PCB の層数を決定する方法

プリント回路基板 (PCB) は、1 層から複数層の誘電体および導電性材料で構成されています。ボードに結合されると、これらの層は、目覚まし時計、キッチン家電、デスク用品、コンピューター、モバイル デバイスなど、さまざまな家庭用電化製品に電力を供給する回路を担持します。

PCB は、医療機器、政府のコンピューターやストレージ システム、航空宇宙機器だけでなく、さまざまな産業用ツールや機械にも使用されています。特定の基板の層数と寸法によって、PCB の配電が決まります。

多層 PCB とは

PCB 層は、プリント回路基板の電力と容量を決定する要因です。 1 層の PCB で十分かどうか、または 2 層または 4 層の PCB を使用する方がよいかどうか、よく疑問に思います。ヒント:3 層の PCB などというものはありません。

レイヤーの数は、PCB ボードの予算と機能のニーズに大きく依存しますが、これは疑問につながります。多層 PCB とは正確には何ですか?基本的に、「多層」とは、4 層の PCB や 6 層から 12 層以上の範囲のものなど、2 つ以上の層を持つものを指します。

多層 PCB の層数を決定するための 5 つの質問

PCB の順序で理想的な層の数を検討するとき、多層が単層または二重層に有利になる要因、またはその逆の要因を考慮する必要があります。

1. プリント回路基板はどのように使用されますか?

プリント回路基板の必要性を計算するときは、PCB が使用されるマシンとデバイスのタイプ、およびこれらのマシン/デバイスが基板回路に課す要求を考慮してください。これらの PCB は、ハイテクで複雑な電子機器で使用されますか?それとも機能が最小限の単純なアイテムで使用されますか?

2. 必要な動作周波数は?

これらの質問を考慮に入れて、操作頻度に関して何が必要になるかを検討してください。そのパラメーターは、PCB の機能と容量を決定します。より高い速度と動作容量を得るには、多層 PCB が不可欠です。

3. プロジェクトの予算は?

他に考慮すべきことは、単層および 2 層の PCB と多層の PCB の製造コストです。今日の回路基板技術で可能な限り最大の容量が必要な場合は、関連する高い製造コストを支払う必要があります。

4. PCB はどのくらいで必要になりますか?

リード タイム (1 層と複数層の PCB のセットを製造するのにかかる時間) も、大量のプリント回路基板を注文する際に考慮する必要があります。 1 層および 2 層基板のリード タイムは、基板領域のサイズに応じて 8 ～ 14 日です。繰り返しになりますが、多かれ少なかれ支払う意思がある場合、リードタイムは最短で 5 日、最長で 1 か月になる可能性があります。

注文にレイヤーを追加するたびに、ボード サイズごとにリード タイムが長くなります。 4 層から 20 層の範囲の PCB は、基板の寸法を小さくするか大きくするかによって、12 日から 32 日かかる可能性があります。

5. どの密度層と信号層が必要ですか?

PCB 層の数は、ピン密度と信号層にも依存します。下の図に示すように、ピン密度が 1.0 の場合、2 つの信号層が必要になり、ピン密度が低くなるにつれて必要な層の数が増えます。ピン密度が 0.2 以下の場合、少なくとも 10 層の PCB が必要になります。

ピン密度	信号レイヤー数	多層 PCB 層番号
>1.0	2	2
0.6-1.0	2	4
0.4-0.6	4	6
0.3-0.4	6	8
0.2-0.3	8	12
<0.2	10	>14

単層 PCB

単層 PCB は、誘電体、導電性材料の 1 つの積層およびはんだ付け層で構成されます。電子機器の初期のコンポーネントとして、単層 PCB は 1950 年代後半から使用されています。今日でも、家庭用電子機器の最新の基準によると比較的原始的であるにもかかわらず、単層 PCB は世界中で依然として一般的です。

単層 PCB の構造は単純です。最初に銅ラミネートで覆われ、はんだマスクで覆われた 1 つの熱伝導性誘電体で構成されているからです。単層 PCB の図は、一般に、層とその 2 つのカバーを表す 3 つの色のストリップを示します。誘電体層自体は灰色、銅ラミネートは茶色、はんだマスクは緑色です。

