2年前、ある顧客のエンジニアリング責任者から、PCB製造に関するトラブルについて連絡がありました。その顧客は、制御部に2ミルのトレース幅と2ミルのスペースを採用した電源基板を設計し、全層に2オンスの銅箔を指定しました。これにより、電源ラインが十分な電流を供給できると考えられたのです。しかし、裸基板の歩留まりは約40％にとどまりました。接続検査では、1パネルあたり数十か所ものオープン回路（断線）が検出されました。顕微鏡で観察すると、制御部のトレースは単に細いだけでなく、まるでサンドブラストをかけられたような状態で、中には完全に消失しているものもありました。
ここで厄介な点は、この基板が設計ルールが定義された時点で既に失敗が決定づけられていたことです。製造業者がミスを犯したわけではありません。単に、湿式化学プロセスの物理的限界が、設計図面の要求を上回ってしまったのです。
問題の本質を明確にするために、仕様を実際の単位で整理してみましょう。
2ミルのトレースは50.8マイクロメートルの幅です。2オンスの銅箔は70マイクロメートルの厚さです。もう一度読み直してください：この銅箔は、トレースの幅よりも38％も厚いのです。つまり、エッチング液には、幅よりも高い構造——すなわち、50.8マイクロメートルの基底の上に立つ70マイクロメートルの壁——を彫り出すよう求めていることになります。さらに、その隣——わずか2ミル（約50.8マイクロメートル）離れた場所——でも、まったく同じ加工を要求しているのです。
ウェットエッチングは等方性です。化学反応は「下方向」などという概念を認識しません。銅を垂直方向に侵食するのとほぼ同じ速度で、横方向にも侵食が進みます。業界ではこれを「エッチファクター」（エッチング係数）で評価します——すなわち、垂直方向のエッチ深さに対する、片側の横方向アンドーカット量の比です。量産現場では、使用する薬品・装置・工程管理状況に応じて、エッチファクターは通常2.5～4.0の範囲で変動します。内層に用いる酸性塩化銅系エッチング液では、通常3.0～3.5を維持します。外層に用いるアルカリ系エッチング液では、やや低く、2.5～3.0程度となります。
2オンス銅箔に対してエッチファクター3.0を適用した場合の計算をしましょう。
必要な垂直方向エッチ深さ：70マイクロメートル
片側のサイド・アンダーカット：70 ÷ 3.0 ≈ 23マイクロン
両側合計の幅損失：約46マイクロン
50.8マイクロンのトレースに対して、エッチングで46マイクロンが除去される。残るのは4.8マイクロンの細い刃状の残留物——そもそも完全に残るかどうかも疑わしい。エッチファクターが3.5の場合、トレースの幅は約10マイクロンとなる。いずれにせよ、これは導体ではなく、刃のような形状だ。電流を流すことはできず、抵抗値の目標も満たせず、取り扱い時の機械的ストレスにもほとんど耐えられない。
では、2ミル（約50マイクロン）の間隔とは？ 各トレース端での同一の23マイクロンのアンダーカットにより、間隔は50マイクロンから約4マイクロンまで縮小する。これにより、銅のブリッジ、微小ショート、そして時間とともに進行するデンドライト成長のリスクが急激に高まる。
これは歩留まりの問題ではない。これは、単に「返品対応」という衣をまとった物理学的な問題だ。
ここが、責任のなすりつけ合いで問題になる部品です。エングレーブ・ペイメント——つまり、アートワークを意図的に広げてエッチングによる縮小を補正するCAMプロセス——は、真剣なファブでは標準的な手法です。優れた製造業者は、5ミルのデザインを5.5ミルや6ミルに調整し、最終的なトレース幅が5ミルになるようにします。この補正は、補正量が特徴寸法に対してごくわずかである場合には、非常にうまく機能します。
しかし、その特徴寸法がすでに製造可能な限界に近づいている場合には、この補正はまったく効果を発揮しません。
