先に結論を述べます。マイクロビアを z 方向のどこに置くかは、配線のしやすさを決めるのではなく、どの工程がコストを負うかを決めます。 スタック（積層ビア）はコストをビア底に置きます。次のビアは下のビアの充填面に着地するため、その面が十分に平らで密実かどうかが、さらに積めるかどうかを決めます。スタガー（ずらしビア）はコストを平面に置きます。ビアを横にずらすには場所が必要で、キャプチャパッドと配線チャネルがその場所を譲ることになります。エニーレイヤーはコストをプレス回数に置きます。相互接続できる層対が増えるたびに、プレスと位置合わせが一回増えます。三方式のいずれかが「より先進的」ということはありません。違いは、そのボードにとってコストをどこに置くほうが割安かという点だけです。
1. 違いは図面ではなく工程順序にある
配線ツール上では、三つの構造は単にビア位置が異なるだけに見えます。工場では、三つの異なる工程経路です。
HDI のマイクロビアは一層ずつ形成されます。まずコアがあり、その外側に絶縁層と銅を積層プレスし、レーザで穴を開け、めっきし、パターンを形成します。次にもう一層をプレスし、再びレーザ、再びめっき。要点はここです。n+1 層のビアは、n 層が完成した後に初めて加工されます。 したがって n 層が残した表面状態が、そのまま n+1 層のレーザとめっきの出発点になります。
- スタック：n+1 層のビアが n 層のビアの真上に来ます。レーザは「前のビアの蓋」を狙うことになり、めっきはその蓋の上に銅を成長させます。
- スタガー：n+1 層のビアを横にずらし、無垢の銅面に着地させます。レーザとめっきは通常の出発点に向かいます。
- エニーレイヤー：どの層対が相互接続できるかを前提としません。隣接するどの層対にもマイクロビアを置けますが、構造としては通常、逐次的に積み上げられます。
一文でまとめると、スタックは平面を節約してビア底を費やし、スタガーはビア底を節約して平面を費やし、エニーレイヤーは両方を得ようとしてプレス回数を費やします。
ここでよくある誤解も解けます。エニーレイヤーを「スタックを極限まで進めたもの」と理解する方がいますが、実際にはエニーレイヤーは相互接続の自由度を表し、スタックとスタガーはその自由度を実現する二つの方法です。エニーレイヤー構造には通常その両方が含まれ、同じボード上で両方が成立しなければなりません。段数そのもののコストについては、逐次プレスの三つのコストを別記事で扱っていますので、ここでは繰り返しません。
2. スタック：ビア底は別のビアの蓋である
スタックの難所はすべて一文に集約されます。次のビアは、下のビアの充填面に着地しなければなりません。
めっきを終えた下側のビアは、くぼみです。その上に次のビアを安定して形成するには、このくぼみを十分に平らで、十分に密実で、十分に支持できる面に仕上げる必要があります。そのためスタック構造では、二つのことがクリティカルパスに乗ります。
- 充填が密実かどうか。 ビア内に充填されていない領域が残ると、後続のプレスや熱履歴で空洞になります。その空洞は次のビアの真下、つまり機械的・熱的負荷が最も集中する位置に来ます。
- 表面が平らかどうか。 充填後は通常、平坦化処理を行います。明確なくぼみが残ると、レーザは椀底を狙うことになり、エネルギー分布と穴形状に影響します。めっきも不規則な出発点から銅を成長させることになります。
いずれも外観では判定できず、断面で判定します。樹脂充填ビアの充填とディンプルの受入判定基準は別稿で扱っていますが、スタック構造はこれらの判定基準への依存度が通常の穴埋めビアより高くなります。通常の穴埋めビアの次工程はソルダーレジストですが、スタックビアの次工程は別のビアだからです。
したがって製造側では、スタックの実際の制約は「積めるかどうか」ではなく、何段まで積んだとき、ビア底状態の累積ずれが次のレーザとめっきをまだ支えられるかになります。各段の平坦度のずれは上方に伝播し、自然に打ち消されることはありません。
3. スタガー：コストはビア底から平面へ移る
スタガーはこの問題を回避します。次のビアは下のビアの上ではなく、隣の無垢の銅面に着地します。レーザは通常の出発点に、めっきは通常の形状に向かい、ビア底はクリティカルパスから外れます。
コストは同時に現れますが、場所が変わります。ずらすには、ずらす場所が必要です。
- ずらす段ごとに平面面積を消費します。マイクロビアにはキャプチャパッドが必要で、キャプチャパッドにはクリアランスが必要で、そのクリアランスは周囲の配線、隣接ビア、部品パッドと同じ場所を争います。
