プリント基板の構成を理解する

ほとんどすべての電子製品を開けてみると、中にはプリント基板（PCB）が入っています。この基板は、設計を構成する電子部品の機械的な取り付け場所を提供するとともに、それらの間の電気的接続も担っています。半世紀以上にわたり電子業界で広く使用されてきたPCBは、熟練した設計者によって設計され、精密なプロセスで製造される複雑な製品へと進化してきました。

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、製造プロセスを把握している設計者は、より低コストで高い製造歩留まりを実現できるPCBを設計する能力が格段に高まります。

PCB（プリント基板）は、ほぼすべての電子製品の中心的存在です。

PCBの構造

以下のセクションでは、片面基板からリジッドフレックス基板まで、さまざまな種類のPCBと、すべての製造工程に共通する主要な要素について説明します。

片面基板

最もシンプルなPCBは片面基板と呼ばれ、その名の通り導体が片面、通常は下側のみに配置されています。

片面PCBは、上面に部品を配置し、下面ではんだ付けを行うスペースが確保されています。

片面PCBは、すべてのPCBと同様に、Coreと呼ばれる絶縁基材から始まります。コアは、最終回路に求められる特性に応じてさまざまな材料で作られますが、最も一般的なのはガラス繊維です。

コアの片面全体に薄い銅箔がコーティングされます。部品取り付け用の穴をドリルで開けた後、不要な銅を化学エッチングで除去し、回路の部品同士を電気的に接続するためのパターンやパッドだけを残します。

基板の上面はComponent Sideと呼ばれ、スルーホール部品は通常この面に実装され、リードが基板を貫通して下面に出ることで、銅パッドやパターンに容易にはんだ付けできるようになっています。表面実装部品はこの例外で、銅パッドに直接実装されるため、Solder Sideにのみ配置されます。

両面基板

片面PCBよりやや複雑なのが両面PCBで、コアの上下両面に銅パターンが形成されています。これにより、より複雑な配線が可能になります。一般的に、スルーホール部品は片面基板と同様にTop Layerに、表面実装部品はBottom Layerに実装されます。

両面PCBは、基板の上下両面に導電パターンが形成されています。

スルーホールめっき（PTH）

両面基板では、スルーホール部品のリードによって上下層間の電気的接続を行うのが一般的ですが、必ずしも部品リードの位置で層間を接続できるとは限りません。そのため、両面PCBにはPlated Through Holes（PTH）がよく追加されます。

スルーホールめっきが施された両面PCB。

穴のめっきは、ドリルで穴を開けた後、電解メッキによって穴の内側に銅を析出させることで実現します。これにより、スルーホール部品のリードに頼らず、上下層の銅パターン間に導通経路が形成されます。

上下のソルダーマスク

ほとんどのPCBアセンブリは、フローはんだ付けやリフローはんだ付けのプロセスで実装されます。いずれの場合も、隣接するパターン間ではんだブリッジが発生する可能性があるため、Solder Maskを適用します。ソルダーマスクはその名の通り、はんだが不要な部分の銅に付着するのを防ぐマスクとして機能し、誤動作を防ぎます。副次的な効果として、ソルダーマスクはPCBパターンの露出した銅の腐食も防ぎます。

スルーホールめっきとソルダーマスクが施された両面PCB。

ソルダーマスクの色はさまざまですが、伝統的に緑色が多く、これが多くの人がPCBと聞いて思い浮かべる特徴的な緑色の由来です。ソルダーマスクは、精密なスクリーン印刷工程で基板の上下両面に塗布されます。

シルクスクリーン層

企業ロゴや部品番号、指示などの可視情報を基板に表示する必要がある場合、シルクスクリーン印刷で基板表面に文字情報を追加します。シルクスクリーン情報は、選択したソルダーマスクとコントラストをつけるため、通常は白色ですが、他の色も使用可能です。スペースに余裕があれば、部品番号やスイッチ設定、組立作業を支援する追加情報なども記載できます。

