂埋め)、パッドオンレーザーVIA(ビルドアップ)、
どちらの工法を選択しても、狭ピッチBGAを採用する際は、基板設計メーカー、
基板工場との連携が不可欠です。
弊社で実績のある狭ピッチBGAは、0.65mmピッチ、0.5mmピッチ、0.4mmピッチ等です。
外側の1列目は部品搭載面から引き出す事が出来ますが、2列目より内側は工夫が必要です。
弊社での基板設計は下記を採用して設計しています。
1.パッドオン貫通ビア
2.パッドオンレーザービア(ビルドアップ基板)
共にBGA取り付けパッド部分に直接VIAを設け、内層で配線する工法です。
それぞれのメリットとデメリットを簡単にまとめると・・・
＜パッドオン貫通VIA(樹脂埋め)＞
＜図1 BGA部パッドオン貫通VIA例＞
メリット
●貫通穴を使用するため、通常の貫通基板と同様の基板設計を行うことが可能
●少量製造時はビルドアップ基板に比べ低コスト
●対応できる基板工場が(ビルドアップ基板に比べ)多い
デメリット
●樹脂による穴埋め・硬化・蓋メッキと工数が増えるため、量産に向かない
＜パッドオンレーザーVIA＞
＜図2 BGA部ビルドアップVIA(フィルドビア)例＞
メリット
●レーザーVIAを用いるため、設備があれば量産対応ができる
デメリット
●フィルドVIAを用いたり、ビルドVIAの垂直スタック等、高コストになる
●対応できる工場が少ない
個人的には「パッドオン貫通ビア」の方が基板設計がしやすいと感じています。
「パッドオンレーザービア」によるビルドアップ基板では、多段ビルドによる
層間VIAの組み合わせや、ビルドVIAの垂直スタックを採用できない場合など、
基板設計の難易度も上がる傾向が高いと感じています。
つづく
今回は狭ピッチBGAの基板設計について紹介します。
一般的なBGAパッケージのボールピッチは 1.27mm、1mm、0.8mm等があります。
DDR3やDDR4等のパッケージは規格でボールピッチが0.8mmになっています。
通常のBGAでは参考図のようにパッド間への配線や、パッド間にVIAを設けることが可能です。
参考図(1mmピッチBGA 配線引き出し部)
製品自体の軽薄短小化に伴い、BGAも小型化され、ボールピッチの狭い部品が存在します。
狭ピッチのBGAは、参考図のようにパッド間の配線やVIAを設けることができませんので
基板設計での工夫が必要となります。そのあたりを次回Blogで紹介します。
つづく
さて試作した結果は・・・結果からいうと失敗でした。
多層化に加え、インピーダンスコントロールの為に
層間厚を厚くし過ぎた為、屈曲性が損なわれるほど
板厚が厚くなっていました。
曲がるのですが、弾性が高くバネのように戻ってしまったのです。
いくら極薄多層板といえど、限度がありました。
・屈曲部の層数を減らす
・屈曲部の幅を最小限にする
・層間厚を見直す
などと言った見直しを行い基板を再作成したところ、
十分な屈曲性が得られ満足のいく製品となりました。
基板設計だけでなく製造・実装さらには基材に関する
知識の重要性に改めて気付かされました。
興味があれば是非お問い合わせください。
@kitaoka
採用に至った基材「MCF-5000I」ですが、メリット・デメリットを簡単にまとめます。
メリット
・リジッド部とフレキ部に同じ基材を用いる為、膨張係数が同じである為、VIAの信頼性が高い
・屈曲部の層数を増やすことが可能
・比誘電率/誘電正接ともに低く、高周波特性に優れている
・多層化できることから、インピーダンスの不連続も防止できる
デメリット
・薄い為にV-Cutによる基板加工が出来ない
・屈曲部が有る為、実装しにくい
・通常のリジッド基板と比べコストが高い
などです。
デメリット部については実装工場と連携し、外形加工方法を
工夫することで、実装時の問題点を回避しました。
コストについてはメリットが大きいことから了承頂きました。
基板設計については屈曲部で考慮する点がいくつかありましたが、
ノウハウとなるので今回は秘密です ^^;
つづく。
また、新たな問題点のひとつとして、本基板ではインピーダンス制御が
必要な信号を多用しておりました。一般的なリジッドフレキ基板は、
リジッド部にガラスエポキシ材を、フレキ部には両面のポリイミド材を
使用します。熱膨張係数の異なる基材であることからスルーホールの
