MEMSマイクロ電気機械システム入門

微小電気機械システム（MEMS）とは、微小な部品で構成された可動部を持つ装置である。マイクロメカトロニクスやマイクロシステムとも呼ばれる。ナノスケールでは、ナノ電気機械システムまたはナノテクノロジーに統合される。
ナノチューブはMEMSマイクロエレクトロメカニカルシステム製造の基本単位プロセスである

イリノイ大学の研究者たちは、微小電気機械システムにおいて画期的な発見をした。ナノチューブは、マイクロエレクトロメカニカルシステムを製造する際の基本的な単位プロセスであり、彼らの研究は、多くの新しい種類のマイクロエレクトロメカニカルシステムの設計に影響を与えるものである。彼らは、ナノチューブが2つの金電極を使ってパターニングできること、電子ビームリソグラフィーとリフトオフを使ってパターニングできることを実証した。

ナノチューブは、電鋳やナノマシニングなど、さまざまな技術を用いて製造することができる。このプロセスはまた、シングルユースのポイントオブケア診断から、血液分析や細胞数分析用のマルチユース・デバイスまで、幅広い応用を可能にする。極小のDNAを増幅し、正確な複製を作り出すポリメラーゼ連鎖反応（PCR）システムなど、DNA複製装置にも使われている。ナノチューブの他の用途としては、光スイッチング・ネットワークや高精細ディスプレイがある。

ナノチューブの製造は、多数の機能性材料と官能基の集合を伴う高度なプロセスである。このプロセスにより、多数のナノデバイスを同時に製造することができる。このプロセスは非常に複雑で時間がかかり、平均的なプロセスでは5ナノメートルの機能に約6カ月を要する。

シリコンはMEMSデバイスにとって魅力的な素材である

シリコンは、その高い機械的・電気的特性から、MEMSデバイスにとって非常に魅力的な材料である。加えて、ほとんどのバッチ処理集積回路技術と互換性があるため、多くの種類の小型化システムにとって理想的な材料である。しかし、シリコンに欠点がないわけではない。

SiCはシリコンよりも高価だが、いくつかの利点がある。その電気的および機械的特性は、MEMSデバイスの要件に合わせて調整することができる。しかし、SiCはまだ設計者に広く普及していない。SiC MEMSデバイスの最も効率的なプロセス技術を開発するためには、さらなる研究が必要である。

シリコンに対するSiCの主な利点は、高い熱伝導率、高い絶縁破壊磁場、高い飽和速度である。これらの特徴により、極限環境下での電子デバイスに最適な材料となっている。さらに、高い硬度と耐摩耗性も備えている。後者は、過酷な条件下で性能を発揮しなければならないセンサーにとって重要である。

MEMSデバイスにおけるパッケージングの問題

パッケージングの問題は、MEMSデバイスの信頼性と性能にとって極めて重要である。これらのデバイスはミクロン・スケールのフィーチャー・サイズを持ち、スクラッチ、摩耗、ミスアライメントを起こしやすい。また、機械的衝撃、静電気放電、スティクションなどの信頼性不良メカニズムに対しても脆弱です。さらに、湿気、振動、機械部品がMEMSにダメージを与える可能性もある。これらの理由から、これらのデバイスのパッケージングとプロセスは、プロジェクト開始前に慎重に検討されるべきである。

MEMSデバイスを成功させるには、設計プロセスの早い段階でパッケージ効果を考慮することが不可欠です。そうしなければ、開発者はコストのかかる設計と製造サイクルを強いられることになります。解決策としては、これらの効果をコンパクトなビヘイビア・モデルに組み込むことで、シミュレーション時間を短縮し、より複雑なシミュレーションを可能にします。さらに、貧弱なパッケージングに伴うコストのかかる落とし穴を防ぐのにも役立ちます。

パッケージングの問題は、MEMSデバイスの品質や歩留まりにも影響する。場合によっては、デバイスを過酷な環境から保護できる特別なパッケージングが必要になる。その結果、これらのデバイスを処理・加工する技術が開発されている。しかし、これらのプロセスの多くはMEMSデバイスに有害であり、歩留まりを低下させる。本稿の目的は、これらの課題に光を当て、克服するためのソリューションを提供することである。

