組み込みPCB：コンパクトで信頼性の高いシステムで現代ウェアラブルを支える

より小型のウェアラブル回路への高い需要により、組み込みシステムの売上が着実に増加しています。また、組み込みシステムは標準PCBでは扱えないより複雑なアプリケーションの作成を支援します。では、組み込みシステムの力を扱えるのは何でしょうか？ 簡単です。組み込みPCBです。これらの基板は、信号インテグリティを失うリスクを減らす組み込み部品を使用します。

しかし、それだけではありません。組み込みシステムとその仕組みについて学ぶべきことは他にもたくさんあります。

組み込みPCBと、組み込みシステムに影響を与えるいくつかの課題について、詳しく学びましょう。

組み込み部品とは

組み込み部品が何かを説明する前に、組み込みシステムの概念をおさらいしましょう。組み込みシステムの主な考え方は、高いインテグリティと性能を維持しながら回路基板のサイズを縮小することです。

さらに、組み込みPCBは層内に部品が埋め込まれた回路基板です。また、これらの組み込み部品は組み込みシステムの性能向上に役立ちます。

組み込み部品の使用方法は多数あります。そして、その使用方法が製造プロセスに影響を与えます。当初、PCB製造と部品配置は、メーカーが別々に扱う必要がある2つの概念でした。

現在では、プロセスはそれほど明確には分かれていません。したがって、組み込み部品を持つ基板の設計と製造が可能です。さらに、組み込み部品を追加するには2つの方法があります。

• まず、開口キャビティを作成して組み込み部品を配置できます。その結果、部品が最終製品で見える状態になります。
• 次に、部品を内部層に埋め込むことができます。その結果、回路が隠れた状態になります。

組み込み部品の種類を詳しく見ていきましょう。

注：組み込み部品は通常、アクティブデバイスとパッシブデバイスの2カテゴリに分類されます。

組み込み抵抗器

組み込み抵抗器は電子性能を向上させるパッシブデバイスです。また、個々のデバイスをPCB表面から移動させます。したがって、他のコンポーネントのためにより多くの表面スペースを提供します。

しかし、組み込み抵抗器は特定の許容差と定格電力を持たなければなりません。そうでなければ、焼損や故障の原因になります。また、これらのデバイスは半田接合やSMTビアを必要としないため、PCB信頼性と信号配線が向上します。

組み込みインダクタ

組み込みインダクタは、エネルギーを蓄積・供給しながら回路の電流バランスを取るコンポーネントです。標準的なインダクタの製造はかなり複雑なため、PCB表面スペースを節約するために組み込みます。

組み込みコンデンサ

組み込みコンデンサは少し異なり、銅張積層板を使用します。しかし、これらの積層板により、PCB上にデカップリングコンデンサを追加する必要がなくなります。

組み込みコンデンサは、2層の銅の間に配置された薄い誘電体材料です。また、高い容量密度によりデカップリングコンデンサとして機能します。

組み込みシステム向けPCBアセンブリの設計方法

組み込みシステム向けPCBの設計はトリッキーです。しかし、優れた組み込みPCB設計を構築するためのヒントをいくつか紹介します。

要件の定義

主要な質問の1つは：PCBで何を達成したいか？ これで必要な要件がわかります。

また、PCBが組み込みシステムの他の領域とどのように相互作用するか、そのサイズを考慮することが重要です。これら2つの要因が、アセンブリ時のPCBの複雑さに影響します。

回路図の作成

要件が決まったら、それらを回路図の仕様に変換する必要があります。回路図作成には、ボードに適したマイクロコントローラと他のコンポーネントを選択することが含まれます。

その後、メーカーがどこに配置すべきかを示す図を作成できます。

マイクロコントローラは組み込みシステムにとって不可欠です。したがって、選択前にいくつかの要因を考慮する必要があります。これらの要因には、ペリフェラルと処理速度が含まれます。

適切な設計自動化ソフトウェアの選択

回路図の情報を配置するために適切な設計自動化ソフトウェアが必要です。その後、ソフトウェアがすべてをCADファイルに統合し、PCBのアセンブリプロセスを指示します。

製造方法の選択

以前に設定した要件が、PCBに必要な製造方法を決定します。製造方法に影響を与えるその他の要因には、タイムフレームと予算があります。

テストタイプの決定

最後に、PCBのテストを選択する必要があります。これはアセンブリプロセスにとって重要で、設計が標準を満たすことを保証します。

さらに、メーカーは承認前に設計の機能性をテストする必要があります。

注：標準要件を満たすことを保証するため、さまざまなテストを選択できます。

部品組み込みプリント基板のアセンブリプロセス

コンポーネントに埋め込み技術を使用するには実装が必要です。使用できる実装タイプはスルーホールと半田パッド実装の2種類です。詳しく見ていきましょう。

スルーホール実装

スルーホール実装方法には、ベア実装とチップ実装の2プロセスが関与します。ベア実装では、導電性接着剤またはメッキスルーホールオプションを使用します。チップ実装プロセスも同様のオプションを提供します。

