多層 PCB の利点と用途

多層 PCB テクノロジーの紹介

プリント基板 (PCB) は、集積回路やその他の電子コンポーネントを相互接続するためのプラットフォームを提供することにより、事実上すべての電子デバイスで重要な役割を果たします。何十年にもわたって回路の複雑さが増すにつれ、単層および二層 PCB は現代のエレクトロニクスの密度と性能要件を満たすことができなくなりました。このため、単一基板内に複数の絶縁層と導電層を利用することで、大幅に高い部品実装を可能にする多層 PCB 技術の開発が必要になりました。

今日、多層 PCB は、単層/二層ボードに比べて、フォームファクターの小型化、配線の柔軟性の向上、信号の完全性の向上、信頼性の向上、複数のボードに比べてコストの削減など、単層/二層ボードに比べて重要な利点があるため、さまざまな業界で広く普及しています。この記事は、多層 PCB テクノロジーの包括的な概要を提供することを目的としており、主要な概念、製造プロセス、設計上の考慮事項、アプリケーション、最新のトレンドを探ります。

多層プリント基板の種類

多層プリント基板 (PCB) の種類は、主に 3 つの種類に大別でき、それぞれに独自の特性と用途があります。

1. リジッド多層PCB:
   • : これらの PCB は柔軟性が低く、曲げたりねじったりすることはできません。その剛性は、FR4 補強材または同様の剛性基板材料の使用によるものです。
   • 特性: 設置後も形状を維持し、強度と耐久性に優れています。硬質多層 PCB には 12 層を超える層を含めることができます。
   • 用途: PCB 形状が静的であり、寿命が重要な電子機器で一般的に使用されます。例には、RAM、GPU、CPU などのコンポーネントを収容するコンピューターのマザーボードが含まれます。
2. フレックス多層 PCB:
   • : 3 つ以上の導電層を持つことができるフレキシブル回路です。これらは、高度な接続およびシールド技術を使用して片面または両面回路を組み合わせて構築されます。
   • 柔軟性: 柔軟性はありますが、柔軟性のレベルはラミネートプロセスによって異なります。連続積層により、層を追加するたびに剛性を高めることができます。
   • 公式サイト限定: 薄い誘電体基板のおかげで軽量になり、パッケージ サイズを縮小できます。利点としては、組み立てエラーの減少、設計の自由度、空気の流れの改善、放熱の増加などが挙げられます。
   • 用途: 航空宇宙技術など、スペースと重量が重要な高密度アプリケーションに最適です。
3. リジッドフレックス多層PCB:
   • ：リジッド基板とフレキシブル基板の両方の特長を兼ね備えたハイブリッドタイプです。フレキシブル回路基板に接続されたリジッド多層回路基板で構成されます。
   • 特性: この設計はリジッド PCB の強度とフレックス PCB の柔軟性を提供し、ボードが占めるスペースを最適化します。ただし、可撓部の層の数を増やすと、可撓性が低下する可能性があります。
   • 用途: スペース、重量、性能が重要な用途で広く使用されています。航空宇宙産業は、省スペース性と軽量性を実現するリジッドフレックス PCB を利用する注目すべき産業です。

これらの PCB タイプはそれぞれ、電子設計における特定の要件を満たすように設計されており、小型化、耐久性、複雑な回路管理など、現代のエレクトロニクスにおけるさまざまな課題に対するソリューションを提供します。

多層PCB技術の利点

多層 PCB テクノロジーの利点は、さまざまな業界での広範な採用に貢献しており、次のとおりです。

小さいフォームファクタ: 多層 PCB は、複数の回路基板の機能を 1 つのコンパクトな基板に統合し、電子機器の全体的なサイズを縮小します。

コンポーネント密度の増加: これらの PCB では、内部導電層と層間ビアのおかげで、単位面積あたりにより多くのコンポーネントを実装できるため、限られたスペースで複雑な回路が可能になります。