MEMSデバイスの応用

マイクロメカニカルデバイス（MEMS）は、多くのタスクを実行できる小さなデバイスである。圧力を感知し、動きを検出し、力を測定することができる。また、流体の監視や制御にも使用できる。これらのデバイスは特に医療用途に有用で、BioMEMSと呼ばれている。これらのデバイスは、化学分析装置、マイクロポンプ、補聴器の部品として機能するなど、体内でさまざまなタスクを実行することができる。最終的には、これらのデバイスが人体の永久的な住人になる可能性さえある。

これらのデバイスは、100マイクロメートルの部品で構成されている。デジタル・マイクロミラー・デバイスの表面積は1000mm2を超えることもある。通常、データを処理する中央ユニットと、周囲と相互作用するいくつかのコンポーネントで構成されている。

現在、単機能センサーからシステム・オン・チップ・デバイスまで、さまざまなMEMSデバイスが市販されている。後者は、複数のMEMSデバイスを信号調整エレクトロニクスや組み込みプロセッサと組み合わせて使用するものである。いくつかの産業では、さまざまな計測のためにMEMS技術を導入している。

プリント基板製造におけるブラインドビアとバリードビアの比較

プリント回路基板の製造において、ブラインド・ビアとは対照的に埋設ビアを使用することには、いくつかの利点がある。埋設ビアは、基板全体のサイズや層数に影響を与えることなく、低い密度で製造することができます。これは、厳しい設計公差を満たしつつスペースを節約する必要がある設計者にとって有利です。また、埋設ビアはブレークアウトのリスクも低減します。

デメリット

ブラインドビアの製造は、コアに感光性樹脂フィルムを接着することから始まる一連の工程を含む。その後、感光性樹脂フィルムにパターンを重ねます。このパターンに放射線を照射する。その後、硬化する。その後のエッチング工程で導電層に穴を開ける。この工程を他の層や表面層で繰り返す。この工程には一定のコストがかかる。

ブラインド・ビアは、多数の銅層を切り開かなければならないため、埋設ビアよりも高価である。また、端子ポイント内に収めなければならないため、コストが大幅に増加する。しかし、この方法には多くの利点があり、特に高密度部品を搭載したPCBを製造する場合に有効です。サイズと密度の考慮が改善され、信号伝送速度も速くなる。

この2つの方法のうち最も安価なのは、制御された深さのブラインド・ヴィアである。この方法は通常レーザーを使って行われる。穴は機械的なドリルで開けるのに十分な大きさが必要です。さらに、その下に回路がないようにしなければならない。

コスト

ブラインド・ビアとベアード・ビアは、プリント回路基板の製造に使用される2つの異なるタイプのビアである。どちらも基板内層の異なる部分に接続するという点で似ている。違いは穴の深さにある。ブラインド・ビアは埋設ビアよりも小さいため、ビア間のスペースを小さくすることができる。

ブラインド・ビアはスペースを節約し、高い設計公差に対応します。また、ブレイクアウトの可能性も低くなります。しかし、より多くの工程と精密なチェックを必要とするため、基板の製造コストも増加します。埋設ビアはブラインド・ビアよりも手頃ですが、プロジェクトに適した電子部品受託製造パートナーを選ぶことが重要です。

ブラインド・ビアとベアード・ビアは、どちらも多層PCBの重要な構成要素である。しかし、ブラインド・ビアよりも埋設ビアの方が目立ちにくいため、製造コストははるかに低くなります。このような違いはありますが、ブラインド・ビアと埋設ビアは、PCB上で占めるスペースの大きさは似ています。製造工程では、どちらのタイプもビアホールの穴あけが必要で、これは全製造コストの30～40%を占めることがあります。

PCB構造

スルーホールビアとブラインドビアは、2つの異なるタイプの電気接続です。前者はPCBの内部層と外部層間の接続に使用され、後者は同じ目的で使用されるが、2つの層を接続しない。スルーホール・ビアは2層基板でより一般的ですが、層数の多い基板ではブラインド・ビアが指定されることもあります。ただし、この2種類の接続はコストが高くなるため、どちらか一方を選択する場合はコストを考慮することが重要です。

ブラインド・ヴィアの欠点は、ラミネーション後の穴あけが難しく、基板のメッキが困難になる可能性があることです。さらに、ラミネート後にブラインド・ビア深さを制御するには、非常に精密なキャリブレーションが必要です。この制約から、3回以上のラミネーション・サイクルを必要とする多くの基板構成では、ブラインド・ビアや埋設ビアは実用的ではありません。