- スタガーは本質的に、z 方向の接続を「ビア + 短い配線 + ビア」に分解します。この配線には通れるチャネルが必要です。
- ずらす段数が増えるほど占有面積は増え、しかもそれは最も面積が必要な層、通常は BGA ファンアウト領域で増えます。
ここで特に注意すべき点があります。キャプチャパッドの寸法は電気的要求だけでなく、位置合わせの余裕でもあります。レーザビアの内層パターンに対する位置ずれはキャプチャパッドが吸収する必要があり、この余裕を面積のために削ることはできません。言い換えれば、スタガーで節約したビア底のリスクを、すべてキャプチャパッドの縮小に変換してはいけません。そうするとリスクは一つの工程から別の工程へ移っただけになります。
判断基準は次の一文に圧縮できます。ファンアウト領域にまだ平面の余裕があるなら、通常はスタガーのほうが安価です。平面が既に埋まっているなら、さらに詰めることは位置合わせの余裕を面積と交換することであり、そこで初めてスタックがコストに見合います。
4. エニーレイヤー：各層が一回のプレスであり、累積は回数とともに増える
エニーレイヤーの魅力は率直です。隣接するどの層同士も接続でき、配線は層対の制約をほとんど受けません。製造側の事実も同じく率直です。この自由度は、複数回のプレスで買うものです。
「プレス — レーザ — めっき — パターン形成」の各ラウンドは、三つのものを累積させます。
| 累積する項目 | なぜ累積するか | どこに出るか |
|---|---|---|
| 層間位置ずれ | プレスごとに材料の動きと寸法変化がある | 最内層に対する外層パターンの位置 |
| 熱履歴 | ラウンドごとに完全なプレス温度履歴を経る | 材料および既に形成されたビア構造 |
| 表面状態のずれ | ラウンドごとの充填と平坦化に固有の残差がある | 次ラウンドのレーザとめっきの出発点 |
最も過小評価されやすいのは一行目です。位置ずれの原因は単一ではなく、材料の変形、伸縮補正、パターン位置決めが重なった結果であり、ラウンドが増えればこれらの原因の組み合わせも増えます。単純な和として積み上がるわけではありませんが、互いに打ち消されることも確実にありません。
二行目は別種のリスクに関わります。繰り返されるプレス熱は絶縁材料と既に形成されたビア構造の両方への負荷であり、デラミネーションとボイドの防止はプレス工程そのものの中心課題です。エニーレイヤー構造では最内層が最も多くのラウンドを経験します。先に作った部分が、最も多くの回数を耐えることになります。
もう一つ飛ばされがちな実務的制約があります。利用できる絶縁材とプリプレグは連続量ではなく、離散的なリストです。 層構成の計画は実際には、限られた材料リストから厚さを組み立てる作業です。エニーレイヤー構造は各絶縁層に要求を課しますが、その要求は既存の構成で実現できなければなりません。これは往々にして設計審査の段階で初めて判明します。
5. どの制約がレーザから、どれが充填と平坦化から、どれがプレスから来るか
制約を工程別に整理しておくと、審査のときに誰に聞けばよいかが分かります。
- レーザ加工から：穴形状と壁面状態、ビア底の清浄さ、内層パターンに対する位置ずれ。この分類はスタックで最も重くなります。スタックではレーザの出発点が前のビアの充填面だからです。
- 充填と平坦化から：充填密度、表面の平坦度、残留くぼみ。この分類がクリティカルパスになるのはほぼスタックに限られます。スタガービアも充填を要する場合はありますが、充填品質が次のビアの成立を決めることはありません。
- めっきから：壁面銅の連続性と分布、穴口と穴底の銅量差。この分類は三方式すべてに存在しますが、マイクロビアのアスペクト比がレーザで決まるのかめっきで決まるのかは別の問題であり、スルーホールの結論を当てはめることはできません。銅厚自体にも先に整理すべき設計入力があり、下地銅、仕上がり銅、壁面銅は同じ数字ではありません。
- プレスから：層間位置合わせ、樹脂の流動と充填、熱履歴の累積。この分類はエニーレイヤーで最も重くなります。ラウンド数が最も多いからです。
この整理表の実用的な価値はこうです。工場が「この構造にはリスクがあります」と言ったとき、リスクがどの分類に属するのかを直接問い返せます。四つの分類の扱いは大きく異なります。レーザ系とめっき系は工程ウィンドウ内で対処できることが多く、充填・平坦度系は構造が余裕を残したかどうかに依存し、プレス累積系は通常、構造変更しか手がありません。