シンプルな設計のため、単層 PCB は大量生産が容易であり、すべてのプリント回路基板の中で最も費用対効果が高くなります。単一層は、現代の基準では限定的な技術コンポーネントですが、製造業者に次の利点を提供します。
• ほとんどの製造業者が簡単に理解できるシンプルな設計
• 複雑でないため、製造上の問題が発生する可能性は低いです。
• 手頃な価格で大量生産に便利

現在、単層 PCB は 1 ～ 20 オンスの厚さの銅ラミネートで製造されています。単層 PCB は、摂氏 130 ～ 230 度の温度範囲で動作するように設計されています。

それ以前の数十年間、単層 PCB はほとんどの電気機器で使用されていました。今日、ほとんどのハイテク家電は、より複雑な要求範囲に最適化された多層 PCB に移行しています。それにもかかわらず、単層 PCB は、居間、キッチン、およびオフィスのいくつかの単純なデバイスで依然として一般的です。 • ラジオ - 雑貨店の低価格のラジオ付き目覚まし時計など、一部のラジオは単層 PCB を使用することがよくあります。
• コーヒーメーカー - コーヒーメーカーは単層 PCB を使用することがよくあります。

単層 PCB は、センサー、LED ライト、プリンター、監視カメラ、およびタイミング回路でも一般的です。

二層 PCB

2 層 PCB は、プリント回路基板技術の次の段階です。 2 層 PCB (2 層 PCB とも呼ばれる) は容量が大きいため、1 層 PCB よりも幅広い最新の電子機器をサポートできます。同時に、2 層 PCB は、今日の市場に出回っているさまざまな多層プリント回路基板よりも、製造の観点からははるかに単純です。そのため、2 層は最も広く使用されている PCB オプションです。

2 層 PCB は 1 層 PCB によく似ていますが、反転した鏡像の下半分があります。 2 層 PCB では、誘電体層が単層よりも厚くなります。さらに、誘電体は上面と下面の両方で銅でラミネートされています。さらに、ラミネーションは上下ともソルダーレジストで覆われています。

2 層 PCB の図は、一般に 3 層のサンドイッチのように見えます。中央の厚い灰色の層は誘電体を表し、上下の双子の茶色のストリップは銅を表し、上部と下部に沿った薄い緑色のストリップは誘電体を表します。

上面と下面が同じであるため、2 層 PCB はより多くの配線トレースを可能にします。 2 層 PCB の利点は次のとおりです。
• 幅広いデバイスに適した設計の柔軟性
• さまざまな現代のアプリケーションに適した高密度回路
• 大量生産に便利な低コスト構造
• 世界中のメーカーが理解しやすいシンプルなデザイン
• 収まる小型サイズさまざまなデバイス

2 層 PCB は、単純な電子機器から複雑な電子機器まで幅広く適用できます。 2 層 PCB を含む大量生産デバイスの例を以下に示します。
• HVAC ユニット - さまざまなブランドの住宅用冷暖房システムには、2 層プリント回路基板が含まれています。
• アンプ - 2 層 PCB には、多くのミュージシャンが使用する増幅ユニットが装備されています。
• プリンター - さまざまなコンピューター周辺機器が 2 層 PCB に依存しています。

2 層 PCB は、制御リレー、電源、LED 照明、AC リアクトル、試験装置、自動販売機にも使用されています。

4 層 PCB

4 層基板は、1 層または 2 層の PCB よりも複雑な層のセットで構成されています。 1 層 PCB と 2 層 PCB の両方に 1 列の誘電体材料が含まれていますが、4 層 PCB には複数の誘電体材料が含まれています。すべてのマルチレベル プリント回路基板と同様に、4 層 PCB には、上部と下部のはんだマスクの間に導電性材料と銅の複数の層が含まれています。

4 層の PCB スタックアップは、次の層で構成されています。
• 導電性銅の 4 つのストリップ
• 3 つの内部誘電体層 - 2 つのプリプレグと 1 つのコア
• 上部のツイン誘電体はんだマスク層そして下