ブラインド・ヴィアのもうひとつの大きな欠点は、クリーニングが難しいことである。オープン・キャビティであるため、空気やその他の異物が入り込んでしまう。従って、問題を避けるためには、管理された環境を維持することが重要である。

3 メタルコアPCB用基材

メタルコアPCBの基本的な考え方は、短絡の原因となるメッキスルーホールをなくすことです。THTを使用する表面実装部品もこのタイプのPCBでは使用できません。その代わりに、銅層はブラインド・ビアや埋設ビアを介して相互接続されます。

多層MCPCB

多くの熱にさらされる製品を開発する場合、メタルコアPCBはその熱を抑えるのに最適な方法です。しかし、このタイプのPCBには慎重な熱管理も必要です。アプリケーションに最適なMCPCBを作るには、PCB設計と製造のプロセスをしっかりと理解する必要があります。この記事では、MCPCB設計の基本を理解し、完璧な多層PCBを製造する方法を紹介します。

製造プロセスの最初のステップでは、多層PCB設計を作成し、電子設計自動化ソフトウェアから出力します。デザインを作成したら、次のステップに進みます - MCPCBのコピーを印刷します。MCPCBは必ずきれいな面に印刷してください。基板を印刷したら、薬品を使って表面から余分な銅を取り除きます。きれいに整列させた線をパンチしてください。

アルミニウムMCPCB

アルミニウムMCPCBは、PCB基材の一般的な選択肢です。この材料は、優れた熱伝導性と優れた放熱性を持っています。また、銅よりも比較的安価です。ただし、ニーズに合った材料を選ぶことが重要です。アルミMCPCBはほとんどの電気店で見つけることができます。

アルミニウムはフラットMCPCBの製造によく使用される。また、この材料は非常に汎用性が高く、折り曲げ可能なMCPCBにも使用できる。また、車載用からオーディオ機器まで、さまざまな用途に使用されています。さらに、熱伝導率が高く、ハイパワー用途に最適です。

アルミニウムMCPCBのもう一つの利点は、高温に強いことです。この材料は140℃までの熱に耐えることができる。この材料は140℃の高温に耐えるが、寸法は約2.5-3%拡大する。銅ベースのMCPCBは銅ベースのものよりも高価ですが、信頼性と耐久性に優れています。また、銅ベースのMCPCBは、すべてのMCPCB母材の中で熱伝導率が最も優れています。

銅MCPCB

銅MCPCBは、銅の多層を持つ電気回路基板である。熱伝導性と電気を分離する必要がある高温用途でよく使用される。このタイプの基板は、自動車、オーディオ機器、電源装置にも使用されています。銅MCPCBは、熱電分離技術を用いて製造されます。

MCPCB上の金属層は熱伝導性があるため、大きな取り付け穴を開ける必要がある。これは製造工程のスピードアップに役立つ。単層MCPCBは無電解銅析出が不要なため、2層や3層基板よりも短時間で製造できる。単層MCPCBはFR4 PCBと同じ工程で製造できる。一方、内側にアルミを使用した2層PTH基板は、下穴あけと絶縁材充填が必要。さらに、メッキスルーホールを形成するための再ドリリング工程が必要となる。

銅MCPCBは一般的にアルミベースのPCBよりも高価です。しかし、熱伝導性や耐久性の向上など、アルミベースの基板よりも多くの利点があります。

アルミニウム誘電体MCPCB

アルミニウムPCBは平らで、その間に薄い導電性誘電体層があります。アルミニウムクラッドまたはアルミニウムベースPCBとしても知られるこれらのPCBは、1970年代に開発され、以来、電子機器に広く使用されています。これらの基板は、熱伝導性の向上、低コスト、柔軟性など、標準的なFR-4構造と比較して多くの利点があります。

MCPCBは通常、放熱を必要とする高温の電気用途に使用される。例えば、オーディオ機器、電源装置、自動車などによく使用される。

銅誘電体MCPCB

誘電体層は銅と金属の層を隔てる。この層は熱の放散を助けます。その厚さは35umから350umで、1オンスから10オンス/フィート2です。また、基板はソルダーマスクで覆われ、基板全体を覆います。

このタイプのPCBは、2つの導体層の間に銅層がある。さらに、2つの層の間には薄い誘電体層があります。FR-4タイプのPCB材料に似ています。ただし、誘電体層は薄く保たれているため、金属板からの距離が短くなっている。

