プリント基板製造プロセス完全ガイド：20ステップの詳細解説

目次：

• ステップ1： PCB設計
• ステップ2： 設計レビューとエンジニアリング確認
• ステップ3： PCB設計の印刷
• ステップ4： 内層用銅の印刷
• ステップ5： 内層またはコアのエッチングによる銅除去
• ステップ6： 層合わせ
• ステップ7： 自動光学検査（AOI）
• ステップ8： PCB層のラミネート
• ステップ9： 穴あけ
• ステップ10： PCBめっき
• ステップ11： 外層イメージング
• ステップ12： 外層エッチング
• ステップ13： 外層AOI
• ステップ14： はんだマスク塗布
• ステップ15： シルクスクリーン印刷
• ステップ16： PCB仕上げ処理
• ステップ17： 電気的信頼性試験
• ステップ18： プロファイリングとルートアウト
• ステップ19： 品質チェックと目視検査
• ステップ20： 梱包と出荷

PCB製造プロセスとは

プリント基板（PCB）の製造プロセスは、完成品の性能を確保するために複雑な手順を必要とします。回路基板は単層、両面、多層がありますが、使用される製造プロセスは最初の層の生産以降でのみ異なります。PCBの構造の違いにより、製造中に20ステップ以上を必要とする場合もあります。

プリント基板の製造に必要なステップ数は、その複雑さに比例します。どのステップを省略しても、手順を簡略化しても、回路基板の性能に悪影響を及ぼす可能性があります。しかし、正常に完了すれば、PCBは主要な電子部品として適切に機能するはずです。

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PCBの構成要素

PCBには4つの主要な構成要素があります：

• 基板： 最初かつ最も重要なのは基板で、通常ガラス繊維で作られています。ガラス繊維はPCBに芯となる強度を与え、破損を防ぐために使用されます。基板をPCBの「骨格」と考えてください。
• 銅層： 基板タイプにより、この層は銅箔または完全な銅コーティングのいずれかになります。どちらのアプローチを用いる場合も、銅の目的は同じです。すなわち、あなたの神経系が脳と筋肉の間で信号を伝達するように、PCBへの電気信号の伝送と受信を行うことです。
• はんだマスク： PCBの第3の要素ははんだマスクで、銅を保護して環境との接触による短絡を防ぐポリマー層です。このように、はんだマスクはPCBの「皮膚」の役割を果たします。
• シルクスクリーン： 回路基板の最後の部分はシルクスクリーンです。シルクスクリーンは通常、部品面にあり、部品番号、ロゴ、シンボル、スイッチ設定、部品参照、テストポイントを表示するために使用されます。シルクスクリーンはレジェンドやノメンクラチャーとも呼ばれます。

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PCBの基礎と構造について理解したところで、PCBを製造する全プロセスを説明します。

PCBはどのように製造されるか

PCB設計プロセスのステップは、設計と検証から始まり、回路基板の製造まで続きます。多くのステップでコンピュータガイダンスと機械駆動ツールが必要とされ、精度を確保して短絡や不完全な回路を防ぎます。完成した基板は、梱包と顧客への納入前に厳格な試験を受けなければなりません。

ステップ1：PCB設計

あらゆるPCB製造の最初のステップは、もちろん設計です。PCB製造と設計は常に計画から始まります。設計者は、概要として示されたすべての要件を満たすPCBの設計図を作成します。PCB設計者が最も一般的に使用する設計ソフトウェアは、Extended Gerber（IX274Xとしても知られる）と呼ばれるソフトウェアです。

PCB設計において、Extended Gerberは出力形式としても機能するため優れたソフトウェアです。Extended Gerberは、銅層の数、必要なはんだマスクの数、その他の部品表記など、設計者が必要とするすべての情報をエンコードします。PCBの設計図がGerber Extendedソフトウェアによってエンコードされると、設計のさまざまな部分と側面すべてがチェックされ、エラーがないか確認されます。

設計者による検査が完了すると、完成したPCB設計はPCB製造工場に送られ、PCBが製造されます。到着すると、PCB設計計画はファブリケーターによる第二のチェック、いわゆる「製造向け設計（DFM）チェック」を受けます。適切なDFMチェックにより、PCB設計が製造に必要な最低限の公差を満たしていることが保証されます。