部品番号を示すシルクスクリーン情報が追加されたPCBの上面。

多層基板

ここまで説明したのは1層または2層のPCBですが、さらに多くの層を持つPCBも作成可能です。これらはmulti-layered PCBsと呼ばれ、より高密度な配線や、優れた電気的ノイズ特性を実現できます。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。

• Signal Layers - これらの層は、部品間の電気信号を伝送するために専用化されています。
• Plane Layers - これらの層は広い銅面積で構成され、VCCやGNDなどの電源供給に使用されます。広い面積を活用することで、プレーン層は電気的ノイズの防止や抑制に優れています。

信号層（赤、水色、薄茶色）とプレーン層（緑、濃茶色）を含む多層PCBの分解図。

多層PCBの製造方法はいくつかありますが、最もシンプルなのは、複数の薄い両面PCBをプリプレグ層で挟みながら積層（ラミネート）する方法です。

両面PCBとプリプレグ層の比率は、コスト、重量、電気機械的要件に応じて決定できます。以下のシナリオは、8層基板のレイヤースタックのバリエーション例です。

1. Scenario 1 - 外層ペアに重点を置いた8層基板。

外層ペアに重点を置いた8層PCB。

このレイヤースタックでは、4つのコアすべての銅を同時にエッチングし、その後プリプレグ層で挟んで積層（ラミネート）します。このPCBは最もシンプルな製造工程で済みます。

2. Scenario 2 - 内層ペアに重点を置いた8層PCB。

内層ペアに重点を置いた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、外側のプリプレグと銅層は積層工程で別途追加する必要があります。基板全体は、追加された外層の不要な銅を除去するため、もう一度エッチング工程を通過する必要があります。

3. Scenario 3- 1つのコアから作られ、複数のプリプレグ層で積層された8層PCBです。

1つのコアから作られ、複数のプリプレグ層で積層された8層PCBです。

このレイヤースタックでは、1枚のPCBコアに対して、複数のプリプレグ層と銅箔を順次積み重ねていきます。新たなプリプレグと銅箔層が追加されるたびに、PCBは再度エッチング工程を通過し、追加された外層の不要な銅を除去します。これは6つの異なるプリプレグ層ごとに順番に行われます。基板が銅のエッチング工程を何度も通過する必要があるため、このPCBは最も複雑な製造プロセスを必要とします。

ブラインドビアおよび埋め込みビア

多層PCBの製造に使用されるコアは、積層されて完全なスタックになる前に、個別にエッチング、ドリル、メッキが可能です。そのため、最終基板の片面または両面に露出しない、内部層のみに接続されたビアを作成することができます。これにより、従来はビアによって占有されていた外層のランド面積を配線に利用できるようになります。これらのビアの種類は以下の通りです：

• Blind Vias - PCBの片面のみに露出するビアです。
• Buried Vias - PCBのいずれの面にも露出しないビアです。

ブラインドビアや埋め込みビアの使用は、先進的なPCB設計でますます一般的になっていますが、基板が実際に製造可能であることを確実にするために、PCBのレイヤースタックアップを慎重に検討する必要があります。以下の画像のレイヤースタックアップを考えてみましょう。これは2つのプリプレグ層を挟んで3つの両面コアで構成されています。また、設計者が意図せず指定したビア配置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。

このビア配置は、プリプレグ層だけを通る穴をドリル（およびメッキ）することができないため、不可能です。したがって、上の画像で左から3番目と5番目のビアはドリルできません。これを解決するには、隣接するコア層のいずれかを貫通してドリルし、精密な深さ制御を適用して、より現実的な設計にする必要があります。下図のように示します。

隣接するコアを貫通してドリルし、精密な深さ制御を適用してプリプレグ層をまたぐビアを形成します。

上記の設計はより現実的ですが、レイヤーの積層方法に制限が生じ、一部のPCBメーカーでは対応できない場合もあります。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。ワークフローは次のようになります：

