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。

プリント基板（PCB）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、すべての基板製造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、通常は下側だけに配置されています。

片面PCBは、上面に部品を配置し、下面で半田付けを行うスペースがあります。

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半田付けできるようになっています。表面実装部品は例外で、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よりわずかに複雑なのが両面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。慣例として、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体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が上下層間の電気的接続を担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、穴をドリルで開けた後、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。

上下ソルダーマスク

ほとんどのPCBアセンブリは、フロー半田やリフロー半田などのプロセスで半田付けされます。いずれの場合も、Solder Maskを適用しないと隣接するパターン間で半田ブリッジが発生する可能性があります。ソルダーマスクはその名の通り、半田が基板上の不要な銅部分に付着して誤動作を引き起こすのを防ぐ役割を果たします。副次的な効果として、ソルダーマスクはPCBパターン上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基本的にどんな色でも可能ですが、伝統的に緑色が使われており、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プロセス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が追加されます。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、通常は白色で印刷されますが、他の色も使用可能です。スペースに余裕があれば、部品記号やスイッチ設定、組立作業を支援する追加情報なども印刷できます。

部品記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完全に確保されています。
• Plane Layers - これらの層は大きな銅面で構成され、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箔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箔層は積層工程の一部として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に、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、単一のPCBコアに対して、複数のプリプレグ層と銅箔層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それぞれに対して順番に行われます。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。このプロセスは通常、マイクロビア（µVias）が必要な場合にのみ使用されます。

ビア

Main article: ビアの種類の定義

ビアは、銅層間を接続するために使用されます。ビアが基板の表面から裏面まで貫通している場合、スルーホールビア、スルーホールビア、またはスルービアと呼ばれます。このタイプのビアは各層にランドエリア、つまり銅のリングが含まれますが、その層の配線に接続されるかどうかは場合によります。これらのビアは、すべての層がラミネートされた後に機械的にドリル加工されます。

また、製造工程の特定の段階でビアを作成することで、他の層間を接続するビアを作ることも可能です。これらのビアは、ブラインドビアと埋め込みビア、そしてマイクロビア（µVias）の2つのグループに分類されます。それぞれのタイプには長所と短所があり、以下で説明します。

ブラインドビアと埋め込みビア

多層PCBの製造に使用されるコアは、ラミネートされる前に個別にエッチング、ドリル、メッキが可能なため、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、通常はビアによって占有されていた外層のランドエリア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。
• Buried Vias - PCBのいずれの面にも露出しないビア。

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だ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過する穴をドリル（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、上の画像では、左から数えて3番目と5番目のビアはドリル加工できません。標準的な多層基板の製造プロセスを用いた場合、以下のビア-レイヤーペアの組み合わせが可能です。

典型的な6層PCBスタックアップ（上）で可能なビア配置。

これを克服し、他のレイヤーの組み合わせを接続するには、異なるアプローチが必要であり、ここでµViasが活躍します。

マイクロビア

µViasは、高密度実装（HDI）設計において、先進的な部品パッケージや基板設計の高い入出力（I/O）密度に対応するため、層間のインターコネクトとして使用されます。HDI基板の製造にはシーケンシャルビルドアップ（SBU）技術が用いられます。HDI層は、通常、従来の両面コア基板または多層PCBの上に積層されます（上図の濃いコア部分がこれに該当し、ブラインドビアも含まれています）。各HDI層が従来のPCBの両面に積層される際、µViasはレーザードリル、ビア形成、ビアメタライゼーション、ビア充填などの工程で形成されます。レーザードリルによる穴は円錐形状になります。

複数層を貫通する接続が必要な場合、従来はµViasを階段状にずらして配置していましたが、技術とプロセスの進歩により、現在ではµViasを垂直に積み重ねることが可能になっています。

埋め込みµViasは充填が必要ですが、外層のブラインドµViasは充填不要です。積層µViasは通常、電気的接続と外層の構造的サポートのために電解銅で充填されます。

► µViasについてさらに詳しく

リジッドフレックス基板

Main article: リジッドフレックス設計

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、リジッド回路がすべてまたは大部分の部品を搭載し、フレキシブル部分がリジッド部分間のインターコネクトとして機能するという、両者の利点を活かすことができます。

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、圧力でラミネートして作られます。以下の画像は、フレックス回路の簡略化した構造を示しており、その構成要素を後述します。

