プリント基板には明るい未来が待っています

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電子機器を覗いたことがあるなら、プリント基板（PCBとも呼ばれる）が含まれていることに気づいたかもしれません。これらは緑色で平らで薄い長方形の基板であり、銀色のパッドと細い銅線の迷路のようなもので覆われていることがよくあります。これらの回路は、ほとんどの電子機器の魂であり心臓部と見なされています。この回路で使用される部品、製造に関わる工程や方法について詳しく説明する前に、まずプリント基板の基本、その種類、およびさまざまな分野での応用について理解する必要があります。この記事では、プリント基板とは何か、その歴史、種類、および応用について説明します。

プリント基板の歴史

1950年代には、ほとんどの電子機器でポイントツーポイント配線方式がプリント基板に取って代わられました。ポイントツーポイント配線方式では、金属ループが刻印され、端子台にはんだ付けされたワイヤを備えた基板が使用されていました。ポイントツーポイント方式で動作する機器では、小さな電子部品のリード線やトランスなどの大型デバイスのワイヤが、端子に直接はんだ付けされていました。そのため、ワイヤが絡み合ったシステムを容易に想像できるでしょう。すべての部品とワイヤを端子台の正しい部分に従ってはんだ付けし、ループ状にする必要があったため、この方式は不便でした。

1960年代には、回路基板の製造に関わる別の方法としてワイヤラップがありました。絶縁基板に実装された各電子部品は、ワイヤで相互接続されていました。ワイヤはソケットピンやリードの周りに何度も巻き付けられて使用されました。その後、プリント回路を備えた基板が進化し、ワイヤラップやポイントツーポイント配線方式で使用されていたほとんどすべての配線に取って代わりました。これにより大量生産が容易になりました。

プリント基板の製造

プリント基板の製造プロセスは、大幅に自動化できます。これにより、故障したプロトタイプや不良基板につながる可能性のある設計上のミスのリスクが軽減されます。回路の仕様がソフトウェアに入力されます。このソフトウェアは、基板を製造する前に、基板の最適な性能を確保するために設計の詳細なチェックを実行します。他の製造方法と比較して低コストであることは、自動化された生産によってもたらされます。

プリント基板の種類

現在、さまざまな種類のプリント基板が使用されています。プリント基板は、その製造方法によって特徴づけられ、多層、両面、片面基板構成が含まれます。

片面プリント基板

片面プリント基板には、基板層が1層のみ存在します。基板の片面は薄い金属層で覆われています。銅は電気伝導性が高いため、一般的に使用されます。さまざまな電子部品間の信号や電力のために、この層によって導電経路が形成されます。次にはんだマスクの保護層があり、最終層として基板部品をラベル付けするためのシルクスクリーンコーティングが追加されます。片面プリント基板は、シンプルな電子機器に使用されます。他のプリント基板タイプと比較して、低コストで大量生産されています。

多層プリント基板

多層プリント基板には、複数の基板層が存在します。各層は絶縁材料によって分離されています。これらには、両面プリント基板と同じ技術が使用されています。多層基板上の部品を接続するには、表面実装またはスルーホール方式が使用されます。通常、多層基板には4～10層が含まれます。製品の要求に応じて、さらに多くの層を持つこともできます。これらは通常、医療用仕様のプリント基板、サーバー、コンピューターなどの特殊な用途に使用されます。

両面プリント基板

片面基板と比較して、両面プリント基板はより一般的に使用されています。その理由は、両面プリント基板の両面により、より複雑な回路が可能になるからです。これらも基板は1つですが、回路部品と導電性金属が両面を覆っています。部品を接続するには、表面実装またはスルーホール実装が使用されます。

スルーホール実装方式では、小さなワイヤまたはリード線が使用されます。それぞれの回路または部品に対して、リード線は各端部ではんだ付けされます。これは、実装機による自動挿入または手動で行われます。より大きなストレスに耐える必要がある回路には、スルーホール方式が使用されます。これは、回路基板を通るリード線とはんだ付けの組み合わせにより、確実な接続が実現されるためです。これらのプリント基板は、通常、航空宇宙および軍事製品に使用されます。

表面実装では、基板に穴を開ける必要はありません。部品をプリント基板に直接実装できます。この方式ではリード線を使用しないか、小さなリード線が含まれます。スルーホール方式と比較して、表面実装プリント基板は、処理コストと取り扱いコストが低いため、より一般的です。部品は手作業または一括で基板にはんだ付けされます。

プリント基板の用途

さまざまなタイプのプリント基板は、コンピュータや家電製品での使用以外にも、他の多様な分野で使用されています。その例は次のとおりです。

• 産業機械：高出力の産業機械では、一般的にプリント基板が使用されます。標準的な1オンス銅箔のプリント基板が適用できない分野では、厚銅プリント基板が使用されます。産業用負荷試験機、大電流バッテリーチャージャー、モーターコントローラーは、厚銅プリント基板の恩恵を受ける状況の例です。
• 医療機器：以前の世代と異なり、電子製品は現在、消費電力が少なく、より高密度になっています。これにより、刺激的で新しい医療技術の試験が可能になります。ほとんどの医療機器は高密度プリント基板を使用しています。このプリント基板は、可能な限り高密度で小型の設計を実現します。医療分野では軽量で小型であることが求められるため、これにより機器開発に伴う特有の制約の一部が緩和されます。ペースメーカーのような小型機器からCATスキャン装置やX線装置のような大型機器に至るまで、プリント基板は医療用途において幅広く使用されています。
• 航空宇宙および自動車産業：フレキシブルプリント基板は、航空宇宙産業と自動車産業の両方で使用されています。これらのプリント基板は、高振動環境に対応できるように設計されています。設計と仕様に基づいて軽量化が可能です。これは、輸送産業で使用される部品を製造する際に不可欠です。また、ダッシュボードの計器類の裏側や計器パネル内など、これらの用途に見られる狭いスペースにも適合できます。
• 照明：低消費電力で高効率なLEDベースの照明は非常に人気があります。同様に、そのようなLEDに使用されるアルミニウムベースのプリント基板も人気です。標準的なプリント基板とは異なり、これらのプリント基板はより高い熱伝達を促進し、ヒートシンクとして機能します。これらのアルミニウムベースのプリント基板は、基本照明から高ルーメンLEDソリューションまで使用されています。

結論

インターネット、人工知能、ロボット工学が私たちの生活を変革するように、デジタル電子機器の需要と人気は高まり続けています。これは、プリント基板の需要も増加しており、明るい未来があることを示しています。