プリント配線板の概要

プリント回路基板の概要について、材料、設計コンセプト、テストポイントなどの記事を掲載しています。実例とケーススタディを組み合わせることで、読者はプリント基板設計の基礎と製造プロセスを理解することができます。また、高品質のプリント基板を開発するための重要なヒントも提供しています。

プリント基板

プリント回路基板は、1層以上の銅層を持つ平らな複合基板である。部品はこれらのパッドに取り付けられ、はんだ付けされる。プリント回路基板は、そのサイズと複雑さに応じて、1層、2層、あるいは複数層の回路を持つことができます。

プリント基板を組み立てる前に、設計と承認が必要です。プリント基板の設計にミスがあると、製品の納品が遅れる可能性があるため、このステップは非常に重要です。設計が確定した後、PCB製造が行われます。PCBには通常、銅、誘電体、シルクスクリーン、はんだマスクが含まれます。

材料

PCBはさまざまな性質を持つ化合物である。一旦環境中に放出されると、簡単には分解されず、長期間そこに留まる。実際、PCBは遠くまで移動することもあり、雪や海水の中から発見されることも多い。PCBは広く使用されているため、多くの人々にとって懸念材料となっているが、PCBとその影響について学ぶべきことはまだたくさんある。

PCBの最も一般的な用途には、高出力の産業機械がある。これらのシステムは高電圧と大電流を扱うことができます。また、非常に軽量で、狭いスペースにもフィットします。もう一つの一般的な用途は、LED照明ソリューションです。LEDはPCB上に直接配置することができ、材料は曲げることができます。

デザインコンセプト

PCB設計コンセプトは、電子機器の回路基板を作成するための基礎となるものです。機能、特徴、相互接続、電子部品の配置を定義します。また、おおよその寸法、温度範囲、環境への配慮も決定します。最終的なコンセプトは回路図であり、電気機器が正しく機能するために必要なすべての情報を提供する。回路図には、部品名、その値、定格、メーカーの部品番号などが含まれます。

PCB設計は複雑なプロセスであり、考慮すべき重要な要素が数多くあります。回路基板のレイアウトは重要な検討事項です。これが正しく行われないと、電磁干渉や部品の競合につながる可能性があります。これは、基板の機能を制限したり、完全に故障させたりする可能性があります。また、製造に余計な時間とコストがかかることもあります。

テストポイント

テストポイントは、PCB上の導電面で、実装前に回路の機能を確認するために使用される。銅の円形、ドリル加工されたパッド、短い巻線ピン、あるいは部品に接続されたオフセットリードなどがある。通常、テスト・ポイントには電圧やアンペア数が表示され、電圧計で測定することができる。

PCBにはいくつかのテストポイントがある場合がある。場合によっては、テストポイントは内部トレースに接続するビアです。テスト治具を使用することで、PCB設計者は電気テスト中にこれらのポイントにアクセスすることができます。導通テスト、インサーキットテスト、フライングプローブテストなど、様々な種類の電気テストをこれらのポイントで行うことができます。

スタックアップ

多層 PCC スタックアップ設計は、非常に多くのバリエーションを持つ複雑なトピックです。スタックアップ例はクリティカルな要件を満たすものではありませんが、設計者にPCBビルドプロセスの有用で理解しやすい概要を提供し、一貫した結果を保証します。

PCBの誘電特性は、その構造で使用される誘電体材料の種類に依存します。より高価なPCBは、一般的にハイエンドの誘電材料を含んでいます。しかし、PCBは低コストの誘電体材料を使用して製造することもできます。

フォームファクター

PCB設計者は "フォームファクターとは何か？"と自問しているかもしれません。PCBのフォームファクターとは、ボードのシャーシサイズ、内部ボード構成、実装スキームなどを含む物理的特性を指します。PCBのフォームファクターには様々な種類があり、それぞれが設計にどのような影響を与えるかを知ることが重要です。

例えば、3.5インチ基板は3.5インチではなく、搭載するドライブより大きい。このタイプのPCBは、スペースに制約があり、多くのSWAPを使用する産業用PCに最適です。このフォームファクターのボードは、最大4つの異なるインターフェイスをサポートすることができます。

カスタムプリント基板を作るための5つのポイント

カスタムプリント回路基板を作成する場合、従うべき4つの重要なヒントがあります。これらには、設計プロセスの早い段階で適切な回路基板設計ソフトウェアとコンポーネントを選択することが含まれます。正しい材料を選択することも重要なステップです。最後に、回路図の中で部品が物理的、電気的に近接していることを確認してください。