4 層 PCB 設計では、4 つの銅ストリップが 3 つの内部誘電体によって内部で分割され、上部と下部がはんだマスクで封止されます。一般に、4 層 PCB のデザイン ルールは、9 つ​​のストリップと 3 色 (銅は茶色、コアとプリプレグは灰色、はんだマスクは緑色) で示されます。

4 層 PCB 設計の一般的な図では、プリプレグとコア層が同じ材料で構成されているように見えますが、前者は完全には硬化していないため、コアよりも柔らかいです。製造プロセス中に、プリプレグとコアを溶かして層を結合させる 4 層スタックアップに熱と圧力が加えられます。

4 層 PCB は、これらの多層プリント回路基板やその他の多層プリント回路基板が次の利点を提供するため、さまざまな面でメーカーに有利です。
• 耐久性 - 4 層 PCB は、1 層および 2 層基板よりも強力です。
• コンパクト サイズ - 4 層 PCB の小型設計により、幅広いデバイスに適合できます。
• 柔軟性 - 4 層 PCB は、単純なものから複雑なものまで、さまざまな種類の電子機器で機能します。
• 安全 - 電源層とグランド層を適切に配置することで、4 層 PCB が電磁干渉を防ぎます。
• 軽量 - 4 層 PCB を搭載したデバイスは内部配線の必要性が少ないため、多くの場合重量があります。

マルチレベル ボードの製造にはより高度な専門知識が必要ですが、追加の 4 層 PCB コストは、4 層が機械的にサポートできるより価値の高い製品によって 10 倍に戻ります。 4 層 PCB を特徴とする最も重要な現代のデバイスには次のものがあります。 - 携帯電話やタブレットには、多くの場合、4 層 PCB が装備されています。
• 宇宙探査機器 - 多層プリント回路基板は、宇宙探査デバイスに電力を供給しており、銀河のはるか彼方まで見ることができました。

4 層 PCB は、X 線装置、ファイル サーバー、原子加速器、CAT スキャン技術、および核検出システムでも一般的です。 1 層や 2 層の PCB よりも、4 層の回路基板も、クロストークが問題となるプロセスに役立ちます。

6 層 PCB

6 層 PCB は、回路基板技術が実際に今日の電子機器のより高度な側面に入り始めるところです。 6 層 PCB により、メーカーはさまざまな商用技術製品、ヘルスケア デバイス、産業機械に電力を供給することができます。

6 層の PCB スタックアップは 4 層と似ていますが、2 つの追加の銅層と 2 つの追加の誘電体材料があります。 6 層スタックアップでは、2 番目と 4 番目の誘電体列は「コア」とラベル付けされ、1 番目、3 番目、5 番目はプリプレグです。 6 つの導電銅列のうち、2 番目と 5 番目はプレーンで、残りは信号です。

開発以来、6 層 PCB はエレクトロニクス業界に恩恵をもたらしてきました。 1 層および 2 層基板よりも優れた技術的優位性を備えているため、メーカーは多数の革新的なデバイスを一般公開することができました。 6 層 PCB の主な利点には次のようなものがあります。
• 強度 - 6 層 PCB はより厚いため、より薄い層の前任者よりも強力です。
• コンパクトさ - 6 層で、この厚さのボードより大きな技術的能力を持っているため、より少ない幅を消費できます。
• 大容量 - 6 層以上の PCB は、電子デバイスに最適な電力を提供し、クロストークや電磁干渉の可能性を大幅に低減します。

6 層以上の多層プリント回路基板により、コンピューター技術は過去 20 年間で飛躍的に成長しました。このレベルの PCB は、次の電子機器を進歩させました。
• コンピューター - 6 層 PCB は、パーソナル コンピューターの急速な進化を後押しし、より小型化、軽量化、高速化しました。
• データ ストレージ -大容量の 6 層 PCB により、データ ストレージ デバイスは過去 10 年間でますますリソースを活用できるようになりました。