電気的性能の向上: 信号、電源、グランド用の専用プレーンを提供する多層 PCB は、ノイズ分離、制御されたインピーダンス配線を強化し、電磁干渉を低減します。

強化された熱管理: これらの PCB のプレーン層をパターン化して、重要な領域から熱を効果的に逃がし、熱放散を改善できます。

より高い信頼性: 多層 PCB の積層層間の強力な結合により、温度変動、振動、湿気、機械的ストレスに対する耐性が向上します。

組み立て/テストの容易さ: 複数のシンプルなボードを 1 つの多層ボードに統合することで、組み立てとテストのプロセスが簡素化されます。

全体的なコストの削減: マルチボード ソリューションを単一の多層ボードに置き換えることで、材料費、人件費、在庫コストを削減できます。

設計の柔軟性: 多層 PCB を使用すると、内層の再配線により土壇場での変更が容易になり、単層または二層の基板と比較して柔軟性が高まります。

多層PCB製造プロセスの進化

 多層 PCB の製造に関与する中核プロセスは、製造歩留まりを向上させ、基板あたりのコストを削減しながら、層数の増加、微細なフィーチャー解像度、より厳しい寸法公差、およびビア充填要件を可能にするために、数十年にわたって著しく進化してきました。主要な製造開発には次のようなものがあります。

• レーザー ダイレクト イメージング (LDI) テクノロジーの出現: 古い写真ベースのフィルム イメージングに代わって、高密度設計に必要な 10 ミクロン未満の高解像度が可能になりました。
• セミアディティブ メッキの導入: 必要な場所にのみ銅を選択的に堆積することでサブトラクティブ メッキを補完し、埋め込みマイクロビアやブラインド マイクロビアの製造性を向上させます。
• 水性ドライフィルムレジストの開発: 以前の溶剤ベースの樹脂と比較して、全体的な露光と現像の品質が向上しました。
• スタックドビアインパッド設計の実装: パネル化されたパッド構造内に完全なビアフィルを統合することで、より高いマイクロビアアスペクト比が可能になりました。
• フルパネル処理への移行: 個々の基板の穴あけ/めっきから、カットされていないパネル全体の処理に移行し、メチルエッチングおよびパッド内ビア設計の歩留まりが向上しました。
• レーザー穴あけ加工の進歩: 精度、テーパー制御、および 5 ～ 15 ミクロン範囲の埋め込みマイクロビア形成を向上させるために、機械的穴あけ加工からパルス レーザー ソースに移行しました。
• プロセス内検査機能の開発: AOI、X 線、およびリアルタイム欠陥検出のためのその他の技術を統合し、複雑なビア構造の歩留まりを向上させます。
• 内層レーザー加工の実装: 内層を選択的にアブレーションまたは修正することで、層間の位置合わせ精度が 2 ミクロン未満に向上しました。
• ビルドアップ技術の広範な使用: より層数の多いリジッドフレックスやその他の複雑なマルチマテリアル設計を製造するために、基板から外側に向けて基板を製造することが可能になります。

多層 PCB 設計プロセスと考慮事項

効果的な設計は、製造性、信頼性、設計ルールの順守を確保しながら、多層 PCB テクノロジの機能を最大限に活用するために重要です。多層 PCB 設計の重要な側面のいくつかを以下に示します。

回路図の作成: EDA ツールを使用して回路図を設計し、レイアウト前にコンポーネント ネットを定義します。

ボードのスタックアップ計画: 設計要件に基づいて、層の数、層の種類 (信号、電源、グランド)、および層の厚さを選択します。

フットプリントの作成: 表面実装/スルーホールコンポーネントに適したドリルサイズ/形状、パッドサイズを備えたフットプリントライブラリを定義します。

コンポーネントの配置： アセンブリと熱のガイドラインに従いながら、ボード領域上のコンポーネントを戦略的に管理します。

内層ルーティング: レイヤースタックアップ内で信号プレーンとリファレンスプレーンを配線して、ノイズを分離し、インピーダンスを管理します。

配置経由: ブラインド/埋め込み/スタックビアを戦略的に配置して、製造性を損なうことなく配線密度を最適化します。

外層ルーティング: アセンブリ/テストへのアクセスを考慮して、コンポーネントを外層のパッド/ビアに配線します。

デザインルールのチェック: スタックアップ、間隔、幅、電気接続規則への準拠を確認します。

ガーバーファイルの作成: 製造用に標準化されたガーバー形式で設計データを出力します。

電磁シミュレーション: 製造前にシグナルインテグリティ、パワーインテグリティ、EMI/EMC性能をシミュレーションして検証します。

試作品の製造/テスト: プロトタイプの結果に基づいて設計を繰り返し、設計目標が確実に満たされるようにします。

多層 PCB 製造に使用される主な材料

多層プリント基板 (PCB) の製造では、PCB の性能、耐久性、製造性に寄与する独自の特性に基づいて選択されたさまざまな特殊な材料が使用されます。これらの資料の詳細な概要は次のとおりです。

