子基板とは何か？定義・種類・設計ポイントと信頼性評価を徹底解説
エバープレイ編集部子基板とは — 定義と役割
子基板（こきばん、英: daughterboard / sub-board / mezzanine board）は、主基板（母基板、メインボード）に対して機能拡張、信号分配、電源供給、物理的分離などの目的で接続される小型のプリント基板（PCB）を指します。組込み機器や通信機器、産業機器、PCなど幅広い分野で採用され、設計のモジュール化・リユーザビリティ向上・製造・保守の容易化に寄与します。
子基板の主な種類と接続方式
- ダーターボード（Daughterboard）／ミニカード：主基板に対して垂直または平行に差し込むタイプ。主に拡張機能（メモリ、I/O、電源回路など）を実装。
- メザニンボード（Mezzanine）：狭いスペースでスタック構造を取る小型基板。PCIeミニカード、mPCIe、COM Expressのキャリアボード上のモジュールなどが代表例。
- インターポーザ（Interposer）／中間基板：半導体パッケージと基板間の配線変換や高密度接続に用いられる薄型基板。高周波・高密度実装で使われる。
- フレックス子基板（Flex / Rigid-Flex）：可撓性材料を用い、折り曲げや狭隘な配置に適した構成。
- バックプレーン＋スロット型：スロット（コネクタ）を介して差し替え可能なモジュールとして用いる方式（例：ネットワーク機器やサーバーのラインカード）。
採用される主な用途
- 機能分割：アナログ回路とデジタル回路の分離、RFフロントエンドや電源回路の分離によるノイズ対策。
- 拡張性：機能追加やオプション装備（無線モジュール、センサーモジュールなど）の差替え。
- 省スペース・形状最適化：筐体に合わせて基板を折り曲げたり、スタッキングして配置。
- 開発・評価：プロトタイプ段階でのモジュール化により開発効率を高める。
- 製造・保守：障害個所の局所交換やバリエーション管理を容易にする。
設計上のポイント（電気的）
子基板は主基板と信号・電源をやり取りするため、電気的設計における検討が重要です。
- インピーダンス整合と伝送路設計：高周波・高速信号を扱う場合は、差動ペアのインピーダンス、ライン幅・間隔、層構成（基板の厚さ、誘電率）を主基板側と整合させる必要があります。多層構成でグラウンドプレーンを適切に配置し、リターンパスを確保します。
- ビアの選定：スルーホールビア、ブラインド・バリードビア、マイクロビアなどを用途に応じて選定。HDI（高密度相互配線）設計ではマイクロビアが多用されます。
- 電源配線とデカップリング：電源ラインのインダクタンス低減、電圧降下対策、局所のデカップリングコンデンサの配置を最適化します。電源配分は主・子基板間で電源ノイズの伝播を防ぐため重要です。
- クロストークとシグナルアイソレーション：高密度配線ではクロストーク対策（ライン間隔の確保、差動信号の正しい配置、シールド層）が必要。
- グラウンド処理：共通アースの取り方、複数グラウンド（アナログ・デジタル・RF）の分離方法、コネクタでの接地経路を検討します。
設計上のポイント（機械的・熱）
- 機械的耐久性：子基板はコネクタやはんだ接続部に応力が集中しやすいため、固定用のスクリューホールや支持金具を設計して振動・衝撃に耐える構造にします。
- 熱設計：電力部品や熱源が子基板上にある場合、放熱パス（サーマルビア、ヒートスプレッダ、銅箔厚の増大）や筐体を利用した冷却を検討します。密閉空間での温度上昇は両基板に影響します。
- コネクタの選定：耐久性（挿抜回数）、接点抵抗、信号帯域、ピン数、寸法、公差を満たす種類（ボード・ツー・ボードコネクタ、ピンヘッダ、フレキコネクタ）を選びます。
製造・実装上の注意点
- 基板材質：一般的にはFR-4が多用されますが、高周波用途では誘電正接や誘電率が安定したRogers材などを選択する場合があります。フレックス基板にはポリイミドが一般的です。
- 実装プロセス：SMT（表面実装）とスルーホール実装の混在、リフロー温度プロファイル、はんだ付け工程（再流しや波はんだ）、基板の反り管理などを考慮します。子基板が小型かつ多層の場合、基板の反りがコネクタのはんだ接合に影響します。
- アライメントとコネクタ実装：微小ピッチのボード・ツー・ボードコネクタでは公差管理と位置決めが重要。実装ジグや治具を活用することが推奨されます。
- 試験治具（治具インタフェース）：製造後の機能試験で治具に接続する場合、子基板側にテスト用コネクタやテストポイントを設ける設計が必要です。
信頼性と評価手法
子基板を含むシステムの信頼性を担保するため、以下の評価が行われます。
- 環境試験：温度サイクル、湿度、塩霧試験、振動・衝撃試験など。コネクタ部分の接触不良やはんだ割れが発生しやすい。