このタイプのPCBは、大量の熱を発生する用途でよく使用される。熱を放散する導電性コアがあるため、特にパワーエレクトロニクス機器に適している。また、厚みがあるため、小さく切断するのが難しい。この素材は非常に頑丈であるため、回路基板が高温にさらされる用途に適している。

多層PCBスタックアップの計画方法

多層プリント基板を設計する際には、以下の要素を考慮する必要があります。レイヤー 3 信号のリファレンス・プレーンは通常レイヤー 2 と 5 にある。レイヤー4で配線される信号は、これらのリファレンス・プレーンを使用する。リファレンス・プレーンが信号層から遠い層にある場合、幅の広いトレースを使用する必要がある。このタイプのトレースは、レイヤーの共通インピーダンスが50O以上の場合にのみ可能である。

レイヤースタックマネージャーの使用

多層プリント基板のスタックアップを作成する前に、まず使用する技術の種類を決定する必要があります。そうすることで、必要なレイヤーの数と各レイアウトを決定することができます。次に、ソフトウェアまたはコンピュータ支援設計を使用して回路図を作成します。こうすることで、レイアウトをテストし、機能的であることを確認することができます。次のステップは、接続のタイプを含め、各コンポーネントをどのように配置するかを決定することです。

プリント基板の層数は多ければ多いほど良い。層が多いほどエネルギーの流れが良くなり、電磁干渉が減るからです。また、層が多いほど、1枚の基板により多くの電子回路を配置することができます。

複数のグランドプレーンを使用

PCBスタックアップ設計の最初のステップは、層数を決定することです。次に、内層をどこに配置し、層間の信号をどのように分配するかを決めます。正しい計画に従うことで、配線と製造コストを最小限に抑えることができます。

信号層はグランドプレーンに隣接していなければならない。これは輻射とグランドインピーダンスの低減に役立つ。また、パワー・プレーンとマス・プレーンは結合されていなければならない。この目標を達成するために、多層 PCB のスタックアップの最良のモードは 8 層スタックアップである。しかし、アプリケーションのニーズに応じて構成を調整することができる。

多層プリント基板の積層設計で重要なのは、電源層と信号層の配置である。層の順番は、基板上のループからの放射に影響するため、非常に重要である。したがって、任意の順序で層を配置することは避けることが重要です。

お辞儀とツイスト

多層 PCB のスタックアップを計画する場合、対称銅の重量だけでなく、反りやねじれを考慮することが重要です。また、コアの厚みやプリプレグを考慮することも重要です。これらの設計要素は、組み立て中に PCB がずれる原因となる反りやねじれを避けるのに役立ちます。さらに、対称的なレイヤースタックアップを使用することは、この問題の発生を防ぐ優れた方法です。

多層PCBのレイアウトは複雑な作業であり、最終的な設計の安全性を確保するためには慎重なアプローチが必要です。多層PCBは非常に高温になり、近くの回路の性能に影響を与える可能性があります。そのため、特定の温度範囲用に設計された材料を使用することが重要です。さらに、厚みの異なる非対称設計は、反りやねじれが生じやすい。多層PCBスタックアップは、設計の機能性、製造プロセス、展開に基づいて計画するのが最良の方法です。

差動インピーダンスの計算

多層PCBのスタックアップを計画する際には、PCBの各層のトラックの差動インピーダンスを計算する必要があります。計算を誤ると不正確な結果につながるため、この作業は非常に重要なステップです。IPC-A-600G規格では、エッチファクターを厚さ(t)とW1とW2の差の半分の比率として定義しています。回路基板の望ましいインピーダンスを決定した後、次のステップは各層のエッチファクターを計算することである。

最初のステップは、基準プレーンを決めることである。このプレーンは、グランドプレーンに接続されていなければならない。最下層には、リファレンス・パワー・プレーンとグラウンド・プレーンを配置する。最上層には、プライマリ高速配線層を設ける。

優れたスタックアップの管理

多層PCB設計のプロセスは、芸術であると同時に科学でもあります。レイヤーの配置と間隔、レイヤー間のビアの配線が含まれます。また、電源プレーンとグランドプレーンのペアの配置も含まれます。スタックアップは、メーカーの設計要件をサポートできなければなりません。