半田パッド実装

スルーホール実装と同様に、半田パッド実装もベアとチップ実装プロセスを含みます。しかし、ここで類似性は終わります。半田パッド実装のベア方法には、フリップチップまたはワイヤ実装プロセスが関与します。

どのプロセスを使用するかは、PCBにコンポーネントを埋め込む前に選択する必要があります。チップ実装方法では、導電性樹脂またはウェーブはんだ付けオプションを採用します。

PCBへの組み込み部品アセンブリ手順

ベアダイコンポーネントを埋め込む際、ダイボンディングプロセスの選択が重要です。また、コンポーネントがモールドパッケージ、PD、WLCSPの場合、超音波ボンディングやESC（エポキシ封止はんだ接続）などの他の方法も適用できます。

しかし、AD実装を使用する場合、導電性樹脂またはウェーブはんだ付けのはんだが最適です。パッド付き組み込み部品のアセンブリ手順には以下が含まれます。

1. まず、埋め込み前のさまざまな設計と技術手順を知る必要があります。その結果、アクティブデバイスの実現可能性とSMD埋め込みが得られます。その際、トレース設計に注意を払う必要があります。
2. ダブルレイヤー基板を製造し、ダブルレイヤーPCBで作業している場合は半田ペーストコーティングを追加する前に開始します。
3. ウェーブはんだ付けとICアセンブリに進み、ミッドスタックアップと絶縁充填を行います。最後に、トップレイヤースタックアップでホットプレスを行います。

キャビティへのコンポーネント実装はトリッキーです。はんだ印刷や真空ウェーブはんだ付け技術中に、高い半田ボイドを引き起こす問題に直面する可能性があるためです。しかし、以下のワークフローを使用して、このような問題を回避できます。

組み込みPCB設計に影響を与える要因

組み込みシステムを構築する前に考慮すべき要因がいくつかあります。それには以下が含まれます。

PCBサイズ

PCBサイズは設計構造を左右する主要因です。選択するサイズは使用したいコンポーネントと一致する必要があります。また、適切なサイズを選択すれば正しい配置が可能になり、過熱を防止できます。

熱管理

高電流アプリケーションを扱う場合、過熱問題が発生します。しかし、トレース厚を増やしたり銅プレーンを作成したりすることで、基板の熱放散を増やせます。

コンポーネント配置

すべてのPCB設計にはコンポーネント配置ルールが必要です。組み込みPCBの場合、重いコンポーネントを端に近づけないのがベストです。代わりに、そうしたコンポーネントはPCBの側面に配置すべきです。

また、電力デバイスを1箇所に集中させないでください。代わりに、基板全体に均等に分散させてより良い熱放散を得ます。

組み込みPCBの利点

組み込みPCBから享受できるメリットをいくつか紹介します。

放熱性の向上

組み込みシステムは優れた放熱能力を持ち、過熱問題を防止できます。

低コスト

組み込みPCBはコスト効率に優れています。シングルチップのコンパクトな設計だからです。

厳格な設計パラメータ

組み込みPCBには事前定義されたパラメータがあります。しかし、設計に合わせていくつかの調整と微調整が可能です。ただし、これは拡張と追加の形でのみ可能です。

組み込みシステム設計の課題

組み込みシステムのすべての設計段階に細心の注意を払う必要があります。そうでなければ、いくつかの課題に直面します。製造前であれば設計を素早く修正できますが、製造後の欠陥は高価なリワークを招く可能性があります。

組み込みシステムで直面する可能性のある課題には以下があります。

• 他のコンポーネントのための表面スペースがない
• ハードウェアテストの課題
• パッケージングと統合の課題
• EMI放射
• 過熱
• 高消費電力
• 有効性の維持不能

まとめ

組み込みPCBは非常に汎用性が高く、さまざまな用途に使用できます。たとえば、軍事、コンシューマーエレクトロニクス、さらには航空宇宙用途にも使用できます。

これらの基板は、小型サイズにもかかわらず、高性能と高密度を発揮できる驚異的な機能を備えています。

さらに、表面スペースを節約してより複雑な設計とシステムを可能にする組み込み部品を搭載しています。

いくつかの課題はありますが、PCBを慎重に設計し、製造前にすべてが正しいことを確認することで容易に回避できます。

組み込みPCBの製造をご希望の場合は、お気軽にお問い合わせください。最高のPCBサービスを提供いたします。