信頼性が劣ることに加え、インピーダンスの不連続も考えられます。
フレキ部については、一般的に片面をGNDのメッシュ構造とすることで
屈曲性を保ったままインピーダンスコントロールも可能ですが、今回の
基板では高速伝送の信号に加え、電源を複数配線する必要もあり、4層以上の
配線層確保が必要となりました。多層化することで通常フレキ材の場合は
屈曲性が損なわれるというデメリットがあり、こういった懸念事項を
あげたところ、基板メーカーサイドから基材の提案がありました。
それが「MCF-5000I」という基材です。
全面ポリミド材で屈曲性に優れた「極薄多層板」というもので、特性も
調べたところ比誘電率、誘電正接は共に低く、高周波特性も満足できる
ものであり採用の方向となりました。
但し、コスト面では量産性に向いてない為、試作品限定といった感じかと。
つづく。
この記事の基板設計テーマは「超小型化」でした。
製品サイズは既にfixされ、条件緩和は無く、回路ボリュームも
サイズ感から、見るからにオーバースペックです。
リジッド基板では、基板を複数に分割しコネクタを利用して
スタックする必要があります。しかし、容積の問題とスタック用
コネクタ配置スペースの確保自体が難しい為、リジッドフレキ基板を
採用することになりました。
リジッドフレキ基板のメリットである
・屈曲性
・基板間のコネクタレス（コネクタ＋ケーブル）
を有効活用しました。
つづく
本題の前に、大きく分けて3つあるプリント基板の
種類について紹介します。
・リジッド基板
[固い]を表す[Rigid]から、柔軟性のない基材を
用いたプリント基板で、一般的に[基板]と言うと、
これを指します。
英語では[Rigid printed circuit (wiring) board]
となり、硬質が一般的な事からRigidは省略し、
頭文字を取って、[PCB]や[PWB]とも呼びます。
[Rigid]は[リジット]と表記されることもありますが、ここでは[リジッド]と表記します。
・フレキシブル基板
[柔軟]を表す[Flexible]から、柔軟性のある基材を用いたプリント基板で、折り曲げが可能です。
一般的に[フレキ]と言うのは、ここからです。
英語では[Flexible printed circuit board]となり、頭文字を取って[FPC]とも呼びます。
・リジッドフレキシブル基板
[固い]部分と[柔軟な]部分を併せ持つプリント基板で、[リジッドフレキ]や[フレキシブルリジッド]とも呼びます。
つづく
@kitaoka
今回は、リジッドフレキ基板の設計事例を紹介します。
最初に、リジッドフレキ基板（リジッドFPC）とは、
部品実装性に優れたリジッド部と、屈曲性のあるフレキ部が
一体になったもので、基板同士を接続するコネクタが不要に
なる事から製品間を繋ぐ可動部への使用や、コネクタ同士の
スタックがない事から、屈曲性を利用し制限のある製品内にも
押し込める！？といった利点のある優れた基板です。
紹介する基板は、小さい製品に組み込む基板で、
当初は、一般的なリジッドフレキ基板で検討しましたが、
フレキ部の配線数が多く、インピーダンスコントロールも
必要で、多層化した場合の機械特性（屈曲性、柔軟性）と
伝送特性に懸念がありました。
このため、基材から検討したところ、「MCF-5000I」という
通常とは異なる、今回の条件に適した基材を見つけました。
つづく
＠h.matsui
少し間があきましたが、バックドリルの概要について
ご紹介させて頂きました。
基板設計時の苦労話としましては、今回のバックドリル
使用箇所は0.8mmピッチのBGA内ということもあり
前述の通り対象ビアのクリアランスが大きく
ネガ層の電源、GNDが分断されて電源プレーンの確保や取り回し
リターンパス用のGNDを設けるのに非常に苦労しました。
また、基板工場におきましても、ディジタル信号の高速化に伴い
数年前までは考えられなかった多様な加工技術を有しており
机上の計算からものづくりへのプロセスにおいての
ご苦労を垣間見ました。
最後に、今後もI/Fの高速化が進む中で、ユーザーと製造メーカー
そして私たち基板設計メーカーで、より連携を図る必要があると感じました。
もちろんこのボードはバッチリでしたよ (^^)
@h.matsui