正しい回路基板設計ソフトウェアの選択

いくつかの異なるソフトウェア・ソリューションから選択することができます。あなたのプロジェクトに適したソフトウェアを選択することで、プリント回路基板の設計が容易になります。オプションによっては、他よりも高度な機能を提供するものもあります。例えば、OrCAD PCB Designerには、シグナルインテグリティ、回路図キャプチャ、自動配線、制約管理のためのライブラリが含まれています。また、さまざまな電子ソリューション、英語、Windowsオペレーティングシステムをサポートしています。

回路基板設計ソフトウェアは、電子製品の設計に欠かせないものです。エンジニアが電子回路を視覚化し、解析するのに役立ちます。また、機械エンジニアと設計を共有するのにも役立ちます。優れたPCB設計ソフトウェアには、豊富な部品ライブラリが用意されています。あらかじめ定義された部品のライブラリがあれば、新しい部品を作成するたびに車輪を再発明する必要はありません。

世の中には多くのEDAツールがあるが、最高のものは無料ではない。堅牢な機能を備えたプレミアム・ツールなのだ。ニーズに合ったものを選ぶのは難しいかもしれません。考慮すべき最も重要な点は、選択したソフトウェアのコミュニティ・サポートです。カスタムプリント回路基板に適したソフトウェアを選択することで、設計がより容易になります。

設計の初期段階での部品の選択

カスタムプリント回路基板を作成する際には、設計プロセスの早い段階で部品を選択することが非常に重要です。早期に部品を選択することで、PCBレイアウトや製造における問題を回避することができます。設計プロセスには、基板がお客様のニーズに適していることを確認するためのいくつかのステップが含まれています。最初のステップは、PCBの範囲を定義することです。これは、ボード上のすべてのコンポーネントとその位置を指定するプロセスです。

カスタム回路基板のサイズによって、最適な部品が決まります。適切なサイズを選択することは、回路の最終的な機能によって異なります。例えば、デバイス全体にフィットするように、特定のサイズの回路基板を選択したい場合があります。また、大きな回路は1層の銅では収まらないため、2層の銅を選択する必要があるかもしれません。その場合、トレースはPCBの両面に配線する必要があります。

早期の部品選定は、プリント基板の性能と寿命にとって非常に重要です。部品の配置は、熱分布、重量、性能に影響を与えます。カスタムPCBを設計する際には、業界のベストプラクティスを遵守する必要がありますが、設計プロセスにもあなたの個人的なスタイルを注入することをお勧めします。あなたの個人的なアイデア、スタイル、創造性を設計プロセスに統合することで、カスタムPCBを競合他社から際立たせることができます。

デザインルールチェックの実施

デザイン・ルール・チェック（DRC）の実施は、カスタムプリント基板を作成するエンジニアにとって重要なプロセスです。これにより、潜在的なエラーを特定し、製造開始前に修正することができます。デザイン・ルール・チェックは、基板設計がすべての製造パラメータを満たしていることを確認するために、頻繁に実施する必要があります。例えば、DDRルールでは、PCBに対称でなければならない差動インピーダンスを持つトレースが含まれているかどうかをチェックします。

デザインルールチェックを行うことで、エンジニアは基板が顧客の要求を満たしているかどうかを判断することができます。デザインルールチェックは、カスタム基板の製造性を向上させるのにも役立ちます。最新のPCB設計では、何千ものコンポーネントと接続を管理する必要があります。基板によっては複数のレイヤーを持つ場合もあるため、デザインルールチェックは許容可能な製造歩留まりを確保するために不可欠です。

DRCは設計とレイアウトを一緒に実行し、2つの間の緊密なコラボレーションを可能にします。そうすることで、設計者はPCBが必要なデザインルールを満たしていることを確認し、予期せぬSI、EMI、安全違反を回避することができます。また、設計要件に合わせてテストを修正し、コストのかかる基板不良を最小限に抑えることができます。このような改善により、製品の市場投入までの時間を短縮し、収益性を最大化することができます。

素材選び

カスタムプリント回路基板の材料を選ぶ際には、PCBが使用される環境や用途など、いくつかの要素を考慮する必要があります。また、業界特有の規格や規制要件も考慮する必要があります。例えば、火災や熱の安全性に関する厳しい要件に準拠する必要がある場合があります。適切な特性を持つ材料を選択することで、手頃な価格で望ましい性能を達成することができます。

