HDI基板（高密度配線）の設計と製造コストの関係、マイクロビアとスタックビアを解説
スマートフォンやウェアラブル機器など、現代の電子機器は日々小型化・高機能化が進んでいます。限られたスペースに多くの機能を詰め込むためには、基板の小型化、つまり高密度な配線が不可欠です。しかし、従来の基板設計の延長では、すぐに物理的な限界に突き当たってしまいます。
ここで重要になるのが「HDI基板」です。試作段階では問題なくても、いざ製品化・量産を考えると「コストが高すぎる」「製造が難しい」といった壁に直面することも少なくありません。今回は、HDI基板の技術要素と、それが製造コストにどう影響するのか、そして設計段階で何を考慮すべきかを解説します。
HDI基板とは？製品の小型化を支える高密度配線技術
HDI基板は「High-Density Interconnector」の略で、その名の通り、従来の基板よりもはるかに高い密度で配線が可能なプリント基板です。配線幅や配線間隔を細く狭くできるだけでなく、特にビア（層間を接続する穴）の技術が大きく異なります。
部品点数が増えても基板サイズを小さく保てるため、スマートフォンやタブレット、スマートウォッチといった、スペースが限られる製品には欠かせない技術です。小型化だけでなく、高周波信号の伝送特性を向上させたり、信号経路を短縮してノイズを低減したりする効果も期待できます。
マイクロビア・スタックビア・スキップビアの種類と特徴
HDI基板の小型化を支える核となるのが、特殊なビア技術です。これらを適切に使い分けることが、性能とコストのバランスを取る上で非常に重要になります。
マイクロビア：レーザードリルで実現する微細な接続
マイクロビアは、直径が150μm（マイクロメートル）以下の非常に小さなビアで、主にレーザードリルで形成されます。一般的な機械式ドリルでは開けられない微細な穴を開けられるため、配線スペースを確保し、基板の高密度化に貢献します。通常、一層分の厚みだけを貫通し、隣接する層間を接続します。
スタックビア：複数の層を縦に貫く積層構造
スタックビアは、複数のマイクロビアを垂直に積み重ねて、多層間を接続する構造です。例えば、1層から2層へのビアの上に、2層から3層へのビアを重ねて、1層と3層を電気的に接続するといった形です。配線経路を短縮できるため、高速信号の品質向上に寄与しますが、製造工程が複雑になり、コストは上昇します。
スキップビア：途中の層を飛ばして接続する
スキップビアは、マイクロビアが複数の層を貫通しますが、途中の特定の層には接続せず、目的の層まで到達する構造です。これにより、途中の層に配線スペースを確保しつつ、必要な層間を接続できます。設計の自由度が高まる反面、製造が複雑になるため、スタックビアと同様にコストが高くなる傾向があります。
レーザードリルによる高精度加工とコストの関係
マイクロビアの形成には、一般的な機械式ドリルではなく、レーザードリルが不可欠です。レーザードリルは、非常に細いレーザー光を照射して穴を開けるため、機械式ドリルでは困難な微細な穴を、高い精度で開けることができます。位置ずれが少なく、加工速度も速いという利点があります。
しかし、レーザードリルによる加工は、通常のドリル加工に比べて設備投資や技術が必要なため、製造コストは高くなります。特に、多層基板でマイクロビアを多用したり、スタックビアやスキップビアのように積層回数が増えたりすると、その分だけレーザードリルの工程が増え、コストに直結します。
HDI基板の製造コストを左右する要因
HDI基板の製造コストは、その構造の複雑さに大きく依存します。主な要因は以下の通りです。
- 層構成とビアの種類・数: 多層化するほど、またスタックビアやスキップビアを多用するほど、製造工程が複雑になりコストが上がります。マイクロビアの総数もコストに影響します。
- 材料: 高周波特性や耐熱性など、特定の性能が求められる特殊な基板材料を使用する場合、材料費自体が高くなります。
- 製造工程: レーザードリル加工の回数、積層回数、めっき工程の複雑さなどがコストを押し上げます。複雑な構造は歩留まりが低下しやすく、その分もコストに転嫁されることがあります。
製品の機能要件を満たしつつ、これらの要因をいかに最適化するかが、製品化における重要な課題となります。試作段階では機能検証が優先されがちですが、量産を見据えるなら初期設計からコストを意識することが不可欠です。
設計段階でコストを最適化するポイント
製品化を成功させるためには、設計段階で製造コストを意識した判断が必要です。
- ビア構造の最適化: 可能な限り、通常のビアやシンプルなマイクロビアで代用できないか検討します。スタックビアやスキップビアは、本当に必要な箇所に限定して使用することがコスト削減につながります。
- 層構成の見直し: 必要最低限の層数に抑えられないか、基板メーカーと相談しながら検討します。多層化はコスト増の大きな要因です。
- 製造パートナーとの早期連携: 設計の初期段階から、基板製造を依頼するパートナーと密に連携を取ることが重要です。製造側の知見を取り入れることで、実現可能性とコストバランスの取れた設計を目指せます。
設計者が「こうあるべき」と考える理想と、製造コストや実現可能性のバランスを取るのが実務の難しいところです。
サイコス・ジャパンの製品開発支援
当社サイコス・ジャパンは、1990年の創業以来35年にわたり、機構設計、電子回路、基板、組み込みソフト、クラウド、そして量産まで、製品づくりの全工程を一社でまとめてきました。部品調達から製造、品質管理、さらには認証取得支援（技適、PSE、CEなど）まで、お客様の製品開発をトータルでサポートします。
他社や個人、フリーランスの方が作られた試作品をお持ち込みいただき、そこから製品化へと導く支援も得意としています。HDI基板のような高度な技術が求められる場合も、設計段階から量産コストを見据えた最適な提案が可能です。小ロット（数百個〜）からの量産にも対応していますので、お客様の事業規模に応じた最適な製造計画を一緒に検討します。
HDI基板は現代の電子機器開発において不可欠な技術ですが、その設計と製造コストには密接な関係があります。製品の性能要件を満たしつつ、いかにコストを抑えて量産に繋げるかは、設計段階での判断と、信頼できる製造パートナーとの連携にかかっています。
もし試作品をお持ちで、製品化や量産でお困りでしたら、まずはお気軽にご相談ください。写真と簡単な経緯のメモだけでも構いません。