全体のアンダーカットが約46マイクロメートルとなると、完成したトレース幅が2ミル（約50.8マイクロメートル）になるため、マスクパターンの初期幅は約97マイクロメートル（ほぼ4ミル）から始める必要があります。現状では、この間隔に関する計算が成立しません。設計上、幅4ミルのアートワーク・トレースを2ミルの間隔で配置すると、実際の基板上の耐電圧特性間距離はわずか約51マイクロメートルしか確保されません。レジストはこのような狭間では保持できません。エッチング液がレジストの下を浸食し、持ち上げてしまうため、全層にわたり予測不能でギザギザとしたエッチングが発生します。厚銅箔におけるファインライン・エッチングは、徐々に劣化するのではなく、急激かつ不規則に失敗します。
そのため、業界の最小トレース幅テーブルは、こうした数値を採用しています。1オンス銅箔では、3ミルが実用上の限界です。2オンスでは、機能的最小値が一気に5ミルへと跳ね上がります。3オンスでは9ミル、4オンスでは12ミルです。これらは従来の経験則ではなく、エッチング加工の安定性が確保できる最低限の寸法なのです。2オンス基板に2ミルのトレースを設計しても、それは現実の量産工程では実現不可能であり、研究室レベルの特殊なプロセスにしか対応できません。
歩留まりの急激な低下は、ごくわずかな変化ではありません。過去3年間に私が担当した約30件の厚銅PCBプロジェクトの経験から、明確な傾向が確認されています。
トレース幅が銅厚のおよそ3倍未満の場合：歩留まりは35～55％程度で、断線および断線直前（ニアオープン）が主な不良モードです。
トレース幅が銅厚の約4倍程度の場合：歩留まりは70～85％程度で、絶縁耐力のばらつき（周期的な劣化）が時折見られます。
トレース幅が銅厚の5倍以上の場合：歩留まりは95％以上まで回復します。
最も厄介な故障は、完全に断線してしまうものではなく、間欠的に断線するものです。つまり、工場出荷時の接続テストでは問題が検出されず、合格してしまう痕跡（トレース）のことです。これは、最終的には5ミクロンの細いフィラメント状になっているため、初期には導通しますが、その後の熱サイクルや共振によって亀裂が入り、出荷から6か月後に現場で不具合を起こすのです。私は実際に、製造工程で電気検査を「優秀」として合格した基板から、現場での不具合を追跡・特定したことがあります。AOI（自動光学検査）画像ではそのトレースはごくわずかに異常が見られたものの、誰もすべての2ミル幅の配線をX線検査していませんでした。また、刻印が極端に薄く、髪の毛ほどの太さまで削られていたものは、実際に破断するまではまったく目立たなかったのです。
抵抗値の話もあります。また、極端に細くなったトレースは、断面形状がもはや長方形ではなく、台形になります。つまり、底部が広く、上面が狭くなっているのです。規格で定められた許容抵抗値は、あくまで長方形断面を前提として算出されています。A 台形歯 トレースは、スタックアップとアンダーカット量に依存する指示に基づき、対象となる実際のインピーダンスを変化させます。差動ペアの場合、誤差要因として、トレース幅が狭くなり、トレース間隔が広がるため、差動インピーダンスのばらつきが単端よりも大きくなります。『100オームが必要』とされる基板では実測値が96オーム、90オームが求められる基板では87オームとなり、最小限のレイアウトでは仕様から完全に外れてしまう場合があります。
2ミル／2オンスの設計を依頼するエンジニアの方々には公平でありたいと思います。誰もがこの組み合わせを困難なものとは定義していません。その理由は通常、次のようなものです。「この電源ラインには3アンペアが必要なので、計算ツールによると1オンスの銅厚ではトレース幅をXだけ確保しなければならないが、2オンスにすればトレースを細く保てる」あるいは「実装スペースが限られているため、2オンスなら電源用トレースを細くできる」などです。