ステップ2：設計レビューとエンジニアリング確認

プリント基板製造プロセスのもう一つの重要なステップは、潜在的なエラーや欠陥がないか設計をチェックすることです。エンジニアはPCB設計のあらゆる部分を精査し、欠落部品や不正な構造がないか確認します。エンジニアからのクリアランスを得た後、設計は印刷フェーズに移行します。

ステップ3：PCB設計の印刷

すべてのチェックが完了すると、PCB設計を印刷できます。建築図面のような他の計画とは異なり、PCB計画は通常のA4用紙に印刷されません。代わりに、プロッタープリンターと呼ばれる特殊なプリンターが使用されます。プロッタープリンターはPCBの「フィルム」を作成します。この「フィルム」の最終製品は、かつて学校で使用されていたOHPフィルムに非常に似ており、基板自体のネガフィルムのようなものです。

PCBの内層は2色のインクで表現されます：

• 黒インク： PCBの銅トレースと回路に使用
• 透明インク： ガラス繊維ベースなど、PCBの非導電領域を示す

PCB設計の外層では、この傾向が逆転します。透明インクは銅配線を指し、黒インクは銅が除去される領域を指します。

各PCB層とそれに伴うはんだマスクはそれぞれ専用のフィルムを持つため、シンプルな2層PCBでも4枚のシート（各層1枚ずつと、それに伴うはんだマスク各1枚）が必要です。

フィルムが印刷されると、それらは整列され、登録穴と呼ばれる穴がパンチされます。この登録穴は、後のプロセスでフィルムを整列させるためのガイドとして使用されます。

ステップ4：内層用銅の印刷

ステップ4は、製造業者が実際にPCBを作り始める最初のステップです。PCB設計がラミネート材料に印刷された後、銅が同じラミネート材料に予め接合され、PCBの構造として機能します。その後、銅がエッチングされて、以前の設計図が露出します。

次に、ラミネートパネルは「レジスト」と呼ばれる感光性フィルムで覆われます。レジストは、紫外線に露光すると硬化する光反応性化学物質の層で構成されています。レジストにより、技術者は設計図の写真とフォトレジストに印刷されたものを完全に一致させることができます。

レジストとラミネートが整列したら（以前の穴を使用）、紫外線の照射を受けます。紫外線はフィルムの半透明部分を通過し、フォトレジストを硬化させます。これは、経路として残すべき銅の領域を示します。一方、黒インクは硬化すべきでない領域に光が届かないようにし、後で除去できるようにします。

基板の準備が完了したら、アルカリ溶液で洗浄して余分なフォトレジストを除去します。その後、圧力洗浄で表面に残ったものを除去し、乾燥させます。

乾燥後、PCB上に残るレジストは、最終的に取り外されるときにPCBの一部として残る銅の上にあるものだけであるべきです。技術者がPCBを検査し、エラーがないか確認します。エラーがなければ、次のステップに進みます。

ステップ5：内層またはコアのエッチングによる銅除去

プリント基板のコアまたは内層には、PCB製造プロセスを継続する前に余分な銅を除去する必要があります。エッチングは、基板上の必要な銅を覆い、残りの基板を化学薬品にさらす工程です。化学エッチングプロセスにより、保護されていないすべての銅がPCBから除去され、基板に必要な量の銅のみが残ります。

このステップは、所要時間や使用する銅エッチング溶剤の量が異なる場合があります。大型PCBや重い構造のものはより多くの銅を使用するため、除去のためにより多くの銅がエッチングを受ける必要があります。したがって、これらの基板は追加の時間や溶剤を必要とします。

多層設計向けPCB製造プロセスの場合

多層プリント基板は、製造時に設計の追加層を考慮した追加ステップがあります。これらのステップは、単層PCBで使用される多くのステップを反映しています。しかし、各層に対してフェーズが繰り返されます。また、多層PCBでは、層間で銅コーティングの代わりに銅箔が通常使用されます。

