技術選択がPCBコストに与える影響：包括的ガイド

ジャンプ先： PCBコストに影響する要因｜材料選択｜PCBサイズ｜層数｜表面処理（ENIG、HASL等）｜穴径｜最小トレースとスペース｜厚みとアスペクト比｜カスタム/特殊仕様｜様々な設計のPCB

PCB技術には高度な複雑さが伴います。回路基板の設計によって、その製造コストは平均的なPCBより高くも低くもなります。日常的な従来品向けのPCBであれば、基板自体の製造コストは、ハイテク機械向けに設計された基板の価格より大幅に低くなるはずです。

PCBコストに影響する要因

PCB製造コスト内訳に最も影響する3つの要因は、材料の種類、基板サイズ、層数です。その他、表面処理や穴のサイズなども価格に影響を与える可能性があり、これら8つの要因が含まれます。

1. 材料選択

回路基板に使用される材料は、必然的にコストに影響します。標準PCBはFR4材料でラミネートされますが、航空宇宙や燃料産業で一般的な高強度用途向けに製造される基板では、これでは不十分です。

材料選択に影響を与える要因には以下が含まれます。

• 熱信頼性： 想定されるタスクの温度範囲で基板が機能できるか？特定の基板では、標準基板より高い熱定格の材料が必要です。
• 温度信頼性： 材料が、制御された環境下で想定される大気条件の範囲に耐え、過熱せずに済むか？高温作業向けのPCBには、これらのテストをパスする材料が必要です。
• 熱伝達： 基板が、接続および隣接コンポーネントに過度の熱を伝えずに高強度負荷に耐えられるか？用途に応じて適切な材料がこのテストをパスする必要があります。
• 信号性能： 材料が、与えられた機械の各動作サイクルを通じて途切れのない電気信号を促進するか？必要な温度範囲やその他の環境要因に信号が耐えられるか？これらの懸念はPCBの性能に不可欠です。
• 機械的特性： 材料が、想定される物理的ストレスの範囲に耐える十分な物理的組成を持つか？基板を狭いスロットに押し込んでも割れないか？数フィート落としても壊れないか？販売に適したPCBであれば、落下試験やその他の性能基準をパスする必要があります。

経験則として、より高い周波数を伴う操作には、標準FR4より高グレードの材料が必要です。したがって、マイクロ波PCBに使用される材料は、電卓やその他の携帯デバイスの基板材料より10倍高価になる可能性があります。

2. PCBサイズ

PCBのサイズとパネル利用率は、価格に影響する最も重要な2要因です。基板サイズは、一般的に対応デバイスに必要な回路数によって決まります。

デジタルウォッチのような小型デバイスのPCBは、必要なコンポーネントが少なく、最終的にコンピュータやノートPCのPCBより安価に製造できます。同様に、大型産業機械のPCBは、ほとんどの家電製品に含まれる基板より大型になります。

PCB製造では、以下の寸法が最も一般的です。

• 18 x 24インチ（457 x 610mm）
• 18 x 21インチ（457 x 533mm）
• 21 x 24インチ（533 x 610mm）

基板上でコンポーネントが消費するスペースも価格に影響します。ただし、一部の基板は効率性と製造コストへの配慮が少ない設計となっています。

例えば、18 x 24インチのPCBで、3列と2つの長い行のパネル利用がある場合、アクティブコンポーネントがパネル全体の大半を占めるため、基板スペースの効率的な使用と言えます。一方、1列と3行の18 x 24インチPCBは、マージンが広くなるため効率が低いですが、材料コストは依然としてかかります。

最終的に、PCB設計の寸法は全体価格を決定する主要因の一つです。小型PCBを大量生産しても、総コストは低量生産の大型PCBより安くなる可能性があります。

3. 層数

基板価格を決定するもう一つの要因は、関与する層数です。明らかな理由により、3層以上のPCBは、わずか2層で構成される基板より製造コストが高くなります。価格問題は、使用される材料の種類と基板サイズ自体によって影響を受けます。全体として、多数の層を持つ厚い基板は、製造により多くの作業を必要とします。

