プリント回路基板

ほとんどの電子製品を開けば、内部にプリント基板（PCB）が見つかるでしょう。この基板は、デザインを構成する電子部品の機械的取り付けと、それらの間の電気的接続を提供します。半世紀以上にわたり電子業界で一般的に使用されてきたPCBは、熟練した設計者によって作成され、精密なプロセスを使用して製造される複雑なアイテムに進化しました。 PCBの製造方法を理解することは、設計者にとって必須ではありませんが、プロセスに精通している設計者は、製造コストが低く、製造歩留まりが高いPCBを設計する上で、はるかに有利です。

PCB（プリント基板）は、ほぼすべての電子製品の中心に位置しています。

PCBの解剖

以下のセクションでは、シングルサイドからリジッドフレックスまで、さまざまなタイプのPCBと、すべての製造に共通する主要な要素を見ていきます。

シングルサイドボード

製造が最も簡単なPCBはシングルサイドPCBと呼ばれ、通常、片面（通常は下側）にのみ導体があります。

片面基板で、上側には部品を配置するスペースがあり、下側にははんだ付けが行われます。

片面基板は、すべての基板と同様に、コアと呼ばれる絶縁基板から始まります。コアは最終的な回路の望ましい特性に応じて多種多様な材料で作ることができますが、最も一般的な材料はガラス繊維です。

コアは片面に銅の薄層で完全にコーティングされます。後でコンポーネントを取り付けるために使用される穴をドリルで開けた後、化学エッチングプロセスを使用して不要な銅を取り除き、回路のコンポーネントを電気的に接続するために必要なトラックとパッドを残します。

基板の上側はコンポーネントサイドと呼ばれます。これは、スルーホールコンポーネントが通常、この側に取り付けられ、そのリードが基板を通って下側に突き出るためで、そこで銅パッドとトラックにより容易にはんだ付けできます。表面実装コンポーネントはこのルールの例外で、銅パッドに直接取り付ける必要があり、はんだサイドにしか存在できません。

両面基板

単面PCBよりもわずかに複雑なのは、コアの上下両面に銅トレースがある両面PCBです。これにより、より複雑な配線が可能になります。慣例により、スルーホールコンポーネントは上層に、表面実装コンポーネントは単面PCBと同様に下層に取り付けられます。

両面に導電性のトラックがある両面PCB。

スルーホールめっき（PTH）

両面基板は通常、スルーホールコンポーネントのリードを使用して上層と下層の間の電気的接続を提供します。しかし、トレースがコンポーネントのリードと一致しない位置で二つの層間を横断する必要がある場合もあります。そのため、両面PCBによく追加されるのがスルーホールめっき（PTH）です。

スルーホールが施された両面PCB。

穴めっきは、穴があけられた後に内部に銅を沈着させるための電解プロセスを使用して達成されます。これにより、スルーホール部品のリードに頼ることなく、上層と下層の銅の間に導電経路が作られます。

上層と下層のはんだマスク

ほとんどのPCBアセンブリは、フローまたはリフローのはんだ付けプロセスを使用してはんだ付けされます。いずれの場合も、はんだマスクが適用されない限り、隣接するトレース間ではんだブリッジが発生する可能性があります。その名の通り、はんだマスクは、基板の故障を引き起こす可能性のあるエリアの銅にはんだが無差別に付着するのを防ぐための忌避剤（またはマスク）を提供します。二次的な利点として、はんだマスクはPCBトレース上のさもなければ露出した銅が腐食するのを防ぎます。

両面PTH（スルーホール）が施されたはんだマスク付きのPCB。

ほとんどの色が可能であるにもかかわらず、はんだマスクは伝統的に緑色であり、多くの人がPCBを認識する特徴的な緑色を担っています。はんだマスクは、PCBの上層と下層に精密なスクリーン印刷プロセスを用いて塗装されます。

シルクスクリーン層

会社のロゴ、部品番号、または指示などの可視情報をボードに適用する必要がある場合、シルクスクリーニングが使用されて回路基板の外表面にテキストを適用します。シルクスクリーン情報は、選択されたはんだマスクと対照的になるように通常白色で着色されますが、どのような色でも使用できます。スペースが許す場合、スクリーン印刷されたテキストは、部品指定子、スイッチ設定要件、および組み立てプロセスを支援するための追加機能を示すことができます。