内層イメージング

内層イメージングは、PCB設計の印刷と同じ手順に従います。設計がプロッタープリンターで印刷され、フィルムが作成されます。内層用のはんだマスクも印刷されます。両方を整列させた後、機械がフィルムに登録穴を作成し、後でフィルムが層と適切に整列するようにします。

内層用のラミネート材料に銅を追加した後、技術者は印刷されたフィルムをラミネートの上に置き、登録穴を使用して整列させます。

紫外線がフィルム（レジストとも呼ばれる）を露光し、明色領域の化学物質を印刷パターンに硬化させます。これらの硬化領域はエッチングフェーズで洗い流されず、暗色フィルム下の非硬化領域の銅が除去されます。

内層エッチング

イメージング後、白インクで覆われた領域が硬化します。この硬化物質は、エッチング後に基板に残る銅の下を保護します。

技術者はまず、アルカリで基板を洗って硬化しなかったレジストを除去します。この洗浄により、プリント基板の非導電部分を覆っていた領域が露出します。次に、作業者は基板を銅溶剤に浸して露出した銅を溶解させ、これらの非導電領域から余分な銅をエッチング除去します。

レジスト剥離

レジスト剥離ステップでは、PCB内層の銅を覆っている残りのレジストを除去します。残りのレジストを洗浄することで、銅の導電性を妨げるものがなくなります。レジスト除去後、その層は基本設計の検査を受ける準備が整います。

エッチング後パンチ

エッチング後パンチは、登録穴をガイドとして層を整列させ、それらを貫通する穴を開けます。この穴と整列のその後の検査と同様に、パンチングは光学パンチと呼ばれる機械を正確にガイドするコンピュータによって行われます。光学パンチ後、層は内層自動光学検査（AOI）に移ります。

内層AOI

内層自動光学検査では、コンピュータを使用して内層を慎重に検査し、不完全なパターンや表面に残っているレジストがないか確認します。PCB層がAOIをパスすると、プロセスの次の段階に進みます。

内層酸化処理

内層に酸化処理を施すことで、内層と外層の間の銅箔と絶縁エポキシ樹脂層の接着性が向上します。

レイアップ

多層PCB製造プロセスにおけるレイアップステップは、機械が層の整列、加熱、銅箔層と内層・外層間の絶縁材料を用いた接着を支援する際に発生します。通常、コンピュータがこれらの機械をガイドします。層の整列と接着がプリント基板の適切な構造のために正確でなければならないためです。

ラミネート

ラミネートは熱と圧力を使用して層間の接着エポキシを溶かします。適切にラミネートされたPCBは、層間に効果的な絶縁を保ちながら、層をしっかりと結合させます。

X線整列

ラミネート後に多層基板を穴あけする際、X線によりドリルビットの整列を確認します。これらの穴は、多層PCBの層間接続を可能にします。したがって、それらの配置とサイズが他の層や層間で正確であることが極めて重要です。層のX線整列後、プリント基板は穴あけ工程に進み、単面または両面PCB基板製造のステップ9に続きます。

ステップ6：層合わせ

PCBの各層が洗浄された後、層合わせと光学検査の準備が整います。以前の穴を使用して内層と外層を整列させます。層を整列させるために、技術者は光学パンチと呼ばれる一種のパンチ機械の上にそれらを置きます。光学パンチはピンを穴を通して下に押し下げ、PCBの層を整列させます。

ステップ7：自動光学検査

光学パンチに続き、別の機械が光学検査を行い、欠陥がないか確認します。この自動光学検査は非常に重要です。一度層が合わせられると、存在するエラーを修正できなくなるためです。欠陥がないことを確認するために、AOI機械はPCBをExtended Gerber設計と比較し、これが製造業者のモデルとして機能します。

PCBが検査をパスすると（技術者もAOI機械も欠陥を発見しなかった場合）、PCB製造と生産の最後のいくつかのステップに進みます。

AOIステップは、プリント基板の動作にとって極めて重要です。これがないと、短絡の可能性がある基板、設計仕様を満たさない基板、エッチング時に除去されなかった余分な銅がある基板が、プロセスの残りを通過してしまう可能性があります。AOIは、生産プロセスの中間段階で品質チェックポイントとして機能することで、不良基板が先に進むのを防ぎます。その後、このプロセスはエンジニアが外層のイメージングとエッチングを完了した後に、外層でも繰り返されます。