1. 各両面コア基板をエッチング、ドリル、メッキします。
2. 内層2から最下層までの基板を積層します。
3. 制御された深さのドリルで、左から5番目のビアをドリル・メッキします。
4. 最終プリプレグ層と、トップおよび内層1を覆う外側コアを追加します。
5. 制御された深さのドリルで、左から3番目のビアをドリル・メッキします。

このプロセスは非常に手間がかかり、ドリル、メッキ、積層の工程を複数回繰り返す必要があります。より良い方法は、上記のステップ2～4を1つの工程にまとめ、すべてのコアを一度に積層し、制御された深さのドリルで2つのブラインドビアを作成することです。下図のように示します。

プリプレグ層をまたぐビアのドリル方法の改良例。

最後に、特定のメーカーで制御されたドリル深さが不可能な場合、プリプレグ層をまたぐビア接続が必要な箇所で、基板を完全に貫通するドリルを行うしかない場合もあります。下図のように示します。

プリプレグ層1枚を貫通する必要があるビアに対して、完全なスルーホールドリルを使用する例。

この場合、PCBの外層でビアが占有するランド面積は配線に利用できなくなりますが、それでも合理的な価格で製造可能なPCB設計を実現するための妥協点となる場合があります。

リジッドフレックス基板

リジッドフレックスとは、フレキシブル回路とリジッド回路の両方を組み合わせたプリント回路のことです。この組み合わせにより、フレキシブル回路とリジッド回路の両方の利点を活かすことができます。リジッド回路にはすべて、または大部分の部品を実装し、フレキシブル部分はリジッド部分間の接続として機能します。

PCBのリジッド部分をフレキシブル部分で接続することで、複雑なハイブリッドPCBを設計でき、
筐体内に折りたたんで収めることが可能です。

フレックス回路は、フレキシブル基材と銅箔を積層し、接着剤、熱、圧力で一体化して作られます。次の画像は、フレックス回路の簡略化した構造を示しており、その構成要素を以下にまとめます。

   フレキシブル回路の製造方法の簡略図。材料は熱と圧力で積層されます。

• Substrate - 最も一般的な基材はポリイミドで、強靭でありながら柔軟な熱硬化性ポリマー（熱硬化性樹脂）です。フレキシブル回路の製造によく使われるポリイミドの例としては、Apical、 Kapton、UPILEX、VTEC PI、Norton TH、Kaptrexなどがあります。（これらは各商標権者が所有する登録商標です。）
• Copper - 銅層は通常、圧延焼鈍（RA）銅、または時には鍛造銅が使われます。これらの銅は箔として製造され、優れた柔軟性を持ちます。結晶粒が長く伸びているため、動的フレックス回路では最大の屈曲寿命を得るために正しい方向に配置することが重要です。これは、動的フレックス回路をロール方向に沿って配置することで実現されます（回路が箔の巻き方向に曲がるようにする）。フレックスメーカーは通常、製造パネルの準備段階でこれに対応しますが、設計者が自ら回路のパネル化（nestingと呼ばれる）を行う場合のみ問題となります。銅箔は通常、感光層でコーティングされ、露光・エッチングによって所望の配線パターンや端子パッドが形成されます。
• Adhesive - 接着剤は通常アクリル系で、構造中で最も柔らかい材料であるため、最も多くの製造上の課題をもたらします。これには、カバー層に開けた開口部から接着剤がはみ出す「スクイーズアウト」、アクリル接着剤のCTE（熱膨張係数）が高いために発生するZ軸方向の膨張不良、吸湿率が高いために発生する水分ガス放出による樹脂の後退、ブローアウト、スルーホール部での剥離などが含まれます。コストにあまり敏感でない用途では、代替接着剤や無接着剤プロセスも利用可能です。

