ほとんどのプロジェクトにおいて、エンジニアが12層基板に移行する理由は、単に配線層を増やしたいという理由だけではありません。本当の理由は、信号の完全性、電源の安定性、BGAブレークアウトの複雑さ、あるいはEMI制御といった点で、すでに8層または10層の積層構造の限界に達しているからです。
これは特にFPGAプラットフォーム、産業用コンピューティングシステム、AIモジュール、通信機器、高速組み込みデバイスなどでよく見られる現象です。DDR配線、差動ペア、電源プレーン、シールド、熱制約などがスペースを奪い合うようになると、下位層基板の管理はますます困難になります。
DFM（製造性設計）レビューの際に、このようなケースをよく目にします。回路図は正しくても、積層構造自体が、後の生産段階で製造上または電気的なリスクを生み出す可能性があるのです。
優れた12層基板の設計とは、単に層数を増やすことだけではありません。高速信号に対応し、クリーンなリターンパスを維持し、EMIを低減し、複数回の熱サイクル後も機械的な信頼性を維持できる、安定した電気構造を構築することなのです。
高度な多層基板を開発する企業向けに、当社の多層基板製造に関するメインページでは、追加の積層構造や製造能力についても解説しています。
エンジニアが12層基板に移行する理由
実際の生産環境では、10層から12層への移行は通常、次の3つの理由で起こります。
多くの最新のプロセッサやFPGAは、安定したインピーダンス制御のために専用のリファレンスプレーンを必要とします。配線を少数の層に無理やり集中させると、リターンパスの分割、ビアの過剰、クロストーク、インピーダンス特性の不安定化といった問題が発生することがよくあります。
複数のネットワークおよび産業用コントローラプロジェクトを徹底的に検討した結果、主な懸念事項はルーティング密度そのものではなく、高速差動ペアにおける基準プレーンの連続性の低さであることが明らかになった。
データ転送速度が増加すると、スタックアップは単なる製造構造ではなく、電気設計の一部となる。
典型的な12層基板の積層構造
普遍的な12層スタックアップは存在しない。正しい構造は、以下の要素に大きく依存する。
しかし実際には、積層やリフロー時の反りを軽減できるため、対称的な積層構造が依然として主流となっている。
一般的なアプローチは次のとおりです。
レイヤー機能L1信号L2接地L3高速信号L4信号L5電源L6接地L7接地L8電源L9信号L10高速信号L11接地L12信号
この構造により、高速層を固体基準面に近接した状態に保つことができ、比較的安定した電力分布を維持できる。
厚みのある12層基板では、樹脂バランスと銅の分布にも注意を払う必要があります。層間の銅密度の不均一性は、組み立て後の基板のねじれや反りの一般的な原因の一つです。
インピーダンス制御こそが真の課題であることが多い
多くのお客様は、インピーダンス制御は主に配線幅の計算に関するものだと考えています。しかし実際には、積層構造の一貫性を確保することの方が難しい場合が多いのです。
例えば、プリプレグの組み合わせを1080から2116に変更すると、インピーダンスに十分な影響を与え、線幅の調整が必要になる可能性がある。
高速12層設計では、いくつかの要因が同時に作用する。
一般的に、高速差動ペアは、分割された電源プレーンに隣接して配線するのではなく、ソリッドグランド基準点間に維持することを推奨します。これは、リターンパスの不連続性を制御することがより困難になる厚い多層基板において特に重要です。
PCIe、DDR、またはSerDesアプリケーションの場合、ビアスタブの影響を軽減するために、バックドリル加工が必要になる場合もあります。
信号速度が従来の産業用制御周波数を超えると、この点はより重要になる。
設計変更が予想よりもはるかに早く歩留まりに影響を及ぼし始める
12層基板に関して多くのエンジニアが見落としがちな点の1つは、構造の複雑さです。
多くの工業製品において、標準的なスルーホール構造は依然として最も信頼性が高く、コスト効率の良い選択肢である。しかし、大型BGAが導入されると、ブラインドビアや埋め込みビアがすぐに必要となる。