基材・基板:

• FR-4 ガラス強化エポキシ積層板: これは、PCB 製造で最も一般的に使用される基板です。 FR-4 は、電気絶縁特性、機械的強度、耐熱性、およびコスト効率の優れたバランスにより支持されています。これは、エポキシ樹脂バインダーを含むガラス繊維織布で構成されています。
• 代替基板: ポリイミド、BT-エポキシ、セラミック基板などの他の材料も使用されます。ポリイミドは高い熱安定性と柔軟性を備えているため、高温用途やフレキシブル PCB に適しています。 BT-Epoxy は耐湿性に優れており、高周波用途に使用されます。セラミック基板は、優れた高温処理性と熱伝導性を備えているため選択され、LED や高出力アプリケーションに有益です。

導電性材料:

• 銅: 銅は、その優れた導電率、熱特性、および製造プロセス中のエッチングの容易さにより、PCB 上の導電性トレースの主な選択肢です。通常、銅層は、PCB の通電要件に応じて、さまざまな厚さで基板に追加されます。
• アルミニウムおよびその他の金属: 特定の高出力または熱管理用途では、アルミニウムなどの金属が使用されます。アルミニウムで裏打ちされた PCB は、熱放散が重要な要素である LED 照明やパワー エレクトロニクスで一般的です。

誘電体:

• エポキシ樹脂システム: これらのシステムは、FR-4 基板と同じ材料をベースとすることが多く、多層 PCB の誘電体層として使用されます。これらの層は、異なる導電面間に電気絶縁を提供し、短絡を防止し、信号の完全性を維持します。これらの材料の誘電率、損失正接、および熱特性は、高速および高周波の PCB アプリケーションにおいて重要です。

はんだマスク:

• 液体フォトイメージャブルはんだマスク (LPSM): これは、PCB 製造で一般的に使用されるタイプのはんだマスクです。これは液体の状態で PCB に塗布され、その後硬化および現像されて銅配線上に固体の保護層が形成されます。 LPSM は、コンポーネントのはんだ付け中のはんだブリッジを防止し、銅を環境要因から保護します。
• ドライフィルムフォトイメージング可能なソルダーマスク: 精密で細線な形状が要求される用途に使用されます。ドライフィルムとして塗布され、LPSM と同様に処理されて、高解像度の保護層が形成されます。

凡例の素材:

• コンポーネントマーキング用インク: このインクは、凡例、コンポーネント識別子、およびその他のマーキングを PCB に印刷するために使用されます。通常、耐久性とさまざまな環境条件下でも可読性を維持できるポリマー厚膜インクが使用されます。インクは硬化して、PCB 表面にしっかりと接着されます。

仕上げ材:

• 表面仕上げ: これらは、PCB の露出した銅領域に適用され、酸化から保護し、はんだ付け可能な表面を提供します。一般的なタイプは次のとおりです。
  • 熱風はんだレベリング (HASL): PCB を溶融はんだでコーティングし、熱風ナイフでレベリングします。
  • 無電解ニッケル浸漬金 (ENIG): 平坦な表面を提供し、優れたはんだ付け性とワイヤ ボンディング特性により広く使用されています。
  • 有機はんだ付け性保存剤 (OSP): 銅表面を一時的に保護する水ベースの有機表面仕上げ剤。

これらの各材料は、電気的性能、熱管理、製造プロセス、対象となるアプリケーション環境など、PCB の特定の要件に基づいて選択されます。これらの材料の選択と組み合わせは、多層 PCB の品質、性能、寿命に大きな影響を与えます。

多層 PCB 設計のヒント

多層 PCB の設計には、機能、製造性、信頼性を確保するための慎重な計画と考慮が必要です。ここでは、多層 PCB を設計するための詳細なヒントと考慮事項をいくつか示します。

基板サイズの最適化:

• コンポーネントの数とサイズ、基板の予定位置、間隔、クリアランス、ドリル穴に関するメーカーの仕様を考慮して、最適な基板サイズを決定します。
• このステップは、設計の物理的制約と機能要件のバランスを取る上で重要です。

