HDI レーザービアの位置合わせとターゲットパッド余裕：製造限界と設計入力

1. 「レーザービアがずれている」とは実際に何を指すのか

HDI の試作不良報告で最も多い記述は「レーザービアがずれている」です。しかしこの一文は製造側では実行可能な意味を持ちません。まったく異なる二つの不良を一つにまとめてしまっているからです。

HDI におけるレーザー加工は特殊な位置にあります。貫通するのは今回の段で積層したばかりの絶縁層であり、当てるべき対象は前の段で形成され、すでに一度の積層プレスを経ているパッドです。このパッドを業界ではキャプチャパッド（ビア底のターゲットパッド、ドイツ語圏では Zielpad）と呼びます。

したがって座標系が二つ存在します。

1. レーザー装置の座標系 — 基板表面の基準マーク（フィデューシャル）から当てはめて構成される
2. ターゲットパッドの実際の座標系 — 前段の露光・エッチングに加え、積層時に絶縁層と銅が受けた寸法変化によって決まる

両者の間には常に残差があります。残差をゼロにすることはできません。第二の座標系は積層が完了した時点で固定されており、レーザー装置はそれに近づくことしかできず、変更はできないからです。

よって HDI の位置合わせにおける本当の問題は「残差がどれだけ大きいか」ではなく、誰が残差を吸収するのかです。答えは、ターゲットパッド径からビア径を引いた後に残る環状幅です。この環状幅が誤差予算のすべてです。使い切れば、ビアはパッドの外に落ち、ビア底のめっきは接続対象を失います。

これが以降すべての前提になります。位置合わせ精度は設計側と製造側が分担する予算であり、工場に要求できる装置仕様ではありません。

> 先に一点明確にしておきます。機械ドリルの穴位置精度はこれとは別の量です。SKPCB が公開している穴位置精度 ±0.05 mm（normal）は機械ドリルの能力です。レーザービアがターゲットパッドに当たる能力を表すために流用することはできません。後者を支配するのは積層後のパッド実位置であり、ドリルの位置決め再現性ではありません。

2. 残差はどこで生じるか

工程順に分解すると、HDI の層間位置ずれには四つの独立した発生源があります。これらは同じものではなく、対処方法も異なります。

（1）パターン層そのものの寸法再現性

内層あるいは前段のパターン層は、露光・現像・エッチングを経た後、配線とパッドの実位置が設計データからわずかにずれます。これはパターン工程の寸法再現性の問題です。特徴は系統的で方向が揃っていることで、通常は層全体のスケーリング補正で大部分を吸収できます。

（2）積層時の寸法変化

積層は絶縁層と銅を加熱加圧して硬化させます。この過程で基材は収縮または膨張し、X と Y で通常は等しくありません。四つの中で最も予測が難しい発生源で、基材グレード、銅分布、層構成、すでに通過したプレス回数のすべてに依存します。

重要な性質は、寸法変化は積層後にしか測定できず、レーザー加工は積層後に行われることです。つまり工場にはプレス完了後に実際の基板を再測定し、それに基づいて当該段の露光データとレーザーデータを調整する機会が本当にあります。この機会が次節の主題です。

（3）基準マークの読み取りと当てはめ残差

レーザー装置は基板表面の基準マークから座標系を構築します。しかし基準マークの数は限られており、基板の変形は剛体平行移動ではありません。回転、X と Y の不等倍率、さらには実際に不均一な局所変形を含みうるものです。

限られた数の点から不均一に変形した基板を当てはめれば必ず残差が残り、しかも残差は空間的に不均一に分布します。基準マーク近傍では小さく、基準マークから最も遠い領域（基準配置によって通常は基板中央または基板角）で最大になります。

ここは技術者が誤判断しやすい点です。位置ずれ誤差が基板全体で一定だと想定してしまいます。実際には位置によって変化する場であり、つまり同一基板上で当たりの良いビアと限界ぎりぎりのビアが混在するのは正常な挙動であり、散発的な欠陥ではありません。

（4）段数による参照面のドリフト

段を一つ増やすごとに「積層 → レーザー加工 → 穴金属化 → めっき → パターン → エッチング」の完全な一巡が追加されます。上記三種の残差は毎回あらためて発生します。

ここで明確にすべき区別があります。残差は単純に線形加算されるわけではありません。工場が各段で基板を再測定し基準マークを再度当てはめるなら、各段の当てはめ残差は継承ではなく再構築されます。これは HDI 製造における非常に重要な工程設計上の選択です。ただし段ごとに再構築したとしても、参照の連鎖自体は長くなります。第 3 段のターゲットパッドは第 2 段で作られており、第 2 段の位置自体に第 1 段の残差が含まれているからです。

SKPCB の HDI 能力は最大 5 段（5+N+5）で、研究開発水準ではなく量産対応です。段数が増えるほどこの参照連鎖は長くなり、ターゲットパッドの余裕戦略は基板一律の単一値ではなく段ごとに指定する必要が強まります。