6. 断面で見えるもの、電気試験で見えないもの
この節は独立させる価値があります。スタック構造が最も問題を起こしやすい箇所だからです。
電気的導通試験が答えるのは「今つながっているか」です。 ビア底に欠陥があっても部分的に接続しているスタックビアは、この試験に合格します。欠陥は、その接続の断面が設計意図より小さいという点にあり、小さな断面は熱サイクルと機械的応力の下で先に破壊します。
断面（切片）が答えるのは「構造が実際にどうなったか」です。 ビア底の接続形態、充填が密実かどうか、各層のビアが本当に揃っているか、銅層が連続しているか。これらは断面でしか見えません。だからこそスタック構造の設計確認は、電気試験による合否判定ではなく断面観察をほぼ必然的に伴います。破壊箇所については、不具合は導通試験ではなくビア底で起きるという点を別稿で扱っています。
両者の間の隙間が、まさにリスクの居場所です。スタック構造の典型的な故障モードは、電気試験では見えず断面でしか見えない帯域にちょうど収まります。 したがってプロジェクトの検証計画が電気試験だけで構成されている場合、スタックによって持ち込まれたリスクは納入時には不可視であり、後の温度サイクルや長期使用で初めて現れます。
実務上の意味は具体的です。構造がスタックに依存するほど、設計確認段階で断面の証拠が必要になり、断面は破壊的であるため犠牲試料を要します。 これは見積りと日程の段階で明確にすべきことで、出荷前に持ち出す話ではありません。検査と出荷判定の全体的な考え方については品質ページをご覧ください。
7. 同一ボード上でスタックとスタガーを併用する
実際の HDI ボードが純粋なスタックのみ、あるいはスタガーのみということは稀です。一般的な方法は、平面が最も厳しい領域ではスタックを使い、余裕のある領域ではスタガーを使うことです。
この併用は合理的ですが、二つのことを事前に明確にしておく必要があります。
- 工場の工程は、ボード上で最も厳しい一箇所に合わせて組まれます。 ボード上に一箇所でもスタックを要する場所があれば、充填と平坦化はクリティカルパスに入り、ボード全体がその経路を通ります。したがって「ごく一部の領域だけスタックを使う」ことは、コスト上「ごく一部の領域のコスト」にはなりません。
- 併用は層構成表を複雑にし、層構成表は版を確定する根拠です。 どの層対でスタックを許すか、何段まで積むか、どの領域はスタガーが必須か。これらが配線データ内にしか存在せず層構成表に書かれていない場合、工場は逆算するしかなく、逆算は曖昧さを生みます。
したがって併用の前提はこうなります。層構成表は、配線データを開いて推測することなく、それ自体で読み取れなければなりません。
8. 層構成表と図面に明記すべき項目
この節は本稿で最も実行可能な部分です。工場が HDI 構造の版を確定できるようにするには、以下を明示する必要があります。一項目欠けるごとに、確認の往復が一回増えます。
- 各層の役割と層順：どの層がコアで、どの層が逐次形成される増層か。構造を読み解く前提です。
- どの層対がマイクロビアを持つか：層対ごとに列挙します。「HDI 三段」という概要では構造を復元できません。
- スタック／スタガーの宣言：どのマイクロビアがスタックを許されるか、何段までか。どれがスタガー必須か。制約がない場合も空欄にせず「制約なし」と明記します。
- スルーホールの範囲：ボード全体を貫通する穴があるか、マイクロビア構造とどう共存するか。
- 充填要求の帰属：どのビアが充填必須か、その充填は構造上の要求か表面上の要求か。スタックビア下の充填は前者であり、ソルダーレジストによる穴埋めと一緒に書いてはいけません。
- キャプチャパッドと位置合わせ余裕の取り決め：パッド寸法と、それが位置合わせ余裕を既に含むかどうか。これが未記載だと、双方がそれぞれの前提を置きます。
- 絶縁層厚の目標値と許容範囲：およびその厚さが利用可能な構成と照合済みかどうか。
- どの要求が必須でどれが調整可能か：省かれがちですが、工場が何度も問い合わせるか、そのまま進めるかを決める項目です。優先順位を示せば、審査は一巡で終わります。
仕上がり板厚も明確に示す必要があります。これは層構成の結果であって自由変数ではなく、公差を伴います。可能な範囲の全体像は製造能力ページから、構造の選定は HDI 製品ページと多層板ページから確認できます。