基板のトップサイドに、コンポーネントの指定子を示すために追加されたシルクスクリーン情報。

多層基板

これまで説明したのは、1層または2層の銅層を含むPCBのみでしたが、はるかに多くの層を含むPCBを作成することも可能です。これらのPCBは多層PCBと呼ばれ、より密な配線トポロジーと、より良い電気ノイズ特性を提供することができます。多層PCB内の各層は、信号層またはプレーン層のいずれかになります。

• シグナルレイヤー - これらのレイヤーは、コンポーネント間で電気信号を伝達するために完全に予約されています。
• プレーンレイヤー - これらのレイヤーは大きな銅ブロックで構成されており、一般的にVCCやGNDなどの電源供給源に使用されます。大きな表面積を利用することで、プレーンレイヤーは電気ノイズの防止と抑制に優れています。

赤、水色、薄茶色のシグナルレイヤーと、緑と濃茶色のプレーンレイヤーを含む、PCBの展開図。

多層PCBはいくつかの異なる方法で製造することができますが、最も単純な方法は、複数の薄い両面PCBをプリプレグ層を各層の間に使用して積層することです。

両面PCBとプリプレグ層の比率は、コスト、重量、電気機械的考慮に応じて定義することができます。以下のシナリオは、例として8層ボードの層スタックのバリエーションを示しています。

1. シナリオ1 - 外層ペアに偏重した8層ボード。

外層ペアに偏った8層PCB。

このレイヤースタックでは、4つのコア上の銅を同時にエッチングし、その後、プリプレグの層を挟んで（積層して）一緒にすることができます。このPCBは、最も複雑でない製造プロセスを必要とするでしょう。

2. シナリオ2 - 内層ペアに偏った8層PCB。

内層ペアを重視した8層PCB

このレイヤースタックでは、3つのコアを同時にエッチングできますが、その後、外側のプリプレグと銅層をラミネートプロセスの一部として別途追加する必要があります。その後、PCB全体がもう一度エッチングプロセスを通過し、最近追加された外層から不要な銅を除去する必要があります。

3. シナリオ3 - 単一のコアから作成され、複数のプリプレグ層で構築された8層PCB。

単一のコアから作られた8層PCBで、いくつかのプリプレグ層で構築されています。

このレイヤースタックでは、単一のPCBコアが複数のプリプレグ層と銅層を使って段階的に構築されます。新しいプリプレグ層と銅層が追加されるたびに、PCBはエッチングプロセスを再び通過しなければならず、最近追加された外層から不要な銅を取り除きます。これは6つの異なるプリプレグ層のそれぞれに対して順番に行われます。ボードが銅のエッチングプロセスを何度も通過しなければならないため、このPCBは最も複雑な製造プロセスを必要とするでしょう。

ブラインドビアとバリードビア

マルチレイヤーPCBを作成する際に使用されるコアは、完全なスタックにラミネートされる前に、個別にエッチング、ドリリング、メッキが可能です。これにより、最終的なボードの一方または両方の側面に表面化しない内部レイヤーにのみ接続されたビアを作成することが可能になります。これは、PCBの外層にビアによって占められていたであろうランドエリアを、今では配線に使用できることを意味します。このタイプのビアには以下のものがあります：

• ブラインドビア - これらはPCBの一方の側面にのみ表面化するビアです。
• バリードビア - これらはPCBのどの側面にも表面化しないビアです。

ブラインドビアやバリードビアの使用が高度なPCB設計でますます一般的になっていますが、実際に製造可能な基板であることを確認するためには、PCBのレイヤースタックアップに注意深く考慮する必要があります。次の画像に示されているように、3つの両面コアが2つのプリプレグ層で挟まれて構成されるレイヤースタックアップを考慮してください。また、思いがけない設計者によって要求されたビアの配置についても考慮してください。

典型的な6層PCBスタックアップ（上）と不可能なビア配置。

ビアの配置は不可能です。なぜなら、プリプレグ層だけを通過する穴をあける（そしてめっきする）ことができないからです。したがって、上の画像で左から数えて3番目と5番目のビアはあけることができません。これを克服するためには、隣接するコア層のいずれかを通過して穴をあけ、正確な深さ制御を適用して、下に示すようなより現実的な設計を作成する必要があります。

隣接するコアを貫通し、プリプレグ層を跨ぐビアを落とすために正確な深さ制御を適用する。

上記の設計はより現実的ですが、層をラミネートする方法を制限し、一部のPCBメーカーでは許可されない場合があります。いずれにせよ、提案されている方法は効率的とは言えません。ワークフローは以下のようなものになるでしょう：