PCBに使用される材料は、完成品の全体的な性能にとって極めて重要です。PCB材料によって電気的特性は異なり、それによって特定の用途への適合性が決まります。例えば、高周波伝送用の回路基板を設計する場合、熱膨張率（CTE）の低い材料を選択する必要があります。

カスタムPCBの材料を選ぶ第一歩は、回路基板がどのように作られるかを理解することです。PCBは、基板とラミネートの2つのコンポーネントで構成されています。基板は、銅箔や他の表面材料を含む回路基板の構造と基盤を提供します。一部の基板にはコア材も含まれます。

プリント基板 - あらゆる電子機器に不可欠な部品

プリント回路基板は、多くの電子機器の基本部品である。銅やその他の柔軟な素材から作られており、部品を簡単に追加したり交換したりすることができます。以下は、この部品に関するいくつかの事実です。プリント回路基板は、あらゆる電子機器に不可欠な部品であり、新しい機器を購入する前に、その仕組みを知っておくことが不可欠です。

プリント回路基板は、多くの電子機器の基盤部品である。

プリント回路基板（PCB）は、多くの電子機器の基盤となっている。単層のガレージドアオープナーから多層の高速サーバーまで、その複雑さはさまざまです。PCBは、抵抗器、コンデンサ、無線装置、半導体など、他の電子部品の取り付け面を提供します。

PCBは、細い銅線と銀のパッドで覆われた薄い長方形の基板です。多くの電子機器の心臓部であり、この基板に使われている様々な種類と部品を理解することが重要です。また、プリント基板の歴史や進化、製造工程を理解することも役立ちます。

プリント回路基板は通常、各アプリケーションのニーズに合わせてカスタム設計される。単層リジッド基板であったり、多層フレキシブル回路であったりする。プリント基板は、CAD（コンピュータ支援設計）として知られる専用のコンピュータ・ソフトウェアで設計され、基板上の回路や接続ポイントを最適な位置に配置します。このソフトウェアは、PCBに部品をはんだ付けする方法も知っている。

コンポーネントの追加や交換が簡単にできる

プリント基板（PCB）は電子機器の構成要素です。電子部品の追加や交換を素早く簡単に行うことができます。これらの基板には様々な形状があり、スマートウォッチからコンピュータ部品まで、様々な用途があります。例えば、多層PCBはX線装置、心臓モニター、CATスキャン装置などによく使用されています。

プリント回路基板には、他のパッケージング方法と比較して多くの利点があります。第一は、従来の配線に代わる、より費用対効果の高い方法である。従来の配線では、コンポーネントはワイヤーで接続され、通常は合板やベークライトでできた硬い基板に取り付けられていた。そして、導電路を形成するためにはんだが加えられた。結局、これらの回路は非常に大きく複雑になり、製造やデバッグが困難になる。さらに、手作業によるはんだ付けは時間がかかる。

プリント基板はまた、あらゆる電子機器に部品を追加したり交換したりする簡単な方法を提供する。これらの基板には、部品をより大きなシステムに取り付けるための多数のコネクタがある。これらのコネクタには、ピンヘッダやソケットが含まれます。PCBが古かったり、不具合がある場合は、リバースエンジニアリングすることもできます。リバースエンジニアリングにより、PCBを新しい部品で作り直すことができ、より高い性能を提供することができます。

銅製

銅はプリント回路に使われる重要な材料である。特定のパターンを形成するために、メッキやエッチングが施されることが多い。また、RFID（Radio Frequency Identification：無線周波数識別）技術にも使用される。例えば、自動車を運転していてRFIDで支払いをしたい場合、ガソリン代を支払うためには自動車の近くにいる必要がある。銅は無線周波数の範囲を広げるため、このプロセスで使用される。銅はプリント回路基板の製造にも使われる。その工程は、まずフレキシブル・フィルムに銅をメッキし、次にエッチングして無垢の銅の細い線を作ることから始まる。現在では、この工程はインクジェット・プリンターを使って行われることが多く、無駄が省かれ、回路をよりコスト効率よく作ることができる。

PCB製造に使用される銅の厚さは、メーカーや使用目的によって異なります。厚さは通常、1平方フィートあたりのオンスで指定されます。ほとんどのPCBには1平方フィートあたり1オンスの銅板が使われ、高電力負荷のPCBには1平方フィートあたり2、3オンスの銅板が使われます。典型的な1平方フィートあたり1オンスの銅シートの厚さは約34マイクロメートルです。