ステップ8：PCB層のラミネート

プロセスのステップ6で、PCB層はすべて一緒にあり、ラミネートされるのを待っています。層が欠陥フリーであることが確認されると、それらは融合する準備が整います。PCBラミネートプロセスは2ステップで行われます：レイアップステップとラミネートステップです。

PCBの外側は、エポキシ樹脂で予め浸透/コーティングされたガラス繊維のピースで構成されています。元の基板のピースも、銅トレースのエッチングが含まれた薄い銅箔の層で覆われています。外層と内層の準備が整ったら、それらを押し合わせる時です。

これらの層のサンドイッチ構造は、特別なプレス台の金属クランプを使用して行われます。各層は専用ピンを使用して台に取り付けられます。ラミネートプロセスを実行する技術者は、まずプレインプレグネート（プレプレグ）として知られる予めコーティングされたエポキシ樹脂の層を台の整列用ベースに置きます。基板の層をプレインプレグネート樹脂の上に置き、それに銅箔層が続きます。銅箔はさらにプレインプレグネート樹脂のシートに続き、最後にプレスプレートと呼ばれる最後の銅のピースで仕上げられます。

銅プレスプレートが配置されると、スタックをプレスする準備が整います。技術者はそれを機械プレスに移動し、層を下方に一緒に押し付けます。このプロセスの一環として、ピンが層のスタックを貫通して打ち込まれ、それらが適切に固定されることを確認します。

層が適切に固定されている場合、PCBスタックは次のプレス、ラミネートプレスに移されます。ラミネートプレスは一対の加熱プレートを使用して、層のスタックに熱と圧力の両方を加えます。プレートの熱でプレプレグ内のエポキシが溶け、プレスからの圧力と相まって、PCB層のスタックが融合します。

PCB層が一緒にプレスされた後、わずかな開梱作業が必要です。技術者は先ほどのトッププレスプレートとピンを取り外し、それによって実際のPCBを取り出せるようにします。

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ステップ9：穴あけ

穴あけ前に、X線機械を使用してドリル位置を特定します。次に、登録/ガイド穴をあけて、より具体的な穴をあける前にPCBスタックを固定できるようにします。これらの穴をあける時、Extended Gerber設計からのファイルをガイドとしてコンピュータ制御ドリルが使用されます。

穴あけが完了すると、エッジに残った余分な銅が削り取られます。

ステップ10：PCBめっき

パネルに穴があけられると、めっきの準備が整います。めっきプロセスでは、化学薬品を使用してPCBのすべての異なる層を融合させます。徹底的に洗浄された後、PCBは一連の化学薬品に浸されます。この浸漬プロセスの一部では、パネルにミクロン厚の銅層がコーティングされ、最上層と先ほどあけられた穴に堆積します。

穴が銅で埋められる前は、単にパネルの内部を構成するガラス繊維基板を露出させるだけの役割でした。それらの穴を銅で浴することで、先ほどあけられた穴の壁を覆います。

ステップ11：外層イメージング

プロセスの早い段階（ステップ4）で、フォトレジストがPCBパネルに塗布されました。ステップ11では、もう一層のフォトレジストを塗布する番です。ただし、今回は外層のみに塗布されます。なぜなら、外層はまだイメージングが必要だからです。外層がフォトレジストでコーティングされイメージングされると、前のステップでPCBの内層がめっきされたのと全く同じ方法でめっきされます。ただし、プロセスは同じですが、外層には銅を保護するための錫めっきが施されます。

ステップ12：外層エッチング

最後の外層エッチングの時、錫ガードがエッチングプロセス中の銅保護に役立ちます。不要な銅は、以前と同じ銅溶剤を使用して除去され、錫がエッチング領域の貴重な銅を保護します。

内層と外層のエッチングの主な違いの一つは、除去が必要な領域です。内層では導電領域に暗色インク、非導電表面に透明インクを使用しますが、外層ではこれらのインクが逆転します。したがって、非導電層は暗色インクで覆われ、銅には明色インクが使用されます。この明色インクにより、錫めっきが銅を覆って保護することができます。エンジニアは不要な銅と残りのレジストコーティングをエッチング時に除去し、AOIとはんだマスク工程のために外層を準備します。

