電子工作に必須のPCBレイヤー基礎知識

プリント基板（PCB）は「プリント配線板」や「プリント配線カード」とも呼ばれ、広く知られている。エレクトロニクスがリレーや真空管から集積回路とシリコンへ移行するにつれ、電子回路のコストとサイズは減少した。消費者向け電子製品の小型化と製造コスト削減の圧力が、プリント基板の誕生を促した。

PCBは複数の電子部品を一箇所に接続し、物理デバイス間で電力を配線するボードだ。PCBには多くの異なる層が存在する。初心者にはこれらの層の種類が少し混乱するかもしれないが、基本を理解すればすべてシンプルになる。本記事では、PCBレイヤーの種類、積層方法、層間接続、適切な適用方法について解説する。

PCBレイヤーの一般的な種類

プリント基板のレイヤーは7つのカテゴリーで構成される。信号層、メカニカル層、内部プレーン（グランド層/内部電源層）、シルクスクリーン層、ソルダーマスク層、システムワーク層、その他だ。

信号層

ボトム層、トップ層、中間層30、中間層1、中間層2などが含まれる。部品の配置と配線に使用される。ここでは表面上の配線やオブジェクトが銅箔で構成される。

メカニカル層

基板に関する指示情報と組み立て手段で構成される。物理寸法線、データ、寸法標記、スルーホール情報、組み立て指示などが含まれる。

内部プレーン

「内層」とも呼ばれ、グランド配線と電源配線の配置に使用される。これらのレベルのオブジェクトやラインは銅箔フリー、つまり非導電性だ。PCB内での電源とグランドの分配に積極的な役割を果たす。

シルクスクリーン層

部品のアウトライン描画、テキスト情報、PCB上の要素番号の表示に使用される。

ソルダーマスク層

緑色で、主にPCBにゴミが蓄積した際に配線のショートを防ぐ保護層だ。

システムワーク層

パッド、部品、ビア間の電気的接続を表示するために使用される。

その他

キープアウト層、分割プレーン、ソルダーペースト、マルチレイヤーなどが含まれる。

一般的なPCBレイヤー積層方法

PCB製造時には積層が必要だ。スタックアップとは何か？それは、基板レイアウト設計前にプリント基板を構成する絶縁層と銅層の配列のことだ。より多くの回路を実装できるだけでなく、他の利点もある。

例えば、PCBスタックアップは効率的で低コストな製造方法のニーズをバランスよく満たす助けとなる。また、回路の放射脆弱性と外部ノイズの最小化にも貢献する。さらに、優れたPCBレイヤースタックアップは、設計の電磁両立性（EMC）を向上させる。

PCBレイヤー積層方法はいくつかあるが、最も一般的なのは4層、6層、8層の積層だ。シンプルに言えば、PCBメーカーが4層、6層、または8層のPCBを製造するかを決めることだ。

PCBレイヤー接続

プリント基板の異なる層を接続して単一ユニットとすることで、有用な機能を実現する。接続性がなければ、プリント基板の層間で導電的接続を達成できない。PCBレイヤー接続には、スルーホール、ブラインドビア、ベッドビアの3つの主要タイプがある。

PCB設計では、ボードの異なる層で対応する位置にある2つのパッドが、ボードを貫通する穴によって電子的に接続されるビア（スルーホール）が存在する。ブラインドビアはボードの片側の層のみを接続し、ベッドビアは内部層のみを接続する。ブラインドビアはボード表面に露出しない。

PCBレイヤー数の決定方法

PCBレイヤー数は、プリント基板の容量と性能を決定する。1層基板で十分か、4層や6層が必要かでむ人が多い。レイヤー数は予算に依存することが多いが、他の決定要因もある。

PCBのレイヤー数を選択する際に考慮すべきその他の要因：

• PCBの用途・適用分野
• 必要な動作タイプや周波数
• プロジェクトの総予算
• PCBの必要納期
• PCBに必要な密度と信号層数

PCBレイアウトにおけるレイヤーの適切な適用

PCB設計完了後、次のステップは各レイヤーをレイアウト上に配置することだ。これらのレイヤーの不適切な配置は、基板の機能が要求水準を満たさない原因となる。しかし、レイヤーをPCBレイアウト上に正しく配置する効果的な方法がある。

PCB製造におけるレイヤー適用では、レイアウト失敗の可能性が高く、最終製品の機能に悪影響を及ぼす恐れがある。PCBレイアウトは主に2ステップで行われる：ラミネート工程とレイアップ工程だ。両プロセスはほぼ同じで、メカニカルプレスで全レイヤーをレイアウト上に圧着する。この際、ピンをシートに打ち込んで正確な位置合わせを行う。技術に応じてこれらのピンは後で除去され、レイヤーがレイアウト上に固定される。

多層PCB基板の目的

多層PCBは、3層以上の導電性銅箔層で構成される基板だ。耐熱絶縁層を間に挟んで、両面PCBの層を接着・積層したように見える。多層プリント基板には以下のような利点がある。

第一に、同じ機能を持つ他のPCBより小型だ。現代のエレクトロニクスがより小型・コンパクト・高性能なガジェットへ向かっている中で、小型化は大きなメリットだ。第二に、軽量で高い携帯性を持つ。第三に、作成に多くの計画が費やされるため、高耐久・高品質だ。最後に、より柔軟で高性能だ。

これらの利点により、多層PCBは多くの用途でますます有用になっている。上記以外にも多くのメリットがあり、採用する分野が増えているのも当然だ。

多層PCB製造時のアライメント方法

多層PCB製造時のアライメントプロセスはそれほど難しくない。まず、各層をクリーニングして調整準備をする。以前にドリル加工された穴を使って、PCBの内層と外層を合わせる。レイヤーアライメントを成功させるには、技術者が「ビジュアルパンチ」と呼ばれる特殊な機械に基板をセットする。

この機械は小さなピンを穴に打ち込み、基板の層を整列させる。その後、光学検査機で欠陥がないか確認する。

PCBレイヤーのカスタマイズ

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まとめ

プリント基板は複数の電子部品を接続し、物理デバイス間で電力を配線するデバイスだ。人々や業界が日常的に使用する電子ガジェットの大半にPCBが組み込まれている。これらのPCBは複数の層で構成される。用途や予算に応じて2層、4層、6層など様々だ。

機能を発揮するには、これらの積層されたレイヤーに優れた接続性とアライメントが必要だ。現在、PCBの製造と実装を扱う企業は多数存在する。しかし、信頼できる会社をお探しなら、WellPCBがすべてのPCBニーズにお応えします。カスタムPCB回路基板のオンライン注文について知りたい方は、WellPCBまでお気軽にお問い合わせください。