全体として、層ごとの価格上昇は以下のように分類できます。

• 1層→2層： 35〜40%
• 2層→4層： 35〜40%
• 4層→6層： 30〜40%
• 6層→8層： 30〜35%
• 8層→10層： 20〜30%
• 10層→12層： 20〜30%

製造コストで最も大きな上昇のいくつかは、基板に第2層が追加された時点で発生します。そこからさらに2層追加すると、前の価格の少なくとも3分の1が上乗せされます。設計が8層の閾値を超えると、価格上昇は一般的に緩やかになります。

PCBに層が追加されるたびに、ラミネーションプロセスでより多くの生産ステップが関与します。これにはより多くの時間と、より多くの材料供給が必要です。多層基板構築に関わるステップは、製造欠陥の可能性も高めます。PCBメーカーは、多層基板生産の見積もりにおいて、エラーの潜在的コストを考慮することがよくあります。

基板設計に使用される材料によっては、堅牢な構成を確保するためにより多くの層が必要になる場合があります。PCBが高いストレスに耐えながら一定の柔軟性を持つことが期待される場合、これらの要因が層数と材料を大きく決定します。

4. 表面処理（ENIG、HASL等）

PCB製造に関連するマイナーな要因として、特定の表面処理に関連するコストがあります。一部の仕上げはより高グレードで長い保存寿命を誇り、全体的な製造コストを押し上げます。より一般的で低コストな表面処理の一つはHASLで、良好な半田付け性を提供しますが、他の点では不利に評価されます。一方、ENIGはほとんどのカテゴリで好評価を得ながら、わずかな価格差で済みます。

各表面処理オプションは独自の特徴を提供します。

• HASL： 半田付け性
• LFHASL： 半田付け性
• OSP： 半田付け性
• 浸銀： 半田付け性、Alワイヤボンダブル
• 浸スズ： 半田付け性
• ENIG： 半田付け性、Alワイヤボンダブル、接触面
• ENEPIG： 半田付け性、Alワイヤボンダブル、接触面
• 電解金： 半田付け性、Al/Auワイヤボンダブル、接触面

層数によっても、表面処理がPCB製造価格に大きく影響するかどうかが決まる場合があります。

5. 穴径

基板の穴のサイズは、PCB製造コストに影響を与える重要かつ不可欠な要因の一つです。穴に関連するコストは、基板に必要な穴の数、ドリルされる材料の種類と層の厚さによっても決まります。全体として、穴が多いほど作業が増え、特に穴が微小で基板が厚くてドリルが困難な場合は作業量が増大します。

基板設計の穴サイズが、この分野で最も重要な価格決定要因です。超微細な穴の場合、特殊工具が必要です。例えば、髪の毛ほどの直径の穴は、一般的なネジ穴ほどの直径の穴より作成が困難です。このような穴には、より多くの作業と専門的なスキルセットが必要です。

穴が標準サイズか微細かに関わらず、基板製造の価格は、与えられた設計に含まれる穴の数によっても影響を受けます。基板に数十個の穴が含まれる場合、この機能は追加作業により価格に上乗せされます。

穴に関連する価格影響の追加要因として、材料の厚さと基板設計の層数があります。基板が10層以上で構成される場合、厚みのため穴あけがより時間のかかる作業になります。材料が超硬質でドリルが困難な場合も、価格に影響します。

6. 最小トレースとスペース

電流がPCB上で過熱や基板損傷の脅威なく伝送されるためには、基板設計に十分なトレース幅が必要です。すべてのサイズの基板で、トレース幅と電流容量の間には単純な相関関係があります。前者の一区間が後者を決定します。さらに、トレース断面は銅厚と相関します。

トレース電流容量が必ずしも断面スペースに対応するわけではないことに注意が必要です。実際、トレース幅や温度上昇に関わらず、トレースが保持できる最大電流量を容易に計算することはできません。電流の電流容量は、パッド、ビア、その他の基板要素によっても影響を受ける可能性があります。