ステップ13：外層AOI

内層と同様に、外層も自動光学検査を受ける必要があります。この光学検査により、層が設計の正確な要件を満たしていることを確認します。また、前のステップで層からすべての余分な銅が除去され、不適切な電気接続を生成しない適切に機能するプリント基板が作成されたことも検証します。

ステップ14：はんだマスク塗布

パネルは、はんだマスク塗布前に徹底的な洗浄が必要です。洗浄後、各パネルの表面にインクエポキシとはんだマスクフィルムが覆われます。次に、紫外線が基板に照射され、はんだマスクを除去する必要がある場所が示されます。

技術者がはんだマスクを除去すると、回路基板はオーブンに入れられ、マスクが硬化されます。このマスクにより、基板の銅は腐食と酸化による損傷から追加の保護を受けます。

ステップ15：シルクスクリーン印刷

PCBには基板上に直接情報を記載する必要があるため、製造業者はシルクスクリーン塗布またはレジェンド印刷と呼ばれるプロセスで、基板表面に重要なデータを印刷しなければなりません。この情報には以下が含まれます：

• 会社ID番号
• 警告ラベル
• 製造業者のマークやロゴ
• 部品番号
• ピンロケータと類似のマーク

上記の情報をプリント基板に印刷した後、多くの場合インクジェットプリンターで、PCBには表面処理が施されます。その後、試験、切断、検査のフェーズに進みます。

ステップ16：PCB仕上げ処理

PCBの仕上げには、以下のような導電性材料によるめっきが必要です：

• 浸銀： 信号損失が少ない、鉛フリー、RoHS準拠、酸化と変色の可能性あり
• 硬金： 耐久性が高い、長い保存期間、RoHS準拠、鉛フリー、高価
• 無電解ニッケル浸金（ENIG）： 最も一般的な仕上げの一つ、長い保存期間、RoHS準拠、他の選択肢より高価
• 熱風レベリング（HASL）： コスト効率が良い、長持ち、リワーク可能、鉛含有、RoHS非準拠
• 鉛フリーHASL： コスト効率が良い、鉛フリー、RoHS準拠、リワーク可能
• 浸スズ（ISn）： プレスフィット用途で人気、穴の公差が厳しい、RoHS準拠、PCBの取り扱いによりはんだ付け問題が発生する可能性、スズウィスカ
• 有機はんだ付け性保存剤（OSP）： RoHS準拠、コスト効率が良い、短い保存期間
• 無電解ニッケル無電解パラジウム浸金（ENEPIG）： 高いはんだ強度、腐食を軽減、適切な性能には慎重な処理が必要、金やパラジウムを使用しない選択肢ほどコスト効率が良くない

適切な材料は、設計仕様と顧客の予算によって異なります。しかし、このような仕上げを施すことで、PCBにとって不可欠な特性が生まれます。仕上げにより、実装業者が電子部品を実装できるようになります。また、金属が銅を覆うことで、空気への暴露による酸化から保護されます。

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ステップ17：電気的信頼性試験

PCBがコーティングされ硬化された後（必要な場合）、技術者はPCBのさまざまな領域で一連の電気試験を実施し、機能性を確認します。電気試験は、IPC-9252「非実装プリント基板の電気試験に関するガイドラインと要求事項」の基準に準拠しなければなりません。実施される主な試験は、回路連続性試験と絶縁試験です。回路連続性試験は、PCB内の断線（「オープン」）をチェックします。一方、絶縁試験は、PCBのさまざまな部分の絶縁値をチェックし、ショートがないか確認します。電気試験は主に機能性を確保するために存在しますが、初期PCB設計が製造プロセスにどれだけ耐えられたかをテストする役割も果たします。

基本的な電気的信頼性試験に加えて、PCBが機能するかどうかを判断するために使用できる他の試験があります。その中で主要な試験の一つは「ベッドオブネイルズ」試験として知られています。この試験では、複数のスプリング固定具が回路基板のテストポイントに取り付けられます。スプリング固定具は、回路基板のテストポイントに最大200gの圧力をかけて、テストポイントでの高圧接触にPCBがどれだけ耐えられるかを確認します。