   フレキシブル回路の製造方法の簡略図。材料は熱と圧力でラミネートされます。

• Substrate - 最も一般的な基材はポリイミドで、強靭かつ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、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用されます。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。粒子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向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設計することで実現されます（つまり、回路が箔の巻かれた方向に曲がるようにします）。フレックス基板メーカーは通常、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（フレックス回路設計で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あり、構造内で最も柔らかい材料であるため、製造上の課題が最も多くなります。主な課題には、カバーレイヤーに開けられた開口部から銅層にアクセスする際に接着剤がはみ出す「スクイーズアウト」、アクリル接着剤の熱膨張係数（CTE）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のアウトガス（これにより樹脂の後退、ブローアウト、スルーホール部での剥離などが生じる）などがあります。コストにあまり敏感でない用途では、代替接着剤や接着剤レスの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、いくつかの標準的な積層構造（Types）が用意されています。以下にその概要を示します。

• Type 1 (Single Layer) - このタイプは、1層の導体層と1枚または2枚のポリイミド外側カバーレイヤーを持つ片面フレキシブル配線を提供します。

   Type 1フレックス構造の例：2枚のカバーレイヤー、両面にアクセスホール、部品穴には
めっきなし。

機能概要
1層の導体層が2枚の絶縁層で挟まれているか、片面が露出しています。
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。
部品穴にはめっきがありません。
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層の導体層とスルーホールめっきを持つ両面フレキシブルプリント配線（補強板の有無を問わず）を提供します。

   Type 2フレックス構造の例：両面にアクセスホール、スルーホールめっきあり。

機能概要
2層の導体層の間に絶縁層があり、外層はカバー付きまたはパッド露出が可能です。
スルーホールめっきにより層間接続が可能です。
カバーなしの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、ビアは両面カバー可能です。
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 3 (Multilayer) - このタイプは、3層以上の導体層とスルーホールめっきを持つ多層フレキシブルプリント配線（補強板の有無を問わず）を提供します。

   Type 3フレックス構造の例：両面にアクセスホール、スルーホールめっきあり。

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、外層はカバー付きまたはパッド露出が可能です。
スルーホールめっきにより層間接続が可能です。
カバーなしの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設型も可能です。
部品、補強板、ピン、コネクタの使用が可能です。
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めっきを持つ多層リジッド・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の例：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絶縁材料を挟み、外層はカバー付きまたはパッド露出が可能です。
スルーホールめっきはリジッド層とフレキシブル層の両方を貫通します（ブラインド・埋設ビアを除く）。
カバーなしの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完全にカバーして最大限の絶縁が可能です。
部品、補強板、ピン、コネクタ、ヒートシンク、取付ブラケットの使用が可能です。

PCB製造プロセス

PCBの製造プロセスは比較的シンプルで、メーカーごとに若干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発生しにくいPCB設計が可能になります。標準的な多層PCBの製造に用いられる工程を、以下にガイドとして詳細に示します。

1. Material Selection - 最終組立に必要なコアおよび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 - ブラインドビアや埋設ビアを設ける場合のみ必要な工程です。コアにビアをドリルし、ビアバレルに金属皮膜を施して導通を確保します。
3. Laminate/Expose/Develop Photoresist - 銅張積層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 - 銅アートワーク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積層パネルを形成します。
7. Drill & Metalize Holes/Vias - 積層パネル全体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 - 銅アートワーク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 - 基板上にソルダーマスクを印刷し、下層の銅アートワークの酸化防止と、不要な部分へのはんだ付着を防止します。
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切り出します。
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のベアボード製造工程を図解で紹介します。

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加工されます。

3. その後、フォトレジストマスクが塗布されます。

4. 所望の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光の下で基板を照射すると、露光された部分のフォトレジストが硬化します。

6. ネガ画像を取り外し、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その下の銅を保護しますが、露出した銅は溶解し、銅配線だけが残ります。

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、ビアおよび穴の壁に化学的にめっきを施し、トップ層とボトム層の間に導通経路を確保します。

11. その後、銅に薄い錫の層をコーティングしてはんだ付け性を高め、不要な部分にはんだが付着しないよう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、他の色のソルダーマスクも利用可能です。

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、プリプレグと銅箔が外側の表面に熱と高圧で接着されます。

2. その後、積層体にドリル加工を施し、外層をエッチングします。この工程は、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の場合、コア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み、2つのコアを接着してサンドイッチ状にします。4層基板と同様に、銅箔も上下の外側表面に貼り付けられます。

2. その後、積層体にドリル加工を施し、外層をエッチングします。この工程も両面基板の場合とほぼ同様です。このプロセスを同じ方法で拡張することで、30層以上の多層基板も製造可能です。

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レイヤースタックの定義どのような種類のPCBを製造する場合でも、リジッドでもリジッドフレックスでも、最初に行うべきことは必要なレイヤースタックアップを定義することです。Altium NEXUSのPCBエディタでは、すべてのレイヤースタックがLayer Stack Manager （Design » Layer Stack Manager）で定義されます。新しい基板の場合、デフォルトの単一スタックには、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／カバーレイ層が含まれ、下図のように表示されます。

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詳細については、Defining the Layer Stackをご覧ください。