プリント回路基板製造の基礎

どのような製造作業でも、製品の寿命と機能は主に構造の品質によって決まります。プリント回路基板、またはPCBも例外ではありません。

PCB製造プロセスは、あらゆる製品の最も重要な機能の1つである裸のプリント回路基板を製造します。そのため、製造プロセスは電子機器の製造ライフサイクルの重要な要素であり、プロジェクトの全体的な成功に重要な役割を果たします。ただし、このプロセスを最大限に活用するには、お客様は3つの主要な質問に対する回答を理解する必要があります。

PCB製造とは何ですか？
なぜそれが重要なのですか？
製造はPCBアセンブリプロセスにどのように影響しますか？

PCBについて

プリント回路基板は電気回路を搭載し、信号と電力をデバイス間でルーティングできるようにします。 PCBは、材料のいくつかの層で構成されています：

基板： ボードのコアには、基板またはベース材料があります。従来のボードはFR4と呼ばれるグラスファイバー素材を使用していますが、他のボードはアルミニウム、セラミック、またはポリマー基板を使用している場合があります。
銅： PCBの基板は薄い銅箔で覆われ、熱と接着剤でラミネートされています。ボード内の「層」の数は、銅層の数によって決まります。たとえば、両面PCBには基板の両面に銅が塗布され、4層ボードには合計4層の銅があります。ほとんどのPCBには、1平方フィートあたり1オンスの銅が含まれていますが、高出力PCBは2〜3オンスを使用する場合があります。

これらの材料は、製造プロセスで組み合わされて、ベアPCBを作成します。次に、この裸のPCBは、組み立てプロセス（PCBA）に送られ、はんだと電子部品を塗布して、完全に機能するPCBになります。

PCB製造とは何ですか？

PCB製造は、ボードの前述の材料を機能層に結合して、裸のプリント回路基板を形成するプロセスです。裸のプリント回路基板の製造は次のように機能します：

デザインレビュー： エンジニアリングチームが設計をレビューするまで、製造プロセスは開始されません。これは、Design for Manufacturabilityチェックと呼ばれ、設計が有効であり、製造中に許容範囲と仕様を満たすことができることを確認します。
フィルムアプリケーション： PCBデザインは、ボードレイアウトのフォトネガを提供するレーザーダイレクトイメージングを使用してフィルムに印刷されます。これらのフィルムは材料層に塗布され、各製造プロセスのガイドとして使用されます。
銅のエッチング： さまざまな方法を使用して、不要な銅または余分な銅をエッチングまたは除去して、トレースとパッドを作成します。このプロセスには通常、余分な材料や不要な化学物質を除去するための複数回の洗浄が含まれます。
レイヤーの積み重ねとラミネーション： ボードが多層ボードの場合、銅のエッチングプロセス後に内層と外層が互いに整列します。これは通常、ボード自体の位置合わせ穴を使用して行われます。層を検査した後、エポキシベースのプリプレグを各層の間に配置し、熱を加えることによってボードをラミネートします。熱によってエポキシが溶けて層が接着します。
掘削： ボード層を一緒にラミネートした後、ドリルを使用してボードに穴を開けます。これらの穴は、穴、貫通穴、ビアの取り付けに使用されます。
メッキ： 穴あけが完了すると、ボードはミクロンの厚さの銅の層でメッキされ、穴の内側をコーティングして、メッキされた貫通穴を作成します。これに続いて、通常、ボードの外層でさらにエッチングと銅の除去が行われます。
ソルダーマスクアプリケーション： 銅層が完成した後、パネルは洗浄され、はんだマスクで覆われます。ソルダーマスクはPCBに特徴的な緑色を与えます。はんだマスクは、機能上の問題を引き起こす可能性のある他の導電性材料との偶発的な接触から銅トレースを絶縁し、組み立て中にはんだが正しい場所にのみ塗布されるようにします。適用したら、ソルダーマスクの不要な領域を取り除き、PCBをオーブンに入れてソルダーマスク層を硬化させます。
シルクスクリーン：これが必要かどうかにかかわらず、次のステップはシルクスクリーンの塗布です。その後、ボードは最終硬化段階になります。ソルダーマスク層の上に、シルクスクリーン層が塗布されます。シルクスクリーンは通常白色で、PCBに文字、数字、記号を追加します。このシルクスクリーン層は、PCBの組み立て中にコンポーネントのタイプと位置を支援するのに役立ちます。
表面仕上げ：ソルダーマスクとシルクスクリーンが硬化した後、保護と機能を確保するために、PCBに金または銀またはその他の表面仕上げを施すことができます。