6 層 PCB は、携帯電話の伝送、光ファイバー受容体、心臓モニター、産業用制御、GPS 技術にも使用されています。

複雑な多層 PCB

多層プリント回路基板の層数が 4 層と 6 層を超えて増加するにつれて、導電性銅と誘電体材料の層がスタックアップに追加されます。

たとえば、8 層 PCB には 4 つのプレーン銅層と 4 つの信号銅層 (全部で 8 つ) が含まれており、誘電体材料の 7 つの内部列によって結合されています。 8 層のスタックアップは、誘電体のはんだマスクで上部と下部が密閉されています。基本的に、8 層の PCB スタックアップは 6 層によく似ていますが、銅とプリプレグの列のペアが追加されています。

この傾向は 10 層 PCB でも継続しており、さらに 2 層の銅を追加して合計 6 層の信号銅層と 4 層のプレーン銅層、つまり全部で 10 層になります。 10 層の PCB スタックアップで銅を接合するのは、誘電体材料の 9 つの列 (5 つのプリプレグと 4 つのコア) です。 10 層の PCB スタックは、他のすべてと同様に、上部と下部に誘電体はんだマスクを使用して密閉されています。

12 層の PCB スタックアップに到達するまでに、4 つのプレーンと 8 つの信号導電層を備えたボードができ、誘電体材料の 6 つの信号と 5 つのコア列によって結合されます。 12 層の PCB スタックは、誘電性はんだマスクで封止されています。一般に、多層 PCB の図では、層と接合材料が次の色で表されます。信号/プレーン銅は茶色、プリプレグ/コア誘電体材料は灰色、トップ/ボトム ソルダマスクは緑です。

8 層、10 層、12 層の種類の多層 PCB は、多数のハイテク デバイスやコンピューター システムで有益です。ここ数十年で、多層プリント回路基板の開発により、コンピューター技術が急速に進歩しました - 昔の kHz システムから今日の GHz マシンまで。

ますます複雑化する今日の多層 PCB による急速な発展のおかげで、商業、産業、医療、政府、航空宇宙など、さまざまな分野の機械やデバイスの速度、容量、コンパクトさ、使いやすさが向上し続けています。

層分布

プリント回路基板を考える最も簡単な方法は、はんだマスク内で導電性材料と誘電体材料が結合するラザニアのような層を想像することです。たとえば、4 層基板は通常、中央にプレーンが配置された等間隔の層で構成されています。これにより、基板が対称に見えるようになりますが、電磁適合性に関しては、必ずしも最も望ましい効果があるとは限りません.

望ましくない影響をもたらす可能性のある別の配置は、信号層とプレーンが大きな誘電体を挟んでいる間に、中央の 2 つのプレーンを密接にペアにすることです。この配置によりプレーン間での電荷の蓄積が可能になりますが、望ましくない信号伝送と電磁効果を引き起こす可能性があります。これらの理由から、今日の PCB 分野の専門家は、通常、2 層ではなく、少なくとも 4 層の基板を選択します。

4 層基板の電磁両立性を高めるには、プレーンと信号層をできるだけ近づける必要があります。また、グランドプレーンと電源の間のコアは大きくする必要があります。この配置により、トレース間の望ましくない信号伝送の可能性が減少し、回路と電流間の反対が許容レベルに維持されます。

回路と電流の間の抵抗の理想的な範囲は、50 から 60 オームの球場になります。インピーダンスが低い場合、引き出される電流がスパイクすることに注意してください。これは望ましくない影響です。インピーダンスが高いと、大量の電磁干渉が発生し、ボードが外部からの干渉を受けやすくなります。

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今日の世界には、50 年前には技術的に想像もできなかった多くの機能を提供するあらゆる種類の電子機器が装備されています。これらの開発の多くは、PCB によって提供される機能によるものです。 PCB により、コンパクトなデバイスでさまざまな複雑なタスクを実行できるようになり、その多くはリモートで実行できます。

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• 多層 PCB の利点と用途
• 最大 32 層までのフル サービス PCB 製造サービス
• 高度なターンキー PCB アセンブリ サービス – 多くの付加価値オプション
• PCB パートナーとして PCBCart を選択するメリット

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