フレックスおよびリジッドフレックス回路には、Typesと呼ばれる標準的なスタックアップがいくつかあります。以下にまとめます。

• Type 1 (Single Layer) - このタイプは、1つの導体層と1枚または2枚のポリイミド外側カバー層を持つ片面フレキシブル配線です。

   Type 1フレックス構造（2枚のカバー層、両面にアクセスホール、
部品穴にメッキなし）。

機能概要
1つの導体層が、2つの絶縁層の間に積層されているか、片面が未被覆です。
導体へのアクセスホールは片面または両面に設けることができます。
部品穴にメッキはありません。
部品、補強板、ピン、コネクタの使用が可能です。
静的・動的フレックス用途の両方に適しています。

• Type 2 (Double Layer) - このタイプは、2つの導体層とスルーホールメッキを持つ両面フレキシブル配線で、補強板の有無を問いません。

   両面にアクセスホールとスルーホールがあるType 2フレックス構造です。

機能概要
2層の導体層の間に絶縁層があり、外層にはカバーや露出パッドを設けることができます。
スルーホールにより層間の接続が可能です。
カバーのないアクセスホールや露出パッドは、片面または両面に設けることができます。ビアは両面ともカバーすることが可能です。
部品、補強板、ピン、コネクタなどを使用できます。
静的および動的なフレックス用途に適しています。

• Type 3 (Multilayer) - このタイプは、3層以上の導体層とスルーホールを持つ多層フレキシブル配線を提供し、補強板の有無を問いません。

   両面にアクセスホールとスルーホールがあるType 3フレックス構造です。

機能概要
3層以上のフレキシブル導体層の間にフレキシブル絶縁層があり、外層にはカバーや露出パッドを設けることができます。
スルーホールにより層間の接続が可能です。
カバーのないアクセスホールや露出パッドは、片面または両面に設けることができます。
ビアはブラインドまたは埋め込み型にすることができます。
部品、補強板、ピン、コネクタなどを使用できます。
主に静的フレックス用途で使用されます。

• Type 4 (Multilayer Rigid-Flex) - このタイプは、3層以上の導体層とスルーホールを持つ多層リジッドおよびフレキシブル材料の組み合わせ（リジッドフレックス）を提供します。リジッドフレックスはリジッド層にも導体がある点が、補強板付き多層回路と異なります。

  Type 4リジッドフレックス構造では、リジッド部はフレックス構造の外側にリジッド層を追加して形成されます。

機能概要
3層以上の導体層の間にフレキシブルまたはリジッドな絶縁材料を挟み、外層にはカバーや露出パッドを設けることができます。
スルーホールはリジッド層とフレックス層の両方を貫通します（ブラインドビアや埋め込みビアを除く）。
カバーのないアクセスホールや露出パッドは、片面または両面に設けることができます。
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カバーすることができます。
部品、補強板、ピン、コネクタ、ヒートシンク、取付ブラケットなどを使用できます。

PCB製造プロセス

PCBの製造プロセスは比較的シンプルで、メーカーごとに多少の違いはあるものの、このプロセスを理解することで製造上の問題が起こりにくいPCB設計が可能になります。標準的な多層PCB（フレックスやリジッドフレックスを除く）の製造に使われる詳細な手順を以下にガイドとして示します。