3. 設計側が明示すべき三つの入力

ここまでで結論は明確でしょう。工場にできるのは残差を小さくすることで、消すことではありません。成否を決める入力は設計側にあります。以下の三つが資料に無い場合、工場は既定ルールで処理し、その既定が意図と一致する保証はありません。

入力 1：トップパッドとターゲットパッドを分けて指定する

最も見落とされやすい項目です。レーザービアの両パッドを同一径で指定する設計が多いのですが、両者が負う risk は全く異なります。

• トップパッドは当該段のパターン層にあり、レーザービアと同一の一巡で加工されます。間に積層は入りません。位置ずれ risk は相対的に低く、径は主に当該層の配線密度と外層最小線幅能力で制約されます。
• ターゲットパッドは一段下にあり、レーザービアとの間に完全な積層が一回挟まります。層間残差のすべてを吸収する環状幅の供給源です。

両者を同一径で指定すると二択を強いられます。ターゲットパッドが小さすぎて余裕不足になるか、トップパッドが大きすぎて当該層の配線経路を占有するかです。高密度領域ではこのトレードオフは実際の面積衝突になります。

対応：層構成図または製造指示に両パッドを別行で記載し、「ターゲットパッドはトップパッドと一緒に縮小してはならない」と明記します。

入力 2：局所スケーリング補正を許可するか

前述のとおり、積層後の寸法変化はプレス完了後に測定して補正できます。方法は二つあります。

• 全体スケーリング：層全体を一つの係数で拡縮します。実装は容易ですが、比例変形しか吸収できません。
• 分割補正：基板を領域に分けて補正量を変え、不均一変形も吸収できます。能力は高いものの、パターン層の実寸が基板位置によってわずかに異なる結果になります。

第二の方法は線幅やインピーダンスを厳しく管理する設計に影響します。SKPCB の線幅公差は ±20%、インピーダンス公差は標準 ±10%、±5% は条件付き能力です。設計がこのいずれかの境界に近い場合、分割補正の可否は事前に明示する必要があり、工場の判断に委ねてはいけません。

対応：製造指示に「工程上の必要に応じたスケーリング補正を許可する」または「補正方式は技術確認を要する」のいずれかを記載します。どちらでも成立しますが、一文は必ず必要です。

入力 3：余裕を段数に応じて拡大するか

参照連鎖は段数とともに長くなるため、高段のターゲットパッドは低段より広い残差分布に晒されます。

ただし全段のターゲットパッドを最高段の要求に合わせて拡大するのは通常現実的ではありません。低段側で多くの配線面積を無駄にします。

対応：層構成が 2 段を超える場合、層構成図でターゲットパッド径を段ごとに指定します。少なくとも「高段のターゲットパッドは技術レビューで段ごとに拡大してよく、拡大は設計変更とみなさない」と記載してください。この一文で試作段階の確認往復を一巡省けます。

4. 全体ずれと局所ずれ：二種類の不良の切り分け

本稿で最も実務的な部分です。断面観察や X 線でレーザービアがターゲットパッド中心から外れているのを見ても、直ちに「位置公差外れ」として扱わないでください。まず分類します。二種類の不良は原因、責任範囲、処置がまったく異なります。

方法：基板上の異なる位置から同種のビアを複数採取し、ずれの方向と大きさを比較します。

この表の実務価値は、誰に相談し何を変えるべきかを決める点にあります。

• 全体ずれはどこか一つの設定が誤っていることを意味します。見た目は最も深刻（基板全面がずれる）ですが、実は最も直しやすい。誤った設定を見つければ終わりです。
• 局所ずれは軽く見えます（一部のビアだけが限界）が、設定誤りではなく能力境界の問題です。同じ基準配置と同じ余裕で再流動させても結果は良くなりません。
• 単一ビア異常を位置合わせ問題と誤判定すると、技術側が基準マークと補正の変更に動く一方、真の原因は別にあります。三つの中で最も時間を浪費する誤診です。

よくある落とし穴：「歩留まりは悪くない」ことを根拠に位置合わせは問題ないと結論することです。局所ずれの典型像はまさに、ゼロではないが不安定な歩留まりです。限界ビアが不良になるかどうかは、そのロットの寸法変化が分布のどちら側に落ちたかで決まるからです。歩留まりの変動は局所ずれの特徴であり、反証ではありません。

5. 検収で何を見るか

HDI の層間位置合わせは完成基板の外観では判定できません。ビア底の接続関係は基板内部にあり、表面からは見えないからです。使える手段は次のとおりです。

• 断面（マイクロセクション分析）：破壊的ですが、レーザービア底とターゲットパッドの相対位置を直接示す唯一の証拠です。
• X 線：非破壊で、ビアとパッドの面内相対位置の確認に適します。
• 電気検査：SKPCB は全注文に 100% 電気検査（フライングプローブまたは治具）を実施します。電気検査はすでに開放した接続を検出しますが、余裕を使い切っているがまだ開放していないビアは検出できません。
• AOI：当該段のパターンとビア開口形状を検査しますが、ビア底と前段との位置関係を直接判定することはできません。