1. 両面のコアボードをエッチングし、穴をあけ、めっきを施す。
2. 内層の2から下層までをカバーするようにボードを積層する。
3. 制御深度穿孔を使用して、左から5番目のビアを穿孔し、めっきを施す。
4. 最終的なプレプレグ層を追加し、その上に外層コアと内層1をカバーする。
5. 制御深度穿孔を使用して、左から3番目のビアを穿孔し、めっきを施す。

このプロセスはかなり複雑で、穿孔、めっき、積層のプロセスを複数回繰り返す必要があります。より良い選択肢は、上記のステップ2から4を1つのステップに簡略化し、すべてのコアを一度に積層し、制御深度穿孔を使用して2つのブラインドビアを作成することです、下記のように図示されています。

プリプレグ層を横断するための改良されたドリリングアプローチ。
最終的に、特定の製造業者で制御されたドリリングの深さが不可能である場合、プリプレグ層を横断するために必要なビア接続の点で基板を全て通してドリルする以外に選択肢がないかもしれません。以下に示されています。
単一のプリプレグ層を通過する必要があるビアに対して完全なスルーホールドリリングを使用する。 明らかに、これはPCBの外層におけるビアによって占められるランドエリアが配線にはもはや使用できなくなることを意味しますが、それでも合理的な価格で製造可能なPCBデザインを実現するためには、この妥協が必要かもしれません。

リジッドフレックス基板

リジッドフレックスは、フレキシブルな回路と硬い回路の両方を組み合わせたプリント回路の名称です。この組み合わせは、フレキシブルな回路と硬い回路の両方の利点を活用するのに理想的です - 硬い回路が全てまたは大部分のコンポーネントを搭載でき、フレキシブルな部分が硬い部分間の接続として機能します。

硬いPCBのセクションをフレキシブルなセクションを介して結合することにより、複雑なハイブリッドPCBを設計でき、それらは筐体に収めるために折りたたむことができます。

フレックス回路は、フレキシブルな基板材料と銅を接着剤、熱、圧力を用いて積層して作られます。以下の画像は、フレックス回路の簡略化されたビューを示しており、その構成要素がその後に要約されています：

  

フレキシブル回路がどのように製造されるかの簡略化されたビュー、材料は熱と圧力の下で積層されます。

• 基板 - 最も一般的な基板はポリイミドで、強力でありながらフレキシブル性のある熱硬化性ポリマー（サーモセット）です。フレキシブル回路の製造によく使用されるポリイミドの例には、Apical、 Kapton、UPILEX、VTEC PI、Norton TH、およびKaptrexがあります。（これらは登録商標であり、それぞれの商標所有者が所有しています）。

• 銅 - 銅層は通常、圧延および焼きなまし（RA）銅、または時には鍛造銅です。これらの銅はフォイルとして生産され、優れたフレキシブル性を提供します。彼らは伸長した粒を持っており、ダイナミックフレックス回路でこれを正しく向けることが、最大の曲げ寿命を達成するために重要です。これは、ダイナミックフレックス回路をロールに沿って向けること（つまり、回路がフォイルがコイルされたのと同じ方法で曲がるようにすること）によって達成されます。フレックス製造業者は通常、製造パネルの準備中にこれを扱いますが、デザイナーが自分自身で回路パネル化（フレックス回路設計でネスティングと呼ばれる）を行う場合にのみ問題になります。銅フォイルは通常、感光層でコーティングされ、それから露光されエッチングされて、導体と終端パッドの望ましいパターンを形成します。

• 接着剤 - 接着剤は通常アクリルであり、構造内で最も柔らかい材料として、最も多くの製造上の課題を導入します。これには、銅層にアクセスするためにカバーレイヤーに切り込まれた開口部に接着剤が押し出されるスクイーズアウト、アクリル接着剤のCTE（熱膨張係数）が高いためのZ軸方向の膨張欠陥、および吸湿率が高いための湿気のガス放出が含まれます。これにより、樹脂の後退、ブローアウト、およびメッキスルーホールサイトでの剥離が発生する可能性があります。代替の接着剤や無接着プロセスも利用可能であり、これらはコストに敏感でないアプリケーションではより適切かもしれません。

フレックス回路とリジッドフレックス回路には、タイプとして参照される標準的なスタックアップがいくつかあります。これらは以下の通りです。

• タイプ1（シングルレイヤー） - このタイプは、1つの導電層と1つまたは2つのポリイミド外層を含む片面フレキシブル配線を提供します。

   2つのカバーレイヤー、両側にアクセスホール、コンポーネントホールにめっきなしのタイプ1フレックス構造。

機能概要
導電層が一層で、二つの絶縁層の間にラミネートされているか、片側が露出しています。
導体へのアクセス穴は片側または両側にあることができます。
コンポーネントの穴にめっきはありません。
コンポーネント、補強板、ピン、コネクタが使用できます。
静的および動的なフレックスアプリケーションに適しています。