誤りは、銅厚を単に電流容量にのみ影響を与える調整ノブのように扱っている点にあります。実際には、銅厚はその層全体の特性を左右する重要なパラメーターなのです。 最小トレース幅およびスペーシング それに伴い、より厚い銅箔は太いトレースでの電流耐性を高めますが、同時に同一層上で微細な配線を実現する能力を損ないます。エッチング工程の制約上、同一銅厚では両立できません。
この課題から脱したチームをいくつか見てきましたが、その解決策には一貫したパターンがあります。
各層で銅厚を分ける 2オンス、あるいは3オンスの銅箔を、広いトレースと余裕のあるポリゴン形状を用いた専用電源層に配置します。一方、ピッチの狭い制御ロジック回路は0.5オンスまたは1オンスの層に配置します。1つの基板構成（スタックアップ）内で2種類の銅厚を併用するのはごく一般的であり、ほとんどの多層PCB製造業者は、混在銅厚のスタックアップを特別な対応なしに処理できます。コストは若干増加しますが、歩留まりの向上によるメリットが、多くの場合そのコストを十分に上回ります。
薄銅層では、伝送線路幅を2ミルに保つこと BGAのエスケープ配線など、設計上本当に2ミルのトレース幅とスペースが必要な場合は、その部分は信頼性高くエッチング可能な十分に薄い層に配置すべきです。優れたアルカリ系エッチング液とLDI（レーザー直接描画）を用いた0.5オンス銅箔であれば、2ミルのパターンを実現できますが、2オンス銅箔では、いかなる基板メーカー、いかなる薬品、いかなるCAM補正を用いても、2ミルのパターンは実現できません。これは製造能力の問題ではなく、単純な幾何学的制約によるものです。
銅厚を変更する前に、まずトレース幅を広げてください。 1オンス銅箔で3アンペアの電源ラインを実現するには、温度上昇を適度に抑えるために約50～60ミルのトレース幅が必要です。2オンス銅箔では、同じ電流でも必要な幅はおよそ半分で済みますが、それでも2ミルよりはるかに大きい値です。もし配線領域が物理的にその幅を確保できない場合、細幅トレースに2オンス銅箔を適用するのは適切な解決策ではありません。代わりに、専用の電源プレーンを設けるか、あるいは微細パターンを一切配置しない、さらに厚い銅箔層（例：4オンス以上）を採用すべきです。
スタックアップを確定する前に、必ずDFM（製造適合性）レビューを依頼してください。確定した後では遅すぎます。 真剣に取り組む基板メーカーなら、Gerberファイルのアップロード後に無料で製造適合性（DFM）チェックを行います。信頼できるメーカーは、注文確定前に2ミル／2オンスの混在設計を検出し、その場合のリターン（不良率）を明確に伝えます。もし製造業者が2ミル／2オンスの基板を、何の指摘もなしに見積もり提示した場合、それは危険信号です。つまり、品質が極端に低下した状態で製造し、そのコストをあなたに転嫁するか、あるいは製造はするものの、試験段階で問題に気づかせようとしている可能性があります。
厚銅と細幅ラインは、設計上の選択肢ではなく、そもそも矛盾した要件です。2オンスの銅箔を有効に加工するエッチング液は、同時に2ミルのパターンを侵食してしまうものであり、どんな高度なプロセス技術を用いても、この比率は変わりません。エッチングファクターに関する計算式は公開されており、安定しており、納期などの都合には一切関係ありません。
高電流基板を期日通りに納品している企業は、この点を手作業で把握しています。つまり、電流が流れる場所には銅箔を配置し、信号が走る場所には解像度を確保し、決して同一の銅箔層に両方の機能を求めてはいけません。これまで私が実際に目にした2ミル／2オンスの基板は、いずれも歩留まりが極端に低い試作品、あるいは近いうちに発生するであろう現場故障の原因究明対象、あるいはエッチング化学に関する非常に高価な教訓のいずれかに該当します。こうした基板が二度出荷された例は一切ありません。
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