電子機器の中核アーキテクチャにおいて、PCBは複雑なニューラルネットワークのように、電子部品間の信号伝送と電力供給を担っています。電子技術の急速な小型化・高性能化に伴い、より高度なPCBであるHDI基板が登場しました。HDI基板は多くの点で一般的なPCBとは大きく異なり、電子機器の性能と発展の方向性に大きな影響を与えています。
定義と構造の違い
一般的なPCBは、絶縁基板上に所定の設計に従って点対点接続と印刷部品を形成したプリント基板です。構造は比較的単純で、一般的には銅張板に穴あけ、回路エッチング、電気めっきなどの工程を経て製造されます。回路レイアウトやビアの設定は比較的従来通りであり、大きなスペースや性能を必要としない電子機器に適しています。
HDIボードは高密度相互接続を重視しており、マイクロホール技術やレーザードリリングなどの高度な手段を用いて、より狭いスペースでより多くの電気接続を実現します。HDIボードは通常、基板が薄く、回路が微細で、層数も比較的多くなっています。限られたスペースにより多くの機能を統合できるため、電子機器の集積度が大幅に向上します。
生産プロセスの比較
掘削プロセス
一般的なPCBの穴あけ加工では、主に機械式ドリル方式が採用されており、ドリルビットが銅張基板上で回転することで必要な穴径を加工します。この方法はコストが低いものの、穴径が比較的大きく、一般的に0.3mmを超えるため、多層基板の高精度穴あけ加工では誤差が生じやすいという欠点があります。
HDI基板では、レーザードリリング技術が広く採用されています。高エネルギー密度のレーザービームを用いて基板を瞬時に溶融または気化させることで微細な穴を形成し、その穴径は0.1mm以下まで小さくすることができます。レーザードリリングは非常に高い精度を誇り、止まり穴（外層と内層のみを接続する）や埋没穴（内層と内層を接続する）といった特殊な穴形状を実現できるため、配線接続の柔軟性と密度が大幅に向上します。
ラインエッチングプロセス
一般的なPCBの配線をエッチングする場合、線幅と線間隔の制御範囲は限られており、線幅／線間隔は一般的に0.2mm／0.2mm程度です。エッチング工程では、線エッジの荒れや線ムラなどの問題が発生しやすく、信号伝送品質に影響を与えます。
HDI基板の製造には、極めて高い回路エッチング精度が求められます。先進的なHDI基板製造ラインでは、最小0.05mm/0.05mm、あるいはそれ以下の微細な線幅/線間隔を実現できます。さらに高度な露光装置とエッチングプロセスを用いることで、配線エッジの平坦性と線幅の均一性を確保し、高速・高周波信号伝送における厳しい配線品質要件を満たします。
ラミネート加工
一般的なPCBの積層工程は、主に複数の銅張基板を熱圧着により接合することで、層間の基本的な接続強度を確保することに重点が置かれています。積層工程における層間アライメント精度に対する要求は比較的低くなっています。
HDI基板は層数が多く構造が複雑なため、積層工程の要件は非常に厳格です。層を密着させるだけでなく、微細な穴と回路間の正確な接続を実現するために、高精度な層間アライメントを確保する必要があります。積層工程では、温度、圧力、時間などのパラメータを精密に制御することで、層間のずれや気泡などの欠陥を防ぎ、HDI基板全体の性能を確保する必要があります。
パフォーマンス特性の違い
電気的特性
一般的なPCBは、信号伝送速度と周波数に関して一定の制限があります。信号周波数が高くなるにつれて、信号減衰やクロストークなどの問題が徐々に顕著になります。これは、比較的太い配線と大きなビアによって抵抗、インダクタンス、容量が大きくなり、信号の整合性に影響を与えるためです。
HDIボードは、微細配線とマイクロホール設計を採用することで、配線抵抗、インダクタンス、容量を大幅に低減し、信号伝送時の損失と干渉を効果的に低減します。高速・高周波信号伝送において優れた性能を発揮し、信号伝送品質に対する要求が極めて高い5G通信や高速データストレージなどのアプリケーションシナリオにも対応します。
機械的特性
一般的なPCBの機械的強度は主に基板の材質と厚さに依存しており、小型化・薄型化には一定のボトルネックがあります。比較的単純な構造のため、複雑な応力を受けると基板の変形やはんだ接合部の割れなどの問題が発生しやすくなります。
HDIボードは、より薄く、より軽く、より強度の高い基板を採用するとともに、多層構造設計を最適化することで全体的な機械的安定性を向上させています。薄さを確保しながらも、振動や衝撃などの機械的ストレスにある程度耐えることができ、モバイル電子機器など、機器の体積と重量に厳しい要件が求められる分野に適しています。
さまざまな応用分野
通常の PCB は、コストが低く製造プロセスが比較的簡単なため、一般的な家電製品 (テレビ、洗濯機など)、低価格の消費者向け電子製品 (一般的なラジオ、簡単なリモコンなど)、一部の産業用制御機器の非コア回路部品など、性能とスペースに対する要件がそれほど高くない一部の電子機器に広く使用されています。
HDIボードは、その優れた性能と高密度実装能力から、主にハイエンド電子機器に採用されています。例えば、スマートフォンは多くの機能を狭いスペースに統合する必要があり、HDIボードは高速信号伝送、小型化、薄型化といったニーズを満たすことができます。また、コンピューター分野では、サーバーマザーボード、ハイエンドグラフィックカードなど、極めて高い性能が求められるコンポーネントにもHDIボードが大量に採用され、高速データ処理・伝送を実現しています。さらに、航空宇宙や医療機器などの高精度分野においても、HDIボードは複雑な電子システムの安定した動作を支える重要な役割を果たしています。
HDI基板と通常のPCBは、構造定義、製造プロセス、性能特性、そして応用分野において大きな違いがあります。HDI基板は、その先進的な技術と優れた性能により、電子機器の小型化・高性能化を促進する上で重要な役割を果たしています。一方、通常のPCBは、中低価格帯の応用分野において依然としてコスト優位性を発揮しています。両者の違いを理解することは、電子機器メーカーが製品要件に応じて適切な回路基板ソリューションを選択し、エレクトロニクス産業の継続的な発展を促進する上で役立ちます。