• タイプ2（ダブルレイヤー） - このタイプは、両面にフレキシブルなプリント配線を提供し、2つの導電層とメッキスルーホールを含んでおり、スティフナーの有無にかかわらず使用できます。

   両面にアクセスホールとメッキスルーホールを持つタイプ2フレックス構造。

機能概要
絶縁層を挟んだ2つの導電層があり、外側の層にはカバーがついているか、パッドが露出しています。
スルーホールメッキにより層間が接続されます。
アクセスホールまたはカバーのない露出パッドは、片側または両側に配置でき、ビアは両側をカバーできます。
コンポーネント、補強板、ピン、コネクタが使用できます。
静的および動的なフレックスアプリケーションに適しています。

• タイプ3（多層） - このタイプは、3層以上の導電層を持つ多層フレキシブルプリント配線を提供し、メッキスルーホールがあり、スティフナーの有無にかかわらず提供されます。

   両面にアクセスホールとメッキスルーホールを持つタイプ3フレックス構造。

機能概要
3層以上のフレキシブルな導電層と、それぞれの間にフレキシブルな絶縁層があり、外層にはカバーまたは露出したパッドがある。
メッキされたスルーホールにより層間が接続される。
アクセスホールまたはカバーのない露出したパッドは、片側または両側にあることができる。
ビアはブラインドビアまたはバリードビアであることができる。
コンポーネント、スティフナー、ピン、コネクタを使用できる。
通常、静的フレックスアプリケーションに使用される。

• タイプ4（多層リジッドフレックス） - このタイプは、多層のリジッドおよびフレキシブルな材料の組み合わせ（リジッドフレックス）を提供し、メッキスルーホールを含む3層以上の導電層を含んでいます。リジッドフレックスは、リジッド層に導体を持っている点で、スティフナーを持つ多層回路とは異なります。

  タイプ4のリジッドフレックス構造では、フレックス構造の外側にリジッド層を追加することでリジッドセクションが形成されます。

機能概要
3層以上の導電層を持ち、各層の間にはフレキまたはリジットの絶縁材料を使用；外層はカバーがついているか、露出したパッドがある。
スルーホールは、ブラインドビアや埋め込みビアを除き、リジット層とフレキ層の両方を通過する。
アクセスホールまたはカバーのない露出パッドは、片側または両側に配置可能。
ビアやインターコネクトは、最大限の絶縁のために完全に覆うことができる。
コンポーネント、補強板、ピン、コネクタ、ヒートシンク、取り付けブラケットが使用可能。

PCB製造プロセス

PCBを製造するプロセスは比較的簡単であり、製造業者によって若干の違いはあるものの、このプロセスの動作方法を理解することで、製造上の問題が発生しにくいPCBを作成するのに役立ちます。標準的な多層PCB（フレックスまたはリジッドフレックスではない）を製造するために使用されるプロセスの詳細なステップバイステップの流れが以下にガイドとして示されています。

1. Material Selection - 最終組み立てに必要なコアとプレプレグ層を選択し、サイズに切断します。

2. Drill & Metalize Blind/Buried Vias - この工程は、基板にブラインドビアビアまたは埋め込みビアを設ける場合にのみ必要です。ビアをドリルで開け、コアを通して導電性を確保するためにビアの内壁に金属化層をコーティングします。

3. Laminate/Expose/Develop Photoresist - 銅張りコアにフォトレジストコーティングを適用します。これをレイヤーのアートワークのネガ画像を通してUV光に露光します。現像後、露光されたフォトレジストは硬化し、次の工程で使用されるエッチング剤に対して不浸透になります。露光されなかったフォトレジストは洗い流され、下に露出した銅が残ります。

4. Etch - 酸の浴槽に浸して保護されていない銅を除去します。

5. Strip Resist - 銅のアートワークを保護するために使用されたフォトレジストはもはや必要なく、除去されます。

6. Laminate Cores together with Prepreg to create Panel - コアを順番に、プレプレグの層を間に挟みながら積み重ねます。加熱プレスに入れると、プレプレグはエポキシ接着剤に溶け、コア層を一つの完全な層スタックパネルに結合します。