レイヤー設計の最適化:

• 信号のタイプ (デジタル、アナログ、RF など) に基づいてレイヤーを設計します。
• 層の数を決定するときは、ピン密度と制御されたインピーダンスの必要性を考慮してください。
• 信号層、電源層、グランド層を戦略的に配置することで、信号の完全性が維持されるようにします。

選択を介して:

• 設計の複雑さと機能に基づいて、適切なタイプのビア (スルーホール、ブラインド、埋め込み、またはパッド内ビア) を選択します。
• 各ビアの種類は、製造プロセスと PCB のパフォーマンスに影響を与えます。

素材の選定:

• 各層には、機能要件を満たす材料を選択してください。一般的な材料としては、汎用用途向けのFR-4、高温用途向けのポリイミド、高周波設計向けの低損失特殊ラミネート材などがあります。
• 反りやねじれなどの問題を防ぐために、信号層とプレーン層の分布が対称であることを確認してください。

製造上の考慮事項:

• あなたの設計仕様を満たすことができる評判の良い委託製造業者を選択してください。
• 精度、品質管理、DFM (製造容易性設計) ガイドラインへの準拠などの要素を考慮します。
• 適切なはんだマスキング オプションを選択し、設計のニーズに合わせたパラメータをトレースします。

コンポーネントソーシング:

• コンポーネントを調達するときは、機能の適合性、入手可能性、品質、価格、メーカーの信頼性などの要素を考慮してください。
• 仕様、設置面積、部品番号など、必要なコンポーネントと材料を指定する詳細な部品表 (BOM) を使用します。
• サプライヤーの信頼性、配送コスト、保証条件、技術の進歩、経験を評価します。
• 顧客からのフィードバックを確認しますが、バランスの取れた見方をするために、これらのレビューを他の属性と照合することを忘れないでください。

これらの設計のヒントと考慮事項に従うことで、プレス時の不均衡な荷重や、基板の反りやねじれを引き起こす可能性のある層の厚さの問題など、よくある落とし穴を回避しながら、パフォーマンスの効率と製造の両方で実現可能な多層 PCB を作成できます。

多層 PCB 設計プロセス

多層プリント基板 (PCB) の設計には、詳細かつ系統的なプロセスが必要です。このプロセスでは、最終製品がすべての機能要件と品質要件を満たしていることを確認するために、さまざまな技術的側面に注意を払う必要があります。ここでは、多層 PCB 設計プロセスを詳しく説明します。

1. 設計前の考慮事項:

• ネガティブ プレーン レイヤー: これらは、電源プレーンとグランド プレーンを作成するために重要です。ショートを避けるために、パッドの設置面積の周囲に適切なクリアランスを確保してください。
• パッドの形状: 内側と外側の層には異なるパッド形状が必要になる場合があります。これらのバリエーションに対応できるように PCB ライブラリをカスタマイズします。
• 設計の適応: ロゴ、表、ビューを多層基板の要件に合わせて適応させます。

2. PCB 設計用のソフトウェアの選択:

• 特定のニーズと快適さのレベルに基づいて、KiCad、ORCAD、Eagle、Altium Designer などの適切な PCB 設計ソフトウェアを選択してください。
• これらのソフトウェア ツールは、回路図の作成、基板レイアウトの設計、製造に必要な出力ファイルの生成を行う機能を提供します。

3. 回路図の作成 (例として KiCad を使用):

• Eeschema モジュール: まず、KiCad の Eeschema を使用して電気回路図を作成します。これには、コンポーネント シンボルを選択して配置し、それらを接続して回路を形成することが含まれます。
• コンポーネントの関連付けとネットリストの生成: 回路図シンボルにフットプリントを割り当て、コンポーネント間の接続を記述するデータ ファイルであるネットリストを生成します。

4. PCB レイアウト設計:

• 最初のステップ: 「レイヤー設定」でレイヤーの数とその特定の目的 (信号、電源、グランド) を定義することから始めます。
• コンポーネントの配置と配線: ボード上にコンポーネントを配置し、ネットリストに基づいて接続を配線します。信号の完全性、熱管理、機械的制約に注意してください。
• ビアの選択: 異なる層間の相互接続のニーズに基づいて、ビアのタイプ (スルーホール、ブラインド、埋め込み) を決定します。

5. デザインルールチェック(DRC):