9. 工程で押し通すのではなく構造を変えるべきとき
最後に判断基準を示します。HDI 構造が審査でリスクが高いと判定されたとき、道は二つあります。工場が工程ウィンドウ内で耐えるか、構造を変えるか。次の場合は構造を変えるべきです。
- コストがプレス回数の累積から来ている場合。 位置ずれと熱履歴の累積は工程ウィンドウの問題ではなく、ラウンド数の関数です。相互接続が必要な層対を減らすほうが、各ラウンドをより精密にするよう工場に求めるより現実的です。
- スタック段数が機能上の必要ではなく配線の都合で増えた場合。 まず一言問うべきです。この段は必須なのか、それとも配線変更のほうが面倒だからか。後者であれば、配線変更のコストはビア底のリスクを量産に持ち込むコストより通常は低くなります。
- 平面が埋まっている原因が、キャプチャパッドを位置合わせ余裕より下まで削ったことである場合。 この状態でさらにスタガーを進めても、リスクを位置合わせに移すだけで、解決にはなりません。
- 検証計画が構造の複雑さを支えられない場合。 断面確認の予算も日程もないのであれば、断面でしか検証できない構造に信頼性を賭けるべきではありません。
逆に、コストが主にレーザとめっきの工程ウィンドウに収まり、構造自体の層対が明確で余裕が明示されているなら、構造を組み直すより工程側で処理してもらうほうが通常は妥当です。
全体は一つの問いに収束します。このボードのコストは、選んだものか、それとも既定値としてどこかに落ちたものか。 三つの配置方法はいずれも製造可能です。違いは、コストが「知っていて備えた場所」にあるのか、「断面を見て初めて気づく場所」にあるのか、その点だけです。
FAQ
Q1：スタックはスタガーより「先進的」ですか。
先進と遅れの関係ではありません。スタックは平面面積を節約する代わりに充填と平坦化をクリティカルパスに乗せ、スタガーはビア底のリスクを外す代わりに平面面積とキャプチャパッドの予算を費やします。どちらを選ぶかは、そのボードに足りないのが面積か余裕かによります。
Q2：エニーレイヤーは各層でスタックすることですか。
違います。エニーレイヤーは相互接続の自由度、つまり隣接するどの層対にもマイクロビアを置けることを表し、スタックとスタガーはその自由度を実現する二つの方法です。エニーレイヤー構造には通常その両方が含まれ、両方が成立する必要があります。
Q3：なぜ工場はスタックビアの充填品質を特に重視するのですか。
次のビアが下のビアの充填面上に形成されるからです。充填が密実でないと次のビアの真下に空洞が残り、表面が平坦でないとレーザはくぼみを狙い、めっきは不規則な基点から成長します。通常の穴埋めビアの次工程はソルダーレジストですが、スタックビアの次工程は別のビアです。
Q4：スタガー接続で増える配線は性能に影響しますか。
スタガーは z 方向の接続を「ビア + 短い配線 + ビア」に分解するため、追加の経路区間が生じます。それが問題になるかは電気的要求に依存し、設計側の判断事項です。製造側で見るのは、その配線に通れるチャネルがあるか、キャプチャパッドのクリアランスが収まるかです。
Q5：ごく一部の領域だけスタックビアを使う場合、コスト増もわずかですか。
いいえ。工場はボード上で最も厳しい箇所に合わせて計画します。一箇所でもスタックを要すれば、充填と平坦化はボード全体のクリティカルパスに入ります。局所的なスタックの使用は、ボード全体の工程変更を生みます。
Q6：電気的導通試験に合格すれば、スタック構造は問題ないと言えますか。
そうは判断できません。導通が答えるのは「今つながっているか」であり、スタックビアの典型的なリスクは接続断面が設計意図より小さいことです。これは導通には合格しますが、熱サイクルと機械的応力の下で先に破壊します。構造の確認には断面の証拠が必要です。
Q7：層構成表に「HDI 三段」と書けば十分ですか。
不十分です。段数は概要であり、工場が構造を復元することはできません。どの層対がマイクロビアを持つか、どれがスタックを許されるか、何段までか、どれがスタガー必須かを層対ごとに列挙し、加えてスルーホールの範囲と充填要求の帰属を示す必要があります。
Q8：絶縁層厚は自由に指定できますか。
できません。利用可能なコアとプリプレグは離散的なリストであり、層構成の計画は限られた集合から厚さを組み立てる作業です。絶縁層厚を指定する前に、それが既存の構成で実現できることを確認してください。そうでなければ設計審査の段階で差し戻されます。