最高の不動産：iPhone Xのスペースをめぐる争い
AppleのiPhone Xの発売が明日に迫る中、熱心なユーザーは、通常はPlusサイズのフォームファクターでしか実現できないバッテリー駆動時間を、寸法的にはPlus以外のモデルに近いスマートフォンで享受できるようになる。KGI Securitiesの2月のレポートによると、この進歩の理由はエネルギー密度の向上ではなく、iPhone X内部のプリント基板（PCB）の小型化にあるという。
この小型PCBは、基板型PCB（SLP）と呼ばれる技術によるものです。レポートに掲載されている画像では、アプリケーションプロセッサとRFシグナルチェーン専用のPCBがインターポーザーを介して接続されており、従来のiPhone PCBよりも層数が多いことが示されています。これにより、従来のiPhone PCBのほぼ2倍の層数となっています。
しかし、これは全体像を語るには程遠いものです。新しいPCBスタックアップによって部品配置の柔軟性が多少向上したとはいえ、iPhone 8ではA11の反対側が空いているわけではないことを覚えておくことが重要です。そこにも多くの部品が配置されており、NFCチップ、ディスプレイドライバー、Wi-Fiコンボチップ、電源管理ICなど、これらはすべて、主力アプリケーションプロセッサの真向かいに配置されていることが多いのです。
結局のところ、4.7インチのiPhoneと5.5インチの「Plus」シリーズはPCBサイズがほぼ同じで、小型のスマートフォンではバッテリー容量が直接的に低下しています。ここに、こうした小型フォームファクターでバッテリー駆動時間を改善しようとする際の真の問題があります。
iPhone 8 PlusのPCB背面（iFixit提供）
コンポーネントフットプリントの削減
iPhone XのPCBを小型化するために、AppleはPCB上の部品の占有面積を小さくする方法を考案する必要がありました。上のPCBをざっと見てみると、ICや受動部品が密集していることがわかります。当然ながら、まず部品を単純に削減できるのではないかという疑問が湧きます。
簡素化の有力な候補として挙げられるのはRFチェーンです。実際、これまでのiPhoneは、世界中の様々な通信事業者向けに最大4種類のバリエーションが用意されていました。これは、地域特有の通信事業者に必要な特定のバンドに特化したスイッチ、フィルター、アンプを搭載していたためです。しかし、そのバリエーションの数は年々減少し、現在は2種類にまで絞り込まれ、CDMAネットワーク対応モデルと非対応モデルが1つずつとなっています。
Appleは、より多くのモデルでモデルごとにサポートするバンド数を減らすことで、RFチェーン全体のサイズを縮小し、基板スペースを節約できる可能性があります。しかし、iPhone Xの技術仕様ページを見れば、Appleがそうしていないことがわかります。iPhone Xは、2つのバージョンでiPhone 8と全く同じバンドをサポートしているからです。
したがって、部品点数の削減はRFチェーン以外の分野に目を向ける必要があります。部品点数を縮小するもう一つの方法は、ICサプライヤーに自社のパッケージを小型化するよう圧力をかけることです。その好例は初代MacBook Airでしょう。IntelはCPUのパッケージを小型化し、Appleが当時の超小型フォームファクタを実現できるよう支援しました。
もしサプライヤーがこれを採用するのであれば、iPhone 8や8 Plusにも搭載するのは当然のことと言えるでしょう。そのため、この部品の普及を阻むコストや数量面での何らかの圧力がかかることが予想されます。例えば、インターポーザーを含むパッケージが考えられます。インターポーザーは高価な相互接続構造で、複数の高密度ピン配置デバイスを同一パッケージ内に収容することを可能にします。これは、iPhone XのRFボードとメインデジタルボードを接続するために使用されていると言われているのと全く同じコンセプトです。
複数のコンポーネントを同一パッケージに収めるというコンセプトは新しいものではありません。AppleのAシリーズチップのほとんどはDRAMを積層して搭載しており、AppleはTSMCのInFOパッケージングによってパッケージサイズの小型化に取り組んできました。Apple Watchは、システムインパッケージ（SiP）ソリューションによってさらに統合されたアプローチを採用し、様々な能動部品と受動部品を同一の蓋付き筐体に収めています。これはモバイルデバイス全般の方向性です。
部品を多層PCBに実装するか、オンパッケージ、あるいはオンダイにまで統合レベルを上げるかを決定する際には、コスト、省スペース、そして性能への影響を慎重に検討する必要があります。部品をオンパッケージ化すると、信号経路が短くなり動作に必要な電力が削減されるため、一般的に性能が向上しますが、パッケージや基板ソリューションの複雑化といった問題が伴います。
回路をダイ上に配置することで、パフォーマンスは飛躍的に向上しますが、ダイサイズが大きくなり、部品の歩留まり、ひいてはコストに影響を与える可能性があります。こうしたコンセプトの多くにおいて重要なのは、SLP自体は実際には役に立たないことを理解することです。
基板のようなPCB
部品メーカーが新しいPCB技術を「基板のようなPCB」と呼ぶ場合、それはICパッケージに見られる基板によって実現される相互接続密度を指しています。これらの新しいPCBは、フィーチャサイズを15ミクロンまで縮小することで、ICパッケージに匹敵する相互接続密度を実現します。これは、メモリやPCIバスなどの高密度配線に非常に役立ちます。1層に多くの配線を詰め込み、パッケージ基板と同様にビアを微細化することで、最終的にはPCBの配線層数を削減できます。