• DRC を実行して、基板の製造性に影響を与える可能性のある間隔、トレース幅、その他のパラメータに関する問題を特定します。

6. 出力ファイルの生成:

• ガーバー ファイルおよびその他の必要な製造出力ファイルを生成します。

7. プロトタイプ作成プロセス:

• プロトタイプ設計: 概要を示した PCB 設計に従ってプロトタイプを作成し、テストと検証を可能にします。
• コンポーネントの調達: 部品表 (BOM) を使用して、必要なすべてのコンポーネントを調達します。
• ルート設計: 電力レベルとノイズ感度を考慮して PCB ルートを設計します。

8. プロトタイプの製造と組み立て:

• 製造: 内層を印刷し、層をラミネートし、穴を開け、銅でプレートします。
• 組み立て：はんだペーストを塗布し、部品（SMDとスルーホール）を配置し、リフローはんだ付けを行います。検査と機能テストを実施します。

9. 多層 PCB 製造 (最終製品の場合):

• コアの準備と積層: 内部コアを準備し、銅箔とプリプレグの層を適用します。イメージングにはドライフィルム レジストを使用し、層パターンを現像します。
• 穴あけとメッキ: ビアに穴を開け、導電性を高めるためにメッキします。
• 外層処理：外層レジストを塗布し、パターンを現像し、余分な銅をエッチング除去します。
• 仕上げ: はんだマスク、表面仕上げ、ラベルのシルクスクリーンを適用します。
• 切断と検査: PCB をサイズに合わせて配線または切り込みを入れ、最終的な電気検査および外観検査を実施します。

10. 梱包と発送:

• 完成した基板を慎重に梱包し、顧客または組立施設への発送の準備をします。

このプロセス全体を通じて、設計が製造可能であり、すべての機能要件を満たしていることを確認するために、製造および組立チームとの緊密な調整を維持することが不可欠です。プロセスの早い段階で問題を特定し修正するには、各段階で電子的および物理的な定期的なチェックが非常に重要です。

多層プリント基板の用途

多層 PCB の利点により、多層 PCB はさまざまな産業や用途に非常に適しています。多層プリント基板の具体的な用途をいくつか紹介します。

家電： 多層 PCB は、スマートフォン、タブレット、スマートウォッチ、その他のポータブル デバイスなどの家庭用電化製品で広く使用されています。多層 PCB のコンパクトなサイズと高機能により、これらのデバイスの高度な機能とマルチタスク機能の開発が可能になります。

通信機器: 多層 PCB は、耐久性と屋外条件に耐えられる能力があるため、通信業界で好まれています。これらは、モバイル デバイス、基地局、ルーター、その他の通信機器で使用されます。

産業機器： 多層 PCB は産業用制御装置や機械に適しています。耐久性と信頼性を備えているため、機器が乱暴な取り扱いや極端な条件にさらされる可能性がある過酷な産業環境に適しています。

医療機器： 多層 PCB は、診断装置、モニタリング システム、画像装置、治療装置などの医療機器において重要な役割を果たしています。多層基板がもたらす機動性と機能性が、高度な医療技術の発展を支えています。

軍事および防衛機器: 軍事産業は、機器の高速回路とコンパクトな設計に依存しています。多層 PCB は、可動性と信頼性を維持しながら複数の機能を統合できるため、軍事および防衛用途に最適です。

自動車産業： 多層 PCB は、車載コンピューター、エンジン制御ユニット、センサー、その他の電子部品として自動車業界で広く使用されています。耐熱性、小型フォームファクター、高性能を備え、自動車用途の厳しい要件を満たします。

航空宇宙産業： 航空宇宙産業では、軽量、コンパクト、高性能のエレクトロニクスが求められています。多層 PCB は、コックピット コンピューター、通信システム、ナビゲーション機器、衛星技術などの航空宇宙用途に利用されています。

コンピュータエレクトロニクス: 多層 PCB は、ラップトップ、デスクトップ、サーバー、高性能コンピューティング システムなどのコンピューター エレクトロニクスで広く使用されています。コンピューターのマザーボードやその他のコンポーネントに必要なパフォーマンス、コンパクトさ、信頼性を提供します。

多層 PCB の多用途性と利点により、多層 PCB は可動性、機能性、耐久性、パフォーマンスが重要な要素となるさまざまな業界で頼りになる選択肢となっています。