柔軟な素材で作られている

プリント回路基板は、電子機器の最も重要な部品のひとつであり、必要なスペースの削減に役立つ柔軟な材料で作られています。この材料はまた、過酷な条件下での性能にとって重要な相互接続点の数を最小限に抑えるためにも使用されます。今日、FR-4は回路基板の製造に使用される最も一般的な誘電体材料のひとつです。ガラス繊維不織布や紙も補強材としてよく使用されます。さらに、PCBの誘電率を高めるためにセラミックを使用することもできます。

プリント回路基板は様々な材料で作られており、材料の選択は用途によって異なる。それぞれの材料は回路に異なる特性を与えます。一般的に、設計者は高速アプリケーション用の電気的性能、機械的または熱的耐久性、および政府要件に基づいて材料を選択します。例えば、RoHS指令は、欧州連合（EU）で禁止されている金属や化学物質の使用を避けるようメーカーに要求しています。

リジッドPCBに加えて、フレキシブルPCBもフレキシブル素材の一種である。フレキシブルPCBは、テキスタイルに貼り付けたり、マイクロプロセッサーやセンサー、データ記憶装置の基板として使用することができる。フレキシブル・アプリケーション用に伸縮可能なPCBの開発に取り組んでいる企業もある。

回路基板の主な機能とは？

回路基板にはさまざまな機能がある。電気部品を接続したり、ノイズをフィルタリングしたり、機械部品をサポートしたりする。また、軍事産業や電気通信産業でも使用されています。コストを削減し、エネルギー消費を抑えることができます。そのさまざまな機能について、さらに詳しく学びましょう。いくつかの例をご紹介します。

機械的に支える

回路基板は、現代の電子機器の最も重要な部分であり、電子部品の機械的サポートと電気的接続の両方を提供する。これらの基板は通常、ガラス繊維とエポキシ樹脂のラミネートでできており、片面または両面に銅が使われている。PCBに使用される材料は、特定の機器の電気的要件に基づいて選択する必要があります。

電気部品の接続

回路基板は、さまざまな機器に電力を供給するための入出力電流を制御するために使用される。単純なバッテリー充電器からコンピュータのマザーボードまで、さまざまなプロジェクトに使用できる。回路基板に使用される部品のほとんどは一般的なもので、電気店で購入することができる。これらは通常、電力と値を示すために色分けされている。

回路基板には、抵抗器やコンデンサーなど、さまざまな部品が含まれている。最も重要な部品は、電流を流すための抵抗器である。その他の重要な部品には、エネルギーを蓄えるトランジスタやコンデンサがある。

フィルターノイズ

電子機器におけるノイズの主な発生源は回路基板だが、ノイズの発生を最小限に抑える方法がある。最初のステップは、ノイズの主な発生源を理解し、それを軽減する技術を導入することである。例えば、パワー部品をより近くに配置することで、隣接するトレースのインダクタンスを低減することができる。また、高速部品を可能な限り最短経路に配置することで、グランドへの電流の跳ね返りを減らすことができる。さらに、バイパス・コンデンサをパワー部品の近くに配置することで、信号のスイッチング時に発生する電流スパイクを抑えることができる。

ノイズを低減する最も効果的な方法のひとつは、マルチステージフィルターを使用することです。これらのフィルターは、特定の周波数のノイズを低減することができる。さらに、表面実装デバイスとしてパッケージ化することができる。

電気配線の簡素化

プリント回路基板は、電気配線を簡素化する素晴らしい方法です。ワイヤーやケーブルの代わりに、回路基板は銅のトラックを使って部品をつなぎます。これにより、はんだ付けや自動配線が容易になります。この方法は大量生産も可能で、幅広い用途に使用できます。

回路基板の配線は簡単な作業に見えるかもしれないが、数時間から数日かかることもある。配線のわずかな改善でも、時間とコストに大きな違いが生じる。例えば、DBボックス内のワイヤー終端を接続するのにかかる時間は、回路基板内の何千ものワイヤー終端を接続するのに比べれば数秒だ。したがって、電気配線を簡素化することは、時間を節約し、工数コストを削減する素晴らしい方法である。

回路基板を配線する場合、部品の接続とそれらがどのように連動するかを理解することが重要です。部品間の電気的接続は、配線図で示されることが多い。この図は、コンポーネントを表す標準化されたシンボルを示しています。