ボードがこれらの手順を完了した後、通常、ボードが機能していることを確認するために電気的信頼性テストを受けます。その後、ボードがパネルで製造された場合は、必要に応じて、ボードを切り離し、検査し、修理します。

製造プロセス全体にどのように分類されるか

製造は、PCB製造プロセスの1つのステップにすぎません。プリント回路基板の製造の重要性を完全に理解するには、それがサイクルのどこにあるかを知ることが重要です。

PCB製造プロセスは、以下で詳細に説明する3つの一般的な段階に分類されます。

PCB開発： PCB開発は、製造プロセスの初期段階です。基本的に、これはPCB設計が概念化され、変更され、最終決定される場所です。 PCB開発には通常、特により複雑な設計の場合、複数ラウンドの設計、プロトタイピング、およびテストが含まれます。
PCB製造： PCB設計が開発段階で完成した後、PCBは製造プロセスに移ります。製造には、製造と組み立ての2つのステップが含まれます。製造はボードのデザインを生み出し、アセンブリはコンポーネントをボードの表面に適用します。このプロセスの最後に、ボードが完成します。
PCB評価： 製造工程の最終段階は評価です。これには、製造プロセスが完了した後の最終ラウンドのテストが含まれます。このテスト段階では、組み立てられたボードが意図したとおりに機能するかどうかを評価し、テストに失敗したボードを排除します。場合によっては、テストの結果、ボードの設計調整が必要であることが判明し、サイクルが最初からやり直されることがあります。ボードがテストに合格した場合、ボードは発送前に欠陥がないか最終検査を受けます。

PCB製造が重要である理由

PCB製造は、顧客から提供された設計を使用してサードパーティの製造業者によって実行される外部委託の活動です。メーカーは設計のみを確認し、設計のパフォーマンスは確認しないため、製造を理解することが重要です。設計者が設計プロセス中に製造プロセスと制限を考慮しない場合、製造されたボードは次の領域で影響を受ける可能性があります。

製造可能性： 設計の選択は、PCBの製造可能性に影響を与えます。ボードの設計では、ボードの材料特性を考慮し、表面要素間に適切なクリアランスを確保する必要があります。ボードをパネルで製造する必要がある場合、これは最終的な設計にも影響を与えるはずです。これらの要素を無視した設計は、再設計せずに製造することは不可能かもしれません。
歩留まり： 状況によっては、既存の設計を使用してボードを正常に製造できます。ただし、特定の設計上の選択により、製造上の問題が発生し、複数のボードが使用できなくなる場合があります。たとえば、製造装置の許容範囲の境界が広がる場合があります。
信頼性： ほとんどのボードは、必要なレベルのパフォーマンスの信頼性を規定する業界仕様の下で規制されています。設計において業界の要件に従わないと、ボードの信頼性が低下したり、機能しなくなったりする可能性があります。

これらの問題を回避する最善の方法は、設計サイクル中にPCB製造プロセスを検討することです。これを行うには、Design for Manufacturability（DFM）ルールを利用し、設計サイクル中にPCBメーカーの機能を確認します。高品質のPCBメーカーと提携する場合、彼らと緊密に協力して、PCB製造プロセスの設計を最適化するのに役立てることができます。

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