7. Drill & Metalize Holes/Vias - 完成したパネルを通してビアと穴をドリルし、内壁に金属化層をコーティングして導電性を確保します。

8. Laminate/Expose/Develop Photoresist - 外層にフォトレジストコーティングを適用します。これを外層のアートワークのネガ画像を通してUV光に露光します。現像後、露光されたフォトレジストは硬化し、次の工程で使用されるエッチング剤に対して不浸透になります。露光されなかったフォトレジストは洗い流され、下に露出した銅が残ります。

9. Etch - 酸の浴槽に浸して保護されていない銅を除去します。

10. Strip Resist - 銅のアートワークを保護するために使用されたフォトレジストはもはや必要なく、除去されます。

11. Print Solder Mask - 基板上にはんだマスクを印刷して、下地の銅アートワークを酸化から保護し、PCBの意図しない部分にはんだが付着するのを防ぎます。

12. Apply Surface Finish - 露出した銅の領域に表面処理を適用して、それらを要素から保護し、部品の取り付けやはんだ付けに適した表面を提供します。

13. Print Silkscreen - 完成したPCBにシルクスクリーンのテキストとグラフィックを印刷します。

14. Route - CNCルーターで完成したPCBを形状に切り抜きます。

15. Pack and Ship Complete PCB - PCBを湿気や腐食から保護する梱包材に入れ、完成したPCBを顧客に出荷します。

製造プロセスの可視化

以下のセクションでは、異なる層数のPCBのベアボードを製造するプロセスを、よりグラフィカルに見ていきます。

両面ボード

1. 両面PCBは、片面PCBとほぼ同じ方法で始まりますが、コアは上部と下部の両方の表面に銅がコーティングされています。

2. ボードはすべての穴が予め開けられています。

3. その後、感光性マスクが適用されます。

4. 所望のトラックのネガティブイメージが、フォトレジストの上に慎重に合わせられます。

5. フォトレジストコーティングは光に敏感なので、基板を強力なUV光の下で照らすと、露出したフォトレジストの領域が硬化します。

6. ネガティブオーバーレイが取り除かれ、フォトレジストが現像されます。

7. 露光されなかったフォトレジストの部分が洗い流され、下の銅層が現れます。

8. その後、基板を酸に浸します。硬化したフォトレジストは、それが覆う銅を保護しますが、露出した銅は溶解され、銅のトラックのみが残ります。

9. 硬化したフォトレジストはその後除去され、下にある銅のトレースが露出します。

10. 次に、上層と下層の間の導通経路を確保するために、ビアと穴の壁に化学的にめっきが施されます。

11. その後、銅にははんだ付着を助けるために薄い錫の層がコーティングされ、はんだが必要ない基板の領域からはんだを遠ざけるためにはんだマスクが適用されます。はんだマスクは通常、PCBに緑色を与えるものですが、他のはんだマスクの色も利用可能です。

4層基板

1. 4層基板の場合、コアはドリル加工前にエッチングされ、その後、外側の表面にプリプレグと銅の層が熱と高圧を使って接合されます。

2. その後、スタックはドリルで穴を開けられ、外層は以前に二層基板で説明したのと同じ方法でエッチングされます。

6層以上

1. 6層以上が必要な基板の場合、必要な層数を構築するためにコア層とプリプレグ層が交互に重ねられます。コアは個別にエッチングされ、その後、上部と下部にプリプレグ層を挟み、2つのコアを結合するために重ね合わされます。4層基板と同様に、銅シートも上部と下部の外表面に取り付けられます。

2. その後、スタックはドリルで穴を開けられ、外層は両面基板について以前に説明した方法とほぼ同じ方法でエッチングされます。このプロセスは、30層以上の基板を作成するために同じ方法で拡張することができます。

これからどうする？

製造したいPCBのタイプが何であれ - リジットであれ、リジット-フレックスであれ - 最初に行うべきことは、必要なレイヤースタックを定義することです。Altium DesignerのPCBエディタ内では、すべてのレイヤースタックがLayer Stack Managerダイアログ（Design » Layer Stack Manager）で定義されます。新しいボードの場合、その単一のデフォルトスタックには、下記の画像に示されているように、誘電体コア、2つの銅（シグナル）層、および上部および下部のはんだマスク/カバーレイ層が含まれます。

レイヤースタックの管理はレイヤースタックマネージャーダイアログで行います。新しいボードのデフォルトの単一スタックが表示されています。

Altium Designerでボードのレイヤースタックを定義する方法の詳細については、レイヤースタックの定義を参照してください。