PCB製造のマスター：高品質プリント基板のための主要原則

プリント基板製造の基礎

あらゆる製造作業において、製品の寿命と機能性は構築品質によって大きく決まります。プリント基板（PCB）も例外ではありません。

PCB製造プロセスは、ベアプリント基板を生成します。これはあらゆる製品の最も重要な特徴の一つです。したがって、製造プロセスは電子機器生産ライフサイクルの重要な構成要素であり、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。しかし、このプロセスを最大限に活用するには、顧客が以下の3つの核心的な質問の答えを理解する必要があります：

 

• PCB製造とは何か？
• なぜ重要なのか？
• 製造はPCB実装プロセスにどう関わるのか？

 

PCBについて

プリント基板は電気回路を伝送し、デバイス間で信号と電力をルーティングします。PCBはいくつかの材料層で構成されています：

 

• 基板（サブストレート）： ボードの核心には基板またはベース材料があります。従来のボードではFR4と呼ばれるガラス繊維材料を使用しますが、他のボードではアルミニウム、セラミック、ポリマー基板を使用することもあります。
• 銅箔： 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ます。ボードの「層数」は銅層の数によって決まります。例えば、両面PCBでは基板の両面に銅が適用され、4層基板では合計4層の銅層があります。ほとんどのPCBは平方フィートあたり1オンスの銅を含みますが、高電力PCBでは2〜3オンスを使用することもあります。

 

これらの材料は製造プロセスで組み合わされ、ベアPCBが作成されます。このベアPCBは実装プロセス（PCBA）に送られ、はんだと電子部品が実装され、完全に機能するPCBが完成します。

PCB製造とは？

PCB製造は、前述のボード材料を機能的な層に組み合わせてベアプリント基板を形成するプロセスです。 ベアプリント基板の製造 は以下のように進行します：

 

1. 設計レビュー： 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。これは製造設計（DFM）チェックと呼ばれ、設計が有効で、製造中に公差と仕様が満たせることを保証します。
2. フィルム適用： PCB設計はレーザーダイレクトイメージングを用いてフィルムに印刷され、ボードレイアウトのフォトネガティブが提供されます。これらのフィルムは材料層に適用され、各製造プロセスのガイドとして使用されます。
3. 銅エッチング： さまざまな方法で、不要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。このプロセスは通常、余分な材料と不要な化学物質を除去する複数回の洗浄を伴います。
4. 層スタックアップとラミネート： 多層基板の場合、銅エッチング後に内層と外層を互いに整列させます。これは通常、ボード自体のアライメントホール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、熱を加えてボードをラミネートします。熱によりエポキシが溶け、層が接着されます。
5. 穴あけ（ドリリング）： ボード層がラミネートされた後、ドリルを使用してボードに穴を開けます。これらの穴は、取り付け穴、スルーホール、ビアとして使用されます。
6. メッキ： 穴あけ完了後、ボードにミクロン厚の銅層でメッキし、穴あけされた穴の内側をコーティングしてメッキスルーホールを作成します。これは通常、外層でのさらなるエッチングと銅除去に続きます。
7. ソルダーマスク適用： 銅層が完了したら、パネルを洗浄しソルダーマスクで覆います。ソルダーマスクはPCBに特徴的な緑色を与えます。ソルダーマスクは銅トレースを他の導電性材料との偶発的な接触から絶縁し、機能上の問題を防ぎ、実装時に所定の位置にはんだのみが付くよう支援します。  適用後、ソルダーマスクの不要領域を除去し、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。
8. シルクスクリーン：必要かどうかに関わらず、次のステップはシルクスクリーンの適用で、その後ボードは最終硬化段階を経ます。ソルダーマスク層の上にシルクスクリーン層が適用されます。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実装時にコンポーネントタイプと位置の特定を支援します。
9. 表面処理：ソルダーマスクとシルクスクリーンが硬化した後、PCBは金や銀、その他の表面仕上げでメッキされ、保護と機能性を確保します。

 

これらのステップを完了した後、ボードは通常、電気的信頼性試験を受け、機能することを確認します。その後、ボードがパネルで生産された場合、切り離し、検査し、必要に応じて修理されます。

製造が全体の製造プロセスにどう位置づけられるか

製造はPCB製造プロセスの一ステップに過ぎません。プリント基板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位置するかを知ることが重要です。

PCB製造プロセスは、以下で詳述する3つの一般的な段階に分かれます：

 

1. PCB開発： PCB開発は製造プロセスの初期段階です。本質的に、ここでPCB設計が概念化、修正、最終化されます。PCB開発には通常、より複雑な設計では特に、設計、試作、テストの複数ラウンドが含まれます。
2. PCB製造： 開発段階でPCB設計が最終化された後、PCBは製造プロセスに移ります。製造には2つのステップ（製造と実装）があります。製造はボードの設計を生成し、実装はボード表面にコンポーネントを適用します。このプロセスの終わりに、ボードは完成します。
3. PCB評価： 製造プロセスの最終段階は評価です。これには製造プロセス完了後の最終テストラウンドが含まれます。このテスト段階では、実装済みボードが意図した通りに機能する能力を評価し、テストに失敗したボードを排除します。場合によっては、テストで設計調整が必要であることが判明し、サイクルが再開されます。ボードがテストをパスすれば、出荷前の最終検査で欠陥がないか確認されます。

 

PCB製造が重要な理由

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メーカーによって実行されるアウトソーシング活動です。製造が重要なのは、メーカーは設計しか見ず、設計意図する性能を見ることがないからです。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以下の領域で影響を受ける可能性があります：

 

• 製造可能性： 設計選択はPCBの製造可能性に影響します。ボード設計はボードの材料特性を考慮し、表面要素間の適切なクリアランスを確保する必要があります。ボードがパネルで生産される必要がある場合、これも最終設計に影響を与えるべきです。これらの要因を無視した設計は、再設計なしでは製造不可能になる可能性があります。
• 歩留まり率： 状況によっては、既存の設計でボードを正常に製造できます。しかし、特定の設計選択により製造上の問題が生じ、複数のボードが使用不能になることがあります。例えば、製造装置の公差限界をギリギリまで広げる場合です。
• 信頼性： ほとんどのボードは業界仕様の下で規制され、必要な性能信頼性レベルを定めています。設計時に業界要件を遵守しないと、信頼性のない、または機能しないボードになる可能性があります。

 

これらの問題を回避する最良の方法は、設計サイクル中にPCB製造プロセスを考慮することです。設計段階で製造設計（DFM）ルールを活用し、PCBメーカーの能力をチェックすることで実現できます。高品質なPCBメーカーと提携すれば、PCB製造プロセスに向けて設計を最適化するために密に協力できます。

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