多数のパッドを持つ基板では、例外的な容量のトレースに遭遇することがあります。これが半田付けプロセスで考慮されない場合、過剰な断面積が生成され、過渡サージが発生する恐れがあります。

これらの状況を避けるため、基板メーカーは可能であればトレース幅を拡大します。あるいは、焼損しやすいトレースに追加のソルダーマスクを追加します。これらのステップは、PCB製造の価格に上乗せされます。

7. PCBの厚みとアスペクト比

最近まで、PCBの厚みは全体コストにおいてマイナーな役割しか果たしていませんでしたが、今後数年でこれは変わる可能性があります。厚い材料は、特に設計が高度に複雑な場合、調達、ラミネート、プリント基板への成形によりコストがかかります。

薄い材料は、一般的にPCBラインをわずかに低いコストブラケットに入れます。なぜなら、生産に必要な材料が少ないためです。厚みに関する基板コストは、与えられた生産で使用される材料の種類によっても影響を受けます。

PCBの標準厚は1.6mm（0.063インチ）です。近年、厚い基板はより高価になっていますが、業界全体の統一レートは確立されていません。全体として、メーカーによっては0.8mmの薄い基板が標準厚の基板より安いか同等かが決まります。

より厚い基板の価格は、アスペクト比が大きい場合、大幅に高くなる可能性があります。基板が厚みのために複数層で構成され、幅広い寸法を持つ場合、より多くの材料と構築作業が必要になります。したがって、基板の厚み自体よりも、厚みを増す寸法や層数がコストに影響する場合があります。

8. カスタムまたは特殊仕様

PCB製造コストは、与えられた生産における独自の設計要素によっても影響を受けます。カスタム仕様でPCBメーカーに依頼すると、基板自体が小さく1〜2層のみであっても、製造コストが上昇する可能性があります。この点での真の決定要因は、当該機能が特殊工具やスキルを必要とするかどうかです。カスタム仕様の例としては以下が挙げられます。

• 輪郭エッジ： 角丸のPCBは、特にZ軸ルーティングが必要な場合、製造コストが高くなる可能性があります。
• 側面めっき： 一部のPCB設計では、EMC強度向上のために金属エッジを指定します。
• ソルダーマスククリアランス： ソルダーマスクに追加のクリアランスと厚みが必要な場合、コストが上昇します。

特殊機能には専門的なスキルセットが必要です。設計に、定期的にPCBメーカーが組み立てるタイプではない、製造が困難な詳細が含まれる場合、その生産に携われる人数が限定される可能性があります。これは、より時間のかかる生産につながる可能性があります。全体的な生産に追加時間がかかる場合、最終的に基板コストが上昇します。

特殊工具は、独自の基板設計でよく必要とされます。基板に、標準直径のいずれとも一致しない珍しいサイズの多数の穴が必要な場合、注文を扱う会社が必要な器具を調達し、そのコストを請求する可能性があります。あるいは、特殊設計リクエストに必要な工具の供給を依頼される場合もあります。これらは、PCBメーカーとの契約前にあらかじめ規定すべき合意事項です。

独自のPCB設計リクエストから生じる例外的に高いコストを避けるため、生産前に設計の潜在的価格を計算してください。設計のカスタム仕様と実現に必要なステップを決定し、これらの詳細がPCBメーカーに理解されていることを確認し、コストのかかる試行錯誤を避けてください。

Millennium Circuits Limitedからの様々な設計のPCB

PCB材料特性は、基板サイズや関与層数と同様に、実装コストに大きく影響します。コストを合理的なレベルに抑えるには、事前にPCB材料比較を行い、設計に最適なものを確認するのが最善です。

Millennium Circuitsでは、各お客様と協力し、必要な基板を、必要な方法で提供します。お客様の仕様に合わせた見積もりについては、今すぐお問い合わせください。