マイクロビアを備えた基板のようなPCB
しかし、iPhone Xのメモリは既にパッケージに統合されており、従来のデスクトッププラットフォームにあるような広帯域で高速なデータインターフェースは備えていません。そのため、メモリはiPhone Xに直接的な恩恵をもたらす主要なイノベーションではない可能性が高いでしょう。この点では、ボード間のインターポーザーが役立っていると考えられます。
インターポーザーを用いることで、デジタル基板とRF基板を実質的に別々に設計し、その間に介在するインターポーザーで相互接続することが可能になります。このような複数段階のアプローチはPCBでは一般的です。PCBでは、非導電性のコアから始めて、金属層と誘電体層を連続的に積層していくことが多く、製造業者は層ごとに小さなビアを追加することで複雑なPCBを構成できます。インターポーザーはこのコンセプトを拡張し、通常はデバイスパッケージ向けにしか使用されない、より狭い相互接続ピッチを統合することで、コストを大幅に引き上げています。
iPhone 8 PlusのPCB上の回路境界
この独立したPCBアプローチにより、Appleはデジタル回路部とRF回路部間の分離をより強化することができます。実際、iPhoneのPCBをよく見ると、回路の種類を区切る破線のような線が見られます。上の画像は、iPhone 8 PlusのPCB上でオーディオ部とRF部が分離されている様子を示しています。
これらのコンポーネントを分離することは重要です。隣接するコンポーネントからの干渉は、アナログ回路やRF回路のダイナミックレンジの低下や、デジタル回路の信号整合性の低下などを引き起こす可能性があるためです。消費者向けデバイスであるため、放射信号も懸念事項です。Appleは、モバイルデバイスに搭載されているチップのスパッタコーティングの特許を取得し、その後、導入・改良することで、自己互換性と規格準拠の向上に努めました。
これらのすべてのステップにより、Appleは部品をより密集させて配置することができ、部品同士をより近接して配置する自由度が高まりました。しかし、基板スペースは依然として大きく消費されています。積極的な取り組みによって基板スペースを最大10%程度まで回復できるかもしれませんが、PCBサイズを大幅に削減するには、それ以上の努力が必要です。Appleのエンジニアは、X軸とY軸の寸法だけでなく、それ以上の寸法も活用する必要があります。
3Dテクニック
iPhoneのすべてのコンポーネントを収容するために必要なスペースを真に向上させるには、PCBの高さも活用する必要があります。チップスタッキング、シリコン貫通ビア、インターポーザーといった3Dおよび2.5D IC技術は、近年デバイスのパッケージングにおいて注目を集めていますが、PCBにもある程度適用できます。PCBベンダーは長年にわたり、抵抗器、コンデンサ、インダクタといったシンプルな受動部品をPCBに組み込んできました。
これらの特徴は、抵抗膜、印刷された巻線トレース、あるいはPCB誘電体を基盤として層をまたいで形成されたコンデンサなど、当初はプロセスに内在するものでした。現在、組み込み型物理部品の重要性が高まっており、ベンダーは近い将来、組み込み型アクティブ部品の導入も計画しています。
埋め込みおよび成形されたウエハレベル部品
あまり注目されていないものの、Appleは既にAシリーズアプリケーションプロセッサでこの技術を採用しています。数年前、リークされたパッケージ部品の裏面、本来はインターコネクトアレイが配置されているはずの場所に、奇妙な空洞が見られるようになりました。この空洞は、パッシブフィルタ部品をパッケージ内に収めるためのスペースであると考えられます。
コンポーネントが組み込まれたApple A11チップ
これにより、2つのメリットが得られます。1つ目は、すべての部品を搭載するために必要な基板スペースを削減できることです。2つ目は、デバイス内部の金属部分への近接性が、このようなアクティブデバイスにおける重要な性能要因の一つであるため、多くの場合、性能面でのメリットも得られます。
アプリケーションプロセッサの電源をフィルタリングおよびバイパスするために使用されるコンデンサとインダクタは、電流需要の変化に伴う電圧降下を防ぐとともに、高周波ノイズをグランドにバイパスする経路を提供します。これらの部品をデバイスにできるだけ近づけて配置することで、不要な寄生容量を削減し、部品の有効性を低下させます。
iPhone 8 PlusのPCB上のA11用パッシブフィルタリングコンポーネント
このコンセプトをPCBに拡張することで、AppleはPCB内の余分なスペースをこれらの部品の搭載に活用できます。iPhone 8 PlusのPCB背面を調べると、A11の裏側に多数の受動部品が搭載されていることがわかります。
ボードスタックアップ内にこれらの部品をより多く組み込めば組み込めるほど、設計のスペース効率は向上します。極端な例では、PCB上にこれらの部品はそのまま残し、インターポーザー（あるいはボードに合わせて接着材を挟み込んだ複数のインターポーザー）でこの領域を切り欠き、デジタルボードとRFボードを積層するといったことも可能です。しかし、このコンセプト自体に技術的な課題があり、組み込み部品に関しては、劇的な変化ではなく、段階的な導入が期待されます。
今後明らかになるであろうことは、PCBスタックアップの内部構造が、表面や部品ダイのX線写真といった私たちが期待するのと同じくらい興味深いものになる可能性があるということです。分解作業が始まれば、これらのコンセプトの一部を垣間見ることができるかもしれません。