これにより、製造上の考慮事項がさらに増える。
例えば、厚みのある12層基板に小さなドリル径の穴を開けると、推奨されるアスペクト比を容易に超えてしまう可能性があります。穴あけ加工をやりすぎると、穴の壁やメッキ層が耐久性を失い、長持ちしなくなります。
通信機器やサーバー関連のプロジェクトの中には、レイアウト自体ではなく、ビアの寸法を過度に最適化し、製造上の限界を超えてしまったために信頼性の問題が発生した事例がいくつか見られます。
HDI構造が必要な場合は、当社のHDI基板製造能力ページで追加のプロセスオプションについて説明しています。
12層基板では材料選定がより重要になる
下層基板では、通常、標準的なFR4で十分です。
12層基板では、基板が複数回の積層サイクルと組み立て時のより高い熱応力を受けるため、材料の挙動がより顕著になる。
高Tg材料は、熱サイクル中の寸法安定性を向上させるため、産業用途や自動車用途でしばしば好まれる。
挿入損失が信号性能に影響を与え始めると、高速システムにおいては低損失材料が重要になる。
一般的な材料の組み合わせとしては、以下のようなものがあります。
材料の選択は、以下の点にも直接影響します。
実際の生産においては、プリプレグの組み合わせを誤ると、銅の重量を誤るよりも多くの問題を引き起こす可能性がある。
積層安定性は、製造における最大のリスクの一つである。
12層基板は、単純な多層基板とは異なる方法で製造されます。
関与する層が増えるほど、プロセスは以下の要因に対してより敏感になります。
そのため、経験豊富な多層基板メーカーは、製造開始前に積層構造の対称性を確認するためにかなりの時間を費やします。
ラミネート加工の制御不良は、以下のような結果を招く可能性があります。
通信機器や航空宇宙エレクトロニクスといった高信頼性が求められる分野では、わずかな積層欠陥であっても、長期的な熱サイクルによって最終的には現場での故障につながる可能性がある。
12層基板プロジェクトではDFMレビューが重要になる
私たちがよく遭遇する問題の一つは、電気的には機能する設計でありながら、安定した製造が難しいという点です。
いくつか例を挙げると以下の通りです。
複雑な多層構造プロジェクトの場合、製造上の問題が発生した後ではなく、最終的なガーバーデータリリース前にDFMレビューを実施する必要があります。積層構造や配線戦略にわずかな変更を加えるだけでも、製造歩留まりと長期的な信頼性を大幅に向上させることができます。
当社のPCB設計サービスチームは、生産開始前に製造性を最適化するため、この段階でお客様と緊密に連携して作業を行うことがよくあります。
12層基板が一般的に使用される場所
今日では、電気的安定性と配線密度がともに重要なシステムにおいて、12層基板が広く使用されている。
代表的な用途としては以下のようなものがあります。
適切に設計された12層構造は、下位層の基板と比較して、より優れたEMI抑制性能、よりクリーンな基準面、そしてより予測可能な信号挙動を提供する。
よくある質問
Q：12層基板の一般的な厚さはどれくらいですか？
A：12層基板のほとんどは、銅の重量、インピーダンス要件、ビア構造設計によって異なりますが、1.6mmから3.2mmの範囲に収まります。
Q: 12層基板は常にHDI基板ですか？
A：いいえ。多くの12層基板は依然として標準的なスルーホール構造を採用しています。HDIが必要となるのは、主にBGAの密度や配線上の制約が著しく増大した場合です。
Q：12層基板の製造における最大の課題は何ですか？
A：実際の生産においては、積層構造の安定性とインピーダンスの一貫性を確保することは、通常、配線作業よりも困難です。
Q：標準的なFR4は12層基板プロジェクトに適していますか？
A：多くの産業用途では、はい。ただし、高速システムや熱負荷の高いシステムでは、高いTg（ガラス転移温度）または低損失の材料が必要になる場合があります。
Q：12層基板のコストが大幅に増加するのはなぜですか？
A：コスト増加の主な理由は、追加のラミネーション工程、より厳しい位置合わせ公差、穴あけ加工の複雑化、インピーダンス試験、および製造歩留まりの低下です。