PCBが電気的信頼性試験（および製造業者が選択したその他の試験）をパスした場合、次のステップであるルートアウトと検査に進むことができます。

ステップ18：プロファイリングとルートアウト

プロファイリングでは、製造エンジニアが構築ボードから切り出される個々のプリント基板の形状とサイズを特定します。この情報は通常、設計のGerberファイルに含まれています。このプロファイリングステップは、機械が構築ボードのどこにスコアを作成すべきかをプログラミングすることで、ルートアウトプロセスをガイドします。

ルートアウト（スコアリング）により、基板の分離が容易になります。ルーターまたはCNC機械が基板のエッジに沿っていくつかの小さな切り込みを作成します。これらのエッジにより、基板を損傷せずに素早く分離できます。

ただし、一部の製造業者はV溝を使用することを選択する場合があります。この機械は、基板の側面にV字型の切り込みを作成します。

PCBのスコアリングの両オプションとも、基板が割れることなくきれいに分離できるようにします。基板をスコアリングした後、製造業者はそれらを構築ボードから分離し、次のステップに移します。

ステップ19：品質チェックと目視検査

スコアリングと基板分離後、PCBは梱包と出荷前に最終検査を受けなければなりません。この最終チェックでは、基板構造のいくつかの側面を検証します：

• 穴サイズがすべての層で一致し、設計要件を満たしていること
• 基板寸法が設計仕様と一致していること
• 基板にほこりがないことの清潔さ確保
• 完成基板にバリや鋭いエッジがないこと
• 電気的信頼性試験に不合格だったすべての基板は修理と再試験を受けること

ステップ20：梱包と出荷

PCB製造の最後の段階は梱包と出荷です。梱包は通常、プリント基板の周りを密封する材料を使用して、ほこりやその他の異物の侵入を防ぎます。密封された基板は、出荷中の損傷から保護するコンテナに入れられます。最後に、顧客へ配送されます。

効果的なPCB製造プロセスの実装方法

多くの場合、PCB製造の設計と製造プロセスには異なる主体が関わっています。多くのケースでは、契約製造業者（CM）が、オリジナル機器製造業者（OEM）によって作成された設計に基づいてプリント基板を製造します。これらのグループ間で、部品、設計考慮事項、ファイル形式、基板材料について協力することで、効果的なプロセスとフェーズ間のシームレスな移行が確保されます。

部品

設計者は、利用可能な部品について製造業者と相談するべきです。理想的には、製造業者が設計に必要なすべての部品を手元に持っていることです。何か不足している場合、設計者と製造業者は、最小設計仕様を満たしながらより速い製造を確保するために妥協点を見つける必要があります。

製造向け設計（DFM）の考慮事項

製造向け設計は、設計が製造プロセスのさまざまな段階をどれだけうまく通過できるかを考慮します。多くの場合、製造業者（通常はCM）は自社施設のDFMガイドラインを持っており、OEMは設計段階でそれを参照できます。設計者はこれらのDFMガイドラインを要求し、製造業者の生産プロセスに適応するためのPCB設計に役立てることができます。

ファイル形式

OEMとCM間のコミュニケーションは、PCBがOEMの設計仕様通りに完全に製造されることを保証するために極めて重要です。両グループは設計に同じファイル形式を使用しなければなりません。そうすることで、ファイル形式の変更が必要な場合に発生するエラーや情報の損失を防止できます。

基板材料

OEMは、CMが想定するよりも高価な材料でプリント基板を設計する場合があります。両当事者は、手元にある材料と、最終購入者にとってコスト効率が良いままPCB設計に最適なものについて合意しなければなりません。

Millennium Circuitsへのお問い合わせ

高品質なPCBのエンジニアリングと製造は、電子機器における回路基板の運用において重要な構成要素です。プロセスの複雑さと各ステップがなぜ必要なのかを理解することで、各プリント基板に費やされるコストと労力をより深く理解できます。

貴社があらゆる業務でPCBを必要とされる際は、Millennium Circuits Limitedまでご連絡ください。当社は、競争力のある価格で小ロットから大ロットまでのプリント基板をお客様に提供することに努めています。