バックプレーンに関する知識、その特徴、製造、課題

キーワード: バックプレーンボード, バックプレーン基板

バックプレーン

広い意味では、プリント基板（PCB）の一種もバックプレーン基板です。ラインカードやドーターボードを搭載するバックプレーンは、カスタム機能を実現するための一種のマザーボードです。ボードを搭載し、電源信号や電源供給などの機能を各ドーターボードに分散させることは、バックプレーンの主要な機能であり、適切な信号伝送と電気的接続が得られるようにします。バックプレーンは、搭載されたボードと連携して、システム全体が円滑かつ論理的に動作するように導くことができます。

バックプレーンの特性

専門性の高い性質を持つバックプレーンは、基板製造業界においては一つの製品カテゴリとなっています。そのため、通常の基板と比較して、バックプレーンはより多くの専門性を備えています。

• より重い

重量が大きいのは、基板が厚い結果であることは理解しやすいでしょう。さらに、バックプレーンの重量には、多量の銅も含まれます。

• より厚い

バックプレーンは高速で信号を伝送することが求められ、通常はより多くの層を備えています。消費電力の大きいアプリケーションカードがバックプレーンに挿入される場合、必要な電流を供給するために銅層は十分に厚くなければなりません。これらの要素により、バックプレーンボードは通常の基板よりも厚くなります。

• 高い穴あけ数

バックプレーンは、機能の実装と複雑な構造のために、より多くの信号伝送と電気的接続を実現する必要があります。これらは多数のブラインドビアや埋め込みビアに依存しています。その結果、機能達成に貢献するために、バックプレーンはより多くのドリルビアや穴を備える必要があります。

• 高い熱容量

バックプレーンは通常の基板と比較して厚く、重いため、高い熱容量を備えています。

バックプレーンの製造

バックプレーンは、その高い要求と複雑さのために、特別な技術と注意を払って製造される必要があります。

• 洗浄

バックプレーンは厚いため、通常の回路基板よりも多くのドリル穴やビアを作業液が通過し、流出することがよくあります。そのため、作業液がドリルビアや穴に残留するのを防ぐために、高圧洗浄機でドリル穴を洗浄することが非常に重要です。

• リフローはんだ付け

バックプレーンは通常の基板と比較して重く厚いため、基板からの熱の放散がより困難です。言い換えれば、リフローはんだ付け後、バックプレーンが冷えるまでにより多くの時間を要します。その結果、バックプレーンボードが冷却される時間をより多く確保するために、リフローはんだ付けオーブンを強化する必要があります。さらに、リフローはんだ付けオーブンの出口では、バックプレーンボードを冷却するために強制空冷を使用する必要があります。

• 部品実装

信頼性の観点から、従来はバックプレーンにパッシブ部品を配置する傾向がありました。しかし、アクティブボードを導くバックプレーンでは、コストを一定に保つために、BGA（ボールグリッドアレイ）などのアクティブ部品がますます設計されるようになっています。部品実装業者は、シリコンパッケージ部品、抵抗器、および小型のコンデンサを配置できる必要があります。さらに、バックプレーンの大型サイズに対応するため、より大型の実装プラットフォームが必要とされます。

• 層間位置合わせ

そのため、穴あけ数と層数の多さから、層間位置合わせは非常に困難です。バックプレーンボードの製造プロセスでは、層間位置合わせは高度な技術と注意をもって行われる必要があります。

• バックプレーンの開発動向

バックプレーンは、高厚、大寸法、超多層化へと発展すべきであり、データ伝送やネットワーク通信が大量・高速伝送へと向かう中で、ネットワーク伝送におけるキーノードの役割を果たします。要するに、上記のすべての期待により、将来的にプリント基板メーカーにとって大きな課題がもたらされるでしょう。

バックプレーン用プリント基板製造の難点

• 位置合わせ制御

超多層プリント基板製造に関して言えば、位置合わせ制御が最も重要な製造上の難点です。なぜなら、位置合わせ制御が不良だと、短絡の可能性が生じるからです。

その中でも層構成が最も重要であり、位置合わせ制御は多くの要素や工程に影響を受けます。多層プリント基板には通常、熱電対加熱、ピンラミネート、マスラミネートの3種類の構成方法があります。

ヒント：

コア基板に衝撃効果を引き起こさないため、最適な構成方法はピンラミネートにあります。

何らかの制約でピンラミネートが適用できない場合、銅鉄リベットと短いダボが良い選択肢となります。

使用するピンの種類は、ピンラミネート積層を使用する場合に非常に重要です。例えば、8本の丸ピンよりも、位置合わせ制御の要件に適合する4本のピンの方が性能が優れていることが分かっています。

• 穴あけ技術

バックプレーン基板の高厚さのため、穴あけ工具が基板に届かない可能性があります。しかし、穴あけ工具が長すぎると、穴あけ工程中に破損する恐れがあります。さらに、バリが発生したり、過剰な粉塵が穴を塞いだりして、バックプレーン用プリント基板の性能を大幅に低下させる可能性があります。

ヒント：

導電的な方法で深度制御を適用することにより、穴あけ深さを正確に決定できます。

CCDマーカーはX線穴あけによる穿孔に依存しており、バックプレーン基板の穴あけにはCCD方式を適用すべきです。

• めっき性能

バックプレーン基板の高厚さにより、アスペクト比も高くなります。これにより、穴壁の銅厚に影響を与えて不整合を引き起こし、めっきが十分に深くまで到達しない場合、穴内部に十分な銅が確保される一方で、穴口に過剰な銅が残る可能性があります。

ヒント

EPなどの新しい直流めっき溶液を使用すべきです。

めっき液の信頼性、性能、安定性に関しては、パルスめっき液と直流めっき液を比較検討すべきです。

• ICD分析

ICDは高周波材料の製造工程中に発生しやすく、長期的な電気的接続や信頼性に深刻な品質リスクをもたらします。そのため、バックプレーン用プリント基板の製造工程でこのような問題を回避できるよう、ICDの原因とその解決策をまとめる必要があります。ICD問題の原因は、洗浄不足と内層銅箔上に残留した樹脂ゲル残渣にあります。

ヒント：

ゲル残渣が除去されたことを確認するために、穴あけパラメータ制御を最適化すべきです。

内層銅箔上のエージング不足が原因であるため、樹脂の流出を防ぐために基板材料のエージング程度を分析すべきです。

• バックドリルスタブ

高速信号伝送に関して言えば、スタブは信号伝送の失敗、さらには信号の歪みを引き起こす可能性があります。したがって、高速信号伝送におけるスタブによる悪影響を明確にする必要があります。現在までに、スタブ長が0.25mm未満の場合、その信号への影響は非常に低く、無視できることがまとめられています。その結果、スタブ長は0.25mm以内に制御されるべきです。バックプレーン用プリント基板は信頼性があります。

ヒント：

信号伝送品質への影響を低減するために、スタブ長は0.25mm以内に制御されるべきです。