1. Material Selection - 最終組立に必要なコア層とプリプレグ層を選定し、所定のサイズにカットします。
2. Drill & Metalize Blind/Buried Vias - この工程は、基板にブラインドビアや埋め込みビアを設ける場合のみ必要です。ビアをドリルし、ビアバレルに金属皮膜を施してコア間の導通を確保します。
3. Laminate/Expose/Develop Photoresist - 銅張りコアにフォトレジストを塗布します。次に、レイヤーのアートワークのネガ画像を通してUV光を照射します。現像後、露光されたフォトレジストは硬化し、次工程のエッチング剤に耐性を持ちます。未露光のフォトレジストは洗い流され、下の銅が露出します。
4. Etch - 酸性浴に浸して、保護されていない銅を除去します。
5. Strip Resist - 銅パターンを保護していたフォトレジストは不要となるため、除去します。
6. Laminate Cores together with Prepreg to create Panel - コアを順番に積み重ね、その間にプリプレグ層を挟みます。加熱プレスにかけるとプリプレグがエポキシ接着剤となり、コア層同士を接着して完全なレイヤースタックパネルを形成します。
7. Drill & Metalize Holes/Vias - 完成したパネルにビアや穴をドリルし、バレルに金属皮膜を施して導通を確保します。
8. Laminate/Expose/Develop Photoresist - 外層にフォトレジストを塗布します。次に、外層アートワークのネガ画像を通してUV光を照射します。現像後、露光されたフォトレジストは硬化し、次工程のエッチング剤に耐性を持ちます。未露光のフォトレジストは洗い流され、下の銅が露出します。
9. Etch - 酸性浴に浸して、保護されていない銅を除去します。
10. Strip Resist - 銅パターンを保護していたフォトレジストは不要となるため、除去します。
11. Print Solder Mask - 基板にソルダーマスクを印刷し、下層の銅パターンを酸化から保護し、不要な部分へのはんだ付着を防ぎます。
12. Apply Surface Finish - 露出した銅部分に表面処理を施し、外部環境からの保護と部品実装・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で文字やグラフィックを印刷します。
14. Route - 完成したPCBをCNCルーターで所定の形状に加工します。
15. Pack and Ship Complete PCB - 完成したPCBを湿気や腐食から守るパッケージに封入し、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、層数の異なるPCBベアボードの製造プロセスを図解的に紹介します。

両面基板

1. 両面PCBは、片面PCBとほぼ同様に製造が始まりますが、コアの上下両面に銅がコーティングされています。

2. 基板にはすべての穴が事前にドリルされます。

3. その後、フォトレジストマスクが塗布されます。

4. 希望する配線パターンのネガ画像がフォトレジストの上に慎重に位置合わせされます。

5. フォトレジストコーティングは光に敏感なため、強力なUV光を照射すると露光部分が硬化します。

6. ネガフィルムを取り外し、フォトレジストを現像します。

7. 未露光部分のフォトレジストが洗い流され、下の銅層が露出します。

8. 基板を酸に浸します。硬化したフォトレジストは銅を保護しますが、露出した銅は溶解し、配線パターンのみが残ります。

9. 硬化したフォトレジストを除去し、下の銅配線を露出させます。

10. 次に、ビアや穴の壁に化学的にメッキを施し、上下層間の導通経路を確保します。

11. 銅にはんだ付け性を高めるために薄いスズ層をコーティングし、不要な部分へのはんだ付着を防ぐためにソルダーマスクを塗布します。ソルダーマスクは通常、PCBに緑色を与えますが、他の色も利用可能です。

4層基板

1. 4層基板の場合、コアはドリル前にエッチングされ、その後プリプレグと銅箔が外側に熱と高圧で接着されます。

2. その後、積層体をドリルし、外層をエッチングします。これは両面基板の場合とほぼ同様です。

6層以上

1. 6層以上が必要な基板では、コア層とプリプレグ層を交互に積層して必要な層数を構成します。各コアは個別にエッチングされ、上下にプリプレグ層を挟んでサンドイッチし、2つのコアを接着します。4層基板と同様に、銅箔も外側上下に貼り付けられます。

2. スタックはその後、穴あけ加工が行われ、外層は両面基板の場合とほぼ同様の方法でエッチングされます。このプロセスは同じ方法で拡張でき、30層以上の多層基板を作成することも可能です。

次はどこへ？

製造したいPCBの種類がリジッドであれ、リジッドフレックスであれ、最初に行うべきことは、必要に応じてレイヤースタックアップを定義することです。Altium NEXUS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。新しい基板の場合、そのデフォルトの単一スタックは、誘電体コア、2つの銅（信号）層、さらにトップおよびボトムのソルダーマスク／カバーレイ層で構成されており、下図のようになります。

レイヤースタックの管理は、Layer Stack Managerダイアログで行います。新しい基板のデフォルトの単一スタックが表示されています。

Altium NEXUSで基板のレイヤースタックを定義する方法について詳しくは、Defining the Layer Stackをご覧ください。