明確にすべき限界があります。電気検査に通ったことは、位置合わせの余裕が残っていることを意味しません。 パッド端まで寄り、わずかな重なりしか残っていないビアでも電気検査は導通します。こうしたビアは後続の熱サイクルで risk 箇所になります。したがって位置合わせ能力の判定は断面または X 線による位置証拠に依拠すべきで、電気検査報告のみを合格の根拠にはできません。

SKPCB は IPC-6012 Class II および Class III で検収し、品質検査関門を 10 以上設けています。ただし検収等級が定めるのは判定基準であり、余裕が足りるかどうかを代わりに決めてはくれません。余裕は設計段階で指定したものです。

6. 発注時に添付すべき位置関連入力の一覧

ここまでを直接実行できる形にまとめます。欠けている項目は工場が既定ルールで処理します。

1. 層構成図の段ごと表記：どの段にレーザービアがあるか、各段のビアの開始層と到達層。
2. トップパッド径とターゲットパッド径を別行で記載し、同一値に統合しない。
3. ターゲットパッドの最小許容径（公称値だけでなく）— 工場に調整余地があるかを決めます。
4. スケーリング補正の許諾：許可 / 確認要 / 不許可の三択。必ず記載すること。
5. 段数依存の余裕戦略：高段のターゲットパッドを段ごとに拡大してよいか。
6. 基準マーク定義：データ原点の位置、基準マークを基板と一緒に拡縮するか、基準マーク周辺の変更を許すか。
7. 厳格管理項目の宣言：どのネットにインピーダンスまたは線幅の厳しい要求があるか（分割補正の可否を左右します）。
8. 検証要求：断面または X 線による位置証拠を要求するか。要求する場合は採取位置を指定（基板中央と基板角を含めること。局所ずれが最も露出しやすい位置です）。
9. 段数とビア径の組み合わせ：レーザー最小径は 0.1 mm（標準）/ 0.075 mm（高度）。組み合わせが実現可能かは層構成と併せて評価が必要です。

第 8 項は特に強調する価値があります。基板端だけで採取すると、局所ずれが最も厳しい位置をちょうど見落とします。 採取位置の選定そのものが位置合わせ検証計画の一部です。

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FAQ

Q1：レーザー装置の位置決め精度はレーザービアの位置合わせ精度と同じですか。

違います。位置決め精度は装置が自身の座標系内で持つ再現性を表しますが、レーザービアが当てるべきターゲットパッドは別の座標系にあります。後者は前段のパターンと積層時の寸法変化で決まり、レーザーは基板表面の基準マークを通じて近づくことしかできません。二つの座標系の間の残差が実際の位置ずれ誤差の主体で、装置の位置決め再現性は通常ボトルネックではありません。

Q2：層間位置ずれ公差を数値で指定してもよいですか。

要求は可能ですが、その意味を理解する必要があります。実際の層間位置ずれは基板位置によって変化する分布であり、定数ではありません。単一数値の要求では工場は最不利位置を満たすしかなく、代償は通常ターゲットパッドの拡大か配線密度の低下です。より有効なのは、ターゲットパッドの最小許容径を示して余裕を明示し、補正戦略は工場が自らの能力範囲内で組むようにすることです。

Q3：段数が増えると位置ずれ誤差は線形に積み上がりますか。

必ずしもそうではありません。各段で基板を再測定し基準マークを再度当てはめるなら、各段の当てはめ残差は継承ではなく再構築されます。ただし参照の連鎖自体は長くなります。第 N 段のターゲットパッドは第 N-1 段で作られ、その位置にはすでに前段までの残差が含まれています。段数の影響は実在しますが、残差の単純な加算ではなく連鎖の長さから来ます。

Q4：全体ずれと局所ずれでは、どちらが対処しにくいですか。

局所ずれです。全体ずれはどこかの設定誤りで、見つけて直せば一度の修正がロット全体に効きます。局所ずれは基準配置と基板の変形特性が共に決める能力境界で、同じ基準配置と同じ余裕で再流動させても改善しません。基準配置、補正戦略、ターゲットパッド余裕のいずれかを変える必要があります。

Q5：電気検査が全数合格なら位置合わせに問題はないと言えますか。

その推論は成立しません。電気検査が見つけるのはすでに開放した接続です。ターゲットパッド端まで寄り、わずかな重なりしか残っていないレーザービアも導通します。しかし余裕は使い切られており、後続の熱サイクルで risk 箇所になります。位置合わせ能力の判定には断面または X 線が与える位置証拠が必要です。

Q6：ターゲットパッドを大きくすれば常に安全ですか。

位置合わせの面では安全になりますが、一段下の配線面積を消費します。高密度設計ではターゲットパッドの拡大によってその層が配線不能になるか、層数の追加を強いられることがあります。したがって面積と余裕のトレードオフであり、基板一律の拡大ではなく段ごと・領域ごとに評価すべきです。