電子機器に使用される回路基板の種類

電子機器に使用される回路基板には、主に4つのタイプがある。片面、多層、リジッド・フレックス、アルミ・バックである。デバイスの種類に応じて、回路基板の種類は異なります。回路基板のこれらのタイプの違いを以下に示します。

片面PCB

片面回路基板は近年、材料や製造プロセスの進歩を含め、多くの変化を遂げている。このような変化は片面回路基板に有利であり、多くの場合、両面回路基板よりも手頃な価格で入手できる。技術の進歩にもかかわらず、片面回路基板の大きな懸念は、その手頃な価格のままである。

片面PCBは、ニーズがシンプルで低密度な場合に適したオプションです。また、生産速度も速く、リードタイムも短くできます。しかし、複雑なプロジェクトには適さないかもしれません。このため、片面PCBを購入する前に、プロジェクトのニーズを考慮することが重要です。

片面プリント基板の大きな欠点のひとつは、接続数が少ないため、多層基板に比べて動作が遅く、より多くの電力を必要とすることです。これらの片面基板はまた、新しい機能を追加するためにより多くのスペースを必要とするため、すべてのアプリケーションに適しているわけではありません。

多層PCB

多層回路基板は、電子製品を設計するための一般的な方法です。このタイプの回路基板は、優れた性能と設計の柔軟性を提供します。また、他の競合技術よりも低コストで製造することができる。その利点は数多くあり、高い機能性、スペース効率、信頼性などが挙げられます。多層PCBは、あらゆるタイプのコンピュータ製品で一般的に使用されています。

多層回路基板は両面基板よりも高密度で、基板と絶縁材料が多層になっている。表面実装技術やスルーホール技術を使って作られることが多い。この種の基板の用途には、衛星システム、気象分析システム、GPS駆動機器、データ・ストレージなどが多い。また、多層基板はさまざまな電子機器と互換性がある。両面基板と多層基板の主な違いは、全体の厚さである。

多層PCBは片面PCBよりも小型軽量であることが多い。より多くの層が含まれているため、耐久性が高く、より小さなスペースに多くの機能を押し込むことができます。多層PCBは、より多くの計画と高度な製造方法を必要とします。しかし、片面基板よりも安価な場合があります。

リジッドフレックスPCB

リジッドフレックスPCBは、フレックス回路とリジッド回路の両方の利点を組み合わせたユニークなハイブリッド基板です。このタイプの基板は、高い部品密度、精度の向上、相互接続の削減、パッケージ形状の柔軟性を提供します。スペースが限られている医療、航空宇宙、軍事用途で特に有用です。また、リジッドフレックスPCBはテストが容易で、プロトタイピングに理想的な選択肢です。

リジッド・フレックス回路アセンブリーで最も一般 的な導体材料は銅である。銅は導電率が高く、幅広い厚みと重量がある。また、接着強度を高め、接着の劣化を抑えるための化学処理も施されています。リジッドフレックスPCBの製造には、電着や圧延アニールなど様々な技術が使われています。リジッドフレックスPCB設計ガイドラインは、設計者が設計基準を満たす高品質のリジッドフレックスPCBを製造するのに役立ちます。

リジッドフレックスPCBには、製造コストの削減や高い信頼性など、多くの利点があります。リジッドフレックスPCBは、医療機器、薬物送達システム、ワイヤレスコントローラ、車載アプリケーション、スマートデバイス、検査装置などによく使用されています。リジッドフレックスPCBは、航空宇宙用途でも有用です。

アルミ裏打ちPCB

ガラス繊維を裏打ちしたPCBに比べて、アルミニウムを裏打ちしたPCB設計は高い機械的安定性を提供します。この特性により、厳しい寸法公差や高熱放散を必要とする用途に適しています。これらの利点により、様々なアプリケーションに最適です。この記事では、アルミ裏打ちPCBの長所と短所について説明します。

アルミニウムを裏打ちしたプリント基板は、熱を効果的に伝える能力があるため、人気が高まっている。このため、熱不良を心配することなくデバイスの電流密度を高めることができるため、LEDアプリケーションに適しています。また、これらの基板は従来のPCBよりも動作温度が低いため、損傷することなく長く使用することができます。

アルミ裏打ちPCBのもう一つの利点は、軽量で耐久性があり、環境に優しい構造であることです。軽量な素材は接地層としても機能し、特定の部品から熱を奪うことができる。しかし、製造コストは非常に高い。アルミ裏打ちPCBは通常片面です。