- 電気的評価：電源安定性、ノイズマージン、クロストーク、反射（Sパラメータ）測定など。高速信号経路は実測での目視（アイダイアグラム）評価が重要。
- 実装後検査：AOI（自動光学検査）、X線検査（BGAや内部欠陥の検出）、ICT（インサーキットテスト）、フライングプローブテスト。
- バウンダリスキャン（JTAG）：実装部品の接続確認や不良箇所の診断に有効。特にピン数が多くテストアクセスが制限されるモジュールに有効です。
EMC（電磁環境）対策
子基板は主基板と相互に電磁的に影響を与えるため、EMC対策が不可欠です。
- グラウンドプレーンの連続性確保（コネクタ部でのグラウンド接続を明確にする）。
- 信号線のルーティングでループ面積を最小化し、リターンパスを隣接させる。
- フィルタ（フェライトビーズ、LCフィルタ）の挿入、差動信号の利用、シールドケースの利用。
- コネクタやケーブルの取り回しで外来ノイズの侵入経路を断つ。
代表的な規格・標準例
- PC/104、PC/104-Plus：組込み分野で採用されるスタック型モジュール規格（歴史的にはISA/PCIをベース）。
- COM Express、Qsevenなど：モジュール型（CPUモジュール）をキャリア（子基板/主基板）上で利用する際のフォームファクタ。
- PCIe Mini Card（mPCIe）、M.2：ノートPCや組込み機器でのモジュール接続規格（ストレージや無線モジュールなど）。
- IPC規格（設計、製造、信頼性に関するガイドライン）：IPC-2221（汎用PCB設計）、IPC-6012（フレキシブル含む基板品質）など。
実装・運用上のベストプラクティス
- 機能分割の哲学を明確にし、変更や差替えが想定される機能を子基板化する。
- インタフェース定義（ピン割、シグナルレベル、電源仕様）をドキュメント化して互換性を担保する。
- コネクタや固定具の耐久性・環境適合（防水、防塵）を評価し、必要に応じてシーリングやコンフォーマルコーティングを行う。
- プロトタイプ段階で熱解析・EMC事前評価を行い、早期に問題を検出する。
- 製造時の治具設計やアライメント機構を検討し、実装精度と歩留まりを上げる。
具体例：スマートフォンと産業機器での違い
スマートフォンでは、RF用子基板（アンテナ・RFトランシーバ等）、電源管理用の小型基板、カメラモジュールが独立した子基板として構成されることがあり、超高密度・薄型化・フレックス基板が多用されます。一方、産業機器では、交換可能なI/Oラインカードや電源モジュールとして堅牢で耐環境性の高いコネクタ・筐体固定を重視する構成が一般的です。
トレンドと今後の展望
- HDI・マイクロビアの普及：高密度実装化により子基板でも高ピンカウント・高速信号対応が可能になっています。
- リジッドフレックスの採用増加：3D配置や狭小スペースの実装要求により、リジッドフレックス基板が成長しています。
- モジュール化と標準化：機能モジュール化による設計再利用と短納期化、さらには産業向けでの互換規格の重要性が増しています。
- 高度なシミュレーション活用：熱・EMC・信号伝搬の統合シミュレーションにより、試作回数の削減と信頼性向上が進んでいます。
まとめ
子基板は、機能の分離・拡張、設計のモジュール化、製造・保守性の向上といった多くの利点を持つ一方で、電気的・機械的・熱的・EMC面での課題を伴います。適切なインタフェース設計、材質選定、コネクタや固定方法の評価、製造プロセスの最適化、そして十分な試験・評価を行うことで、子基板を効果的に活用できます。最新の材料やHDI技術、リジッドフレックス設計を取り入れることで、より高性能・高信頼なシステムを実現できます。
参考文献
- ダーターボード - Wikipedia（日本語）
- Mezzanine card - Wikipedia
- IPC — Association Connecting Electronics Industries (IPC)
- PC/104 Consortium — PC/104 Embedded Computing Standards
- Samtec — Board-to-Board Connectivity (メーカーサイトの技術資料）
- Rogers Corporation — High Frequency Laminates
- Printed circuit board - Wikipedia
- JEDEC — Global Standards for the Microelectronics Industry
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