良い多層PCB設計ソフトウェアは、多層スタックアップを管理するのに役立つ機能を持っている必要があります。ボードサイズの定義、回路図のキャプチャ、コンポーネントの配置、トレースの配線、コンポーネントデータの管理などのツールを備えている必要があります。また、多種多様な材料タイプをサポートし、カスタマイズ可能なビアオプションが含まれている必要があります。

良い多層PCBスタックアップは、各信号層の後にバランスの取れたグランドプレーンも含める必要があります。優れた多層PCBスタックアップを管理することで、優れたシグナルインテグリティとEMC性能を達成することができます。しかし、層が増えるごとに製造コストと設計要件が高くなることを覚えておくことが重要です。しかし、経験豊富なPCBメーカーと仕事をするのであれば、このトレードオフは価値があります。

PCBインキの重要な技術的性能に関する簡単な考察

PCBインクは、製造プロセスにおける重要なコンポーネントである。その性能は、粘度、可塑性、接着性、硬度、耐水性、耐溶剤性など、いくつかの特性によって決まります。また、温度や酸・アルカリに耐える特性もあります。その上、可溶性であるため、接着材料としての働きを助ける。

粘度

PCBインクの粘度は、最も重要なPCB製造工程の一つであるスクリーン印刷において重要な要素である。正確な画像を再現するために、インクには高い粘度と良好なチキソトロピー性が求められます。粘度とは、液体が撹拌されるときに直面する内部摩擦のことです。厚い液体ほど抵抗が大きく、薄い液体ほど抵抗が小さくなります。PCBインクの粘度はポアズで測定されます。温度によってかなり変化します。

PCB回路基板のインク粘度は、PCB基板の種類や印刷工程によって異なる。粘度が高いと、インク漏れやグラフィックエッジへのダメージの原因となります。これらの問題を避けるためには、PCBインクの粘度を下げることが重要です。これは希釈剤の使用によって達成される。

可塑性

PCBインクの可塑性はスクリーン印刷機にとって大きな問題となりますが、希釈剤によって対処することができます。希釈剤を使用することで、PCBインクの粘度を下げ、プリンターに高い解像度を与えることができます。また、高粘度のインクが引き起こすスミアリングやその他の問題のリスクなしに、プリンターが高解像度レベルを達成できるようになります。

PCBインキはスクリーン印刷やその他の印刷工程で使用される。これらのインキには、高い隠蔽力、高粘度、不透明度などの特性があります。一般的には白色ですが、着色したり、文字や記号などの情報を印刷することもできます。このようにして、重要な情報を強調したり、危険を警告したりすることができる。

樹脂含有量

PCBインクをクリーニングする最初のステップは、余分な樹脂を取り除くことです。これを行うには、透明フィルムを使い、PCBにそっと押し当てます。その後、ペーパータオルで余分な樹脂を拭き取ります。銅パッドや余分なアートワークが樹脂に覆われている可能性があるので、必ず露出させてください。

通常、ソルダーレジストインクは感光性エポキシ樹脂を含む。この種の樹脂はカルコン基含有化合物と硬化剤を含む。PCBインクの他の成分には、有機溶剤と充填剤が含まれます。PCBインクに含まれる樹脂は、誘電抵抗の低下を引き起こし、PCBの短絡やブリスターを引き起こす可能性があります。

接着

PCBインクの粘着力は、製造プロセスにおいて重要な要素である。PCBインクの粘着力は、その種類と基板によって異なります。一般的に使用されるタイプには、UV、感熱、感光性などがあります。これらのタイプのインクは、様々な種類の基板への密着性に非常に優れています。

カーボンインクPCBは優れた接着性と耐剥離性を持つ。抵抗変化率は約10%。抵抗二乗は約20Ωで、電子部品の実装に優れている。そのため、金キーなどの高価な金属の代替としてよく使用されている。

抵抗率

抵抗率は材料の特性です。抵抗には、電気抵抗、比抵抗、体積抵抗、体積抵抗など多くの種類があります。ある材料は他の材料よりも抵抗率が高く、ある材料は他の材料よりも抵抗率が低くなります。抵抗率は温度によっても変化します。例えば、銅はその調合や配合によって抵抗率が変わることがあります。

プリント回路基板の製造では、インクの抵抗率を測定することが重要である。一般に、抵抗は初期インピーダンスと硬化抵抗の比として測定される。この測定値は、印刷デバイスの導電性を最適化する際に有用な基準となる。