プリント基板設計と製造に関するすべて

キーワード：プリント基板メーカー

プリント基板は、電子部品を接続する手段を提供するため、電子機器において現代的な材料として使用されています。これらの基板には金属の配線やパッドがあり、また、FR-4エポキシガラス繊維などの非導電性材料に接着された銅箔からフォトリソグラフィー工程によって作られるその他の構成要素が備わっています。プリント基板メーカーによるプリント基板は、家庭用電化製品、産業用機器、航空宇宙機器など、非常に多くの用途で必要とされています。片面、両面、多層プリント基板は、回路の特定の設計パラメータと制限を満たします。

高度で小型化された電子機器の開発の複雑さに対応するため、市場には他のプリント基板技術のサブタイプも導入されており、それらにはフレキシブル基板、リジッドフレックス基板、高密度実装（HDI）プリント基板が含まれます。特定の用途にどのタイプのプリント基板を使用するかを選択するプロセスは基本的であり、これはプリント基板の性質と特性に応じてより明確な視点から行うことができます。

プリント基板の主な原材料

プリント基板の主要な層は、通常FR-4、ポリイミド、またはPTFEと呼ばれるガラス繊維から派生する非導電性の基材です。必要な電気経路を作るために、基板表面にはソリッドな銅の配線、接続部、およびその他のパターンが形成されます。

プリント基板上に配置された様々な部品間の電気的接続を行うために、銅のトレースが使用されます。これらのトレースの幅と厚さは、回路の電流容量と所望のインピーダンスに依存して決定されます。

ビアはプリント基板を貫通する小さな穴で、銅層で満たされることにより、基板の層間接続を可能にします。一般的なビアの種類には、スルーホール、ブラインド、バリアドがあり、プリント基板設計において異なる用途があります。

通常ポリマーであるソルダーマスクは、主に銅のトレースを酸化から保護し、特にはんだ付け時にショートを防ぐためにプリント基板表面に塗布されます。また、隣接するトレースとパッドとの間の電気的絶縁を助けます。

銅箔：銅箔は、導電性トレース、パッド、プレーンを製造するために異なる重量で提供されます。

基材：FR-4はその優れた機械的・電気的特性から典型的な基材ですが、高周波および高温用途ではポリイミドやPTFEが使用されます。

ソルダーマスク：LPIソルダーマスクは、優れた寸法精度と高い柔軟性を提供できるため非常に人気があります。

シルクスクリーン：外側の銅層上のインクの層で、テキスト、ロゴ、部品参照記号を含み、部品の実装とトラブルシューティングを容易にします。

表面仕上げ：露出した銅を覆い、はんだ付け性を向上させるための表面仕上げオプションには、ホットエアーレベルはんだ（HASL）、無電解ニッケル浸漬金（ENIG）、有機はんだ付け性保護皮膜（OSP）などの化学めっき方法が含まれます。

プリント基板は現在、様々な材料で構成されていますが、それぞれの特性を知ることが重要です。

ガラス繊維強化エポキシ積層板を意味するFR-4は、その電気的、熱的、機械的特性からプリント基板メーカーの間で人気があり、1MHzでの比誘電率4.5、誘電正接0.02という特性は一般的な用途に適用可能です。ガラス転移温度（Tg）は130°Cから180°C、熱伝導率は0.3 W/mKです。

ポリイミドは高性能ポリマーであり、高い耐熱性、耐薬品性、機械的強度が特徴です。1MHzにおける誘電率は3.2～3.6、損失係数は0.002であり、高周波用途に理想的です。ポリイミドは熱硬化性プラスチックに属し、ガラス転移温度は摂氏260～400度です。この材料の熱拡散率は、1メートル・ケルビンあたり0.2ワットです。

以下は、プリント基板設計における主要な考慮事項です：

部品配置：エミッションを低減し、同時に信号と熱の完全性を向上させ、プリント基板の製造性を高めるために、部品の適切な配置を目指すべきです。部品配置に関しては、いくつかの具体的な対策を講じる必要があります：部品のサイズ、形状、向き、および干渉要因との近接性を適切に考慮し、システムの適切な動作を提供するために必要な条件に対応しなければなりません。

信号完全性：適切なトレースと配線、インピーダンス整合、クロストークとEMIの最小化を通じて、プリント基板メーカーからプリント基板全体にわたって信号品質とタイミングが維持されることを保証します。信号の歪みを避けるために、グランドプレーン、急な屈曲の回避、良好な終端などの対策を適用すべきです。したがって、TDRやアイダイアグラム、その他のシミュレーションツールや解析技術を使用して性能を向上させてください。

熱管理：過度の熱蓄積による部品故障を避けるために、熱制御が行われました。電気部品の電力損失、周囲温度、およびシステムを冷却する方法を考慮に入れてください。熱を放散するために、サーマルビア、銅面、ヒートシンクを使用します。特に高電力使用時には、すべての熱シミュレーションツールを使用して熱管理を調査・改善してください。

電源配分：システムの部品が途切れのないクリーンな電源供給を得られるように、適切なPDNを設計します。電源とグランドプレーンをデカップリングし、プリント基板ボード上の未使用銅領域を避け、電源バウンスを低減します。デカップリングコンデンサを採用し、ビア配置を最適化して電源配分の状況を改善する必要があります。かなり低コストで立派な製造信頼性を達成するために、このような制約内で設計を進めてください。

電磁両立性（EMC）：これは、プリント基板が高いEMIを発生せず、外部からの高いEMIに耐えることを誰もが確実にしなければならないことを意味します。交流接地、シールディング、フィルタリングなどの対策を講じてください。特に自動車、航空宇宙、医療分野におけるEMC規制に関する、EMCコンプライアンスと標準。

プリント基板の種類

その使用においてより良い選択を行うために、主要なプリント基板の種類についてある程度の洞察を持つことも同様に重要です。プリント基板の3つの分類には、片面、両面、多層があり、それぞれが特徴、長所、短所を持っています。

片面プリント基板は、導体線と部品が基板の片面にのみ存在し、基板材料は主にFR-4です。これらのボードは設計者にとって最も簡単で最も安価なものであり、単純なデバイスや初期モデルに見られる簡単な回路に推奨されます。しかし、片面プリント基板には2つの欠点があります：a) 限られた配線オプション、および b) より洗練されたアプリケーションでの使用を制限する低い部品密度。

両面プリント基板は、スルーホールビアを使用して基板の両面に導体トレースと部品が存在するものです。これらのビアは実際に穴あけされたスルーホールであり、2層間の信号の流れを容易にするために上層にメッキが施されます。両面プリント基板では、あらゆる複雑さの配線と高い部品密度が可能であり、その使用種類は、民生電子機器、コンピュータ機器、産業制御、および自動化に及びます。

マルチレイヤーPCBは、3つ以上の導電層を持つ回路であり、回路基板は織られたまたはキルティングされた絶縁材料、またはプリプレグの層から作られています。これらの基板は最も複雑な設計と多層化された部品を提供し、高速デジタル機器、電子RF装置、航空宇宙機器などの複雑な用途での使用を可能にします。

そのため、プリント基板メーカーによる多層PCBは、複雑な配線、優れた信号品質、そして優れた放熱性を実現する能力を提供します。なぜなら、すべての内部層を電源層およびグラウンド層として使用できるからです。また、より多くの層を有することで、ブラインドビアやバーイドビアなどの高度な技術の利用が可能となり、それが多層PCBの全体的な性能を向上させます。