プリント基板はなぜ使われるのか？

Printed circuit boards are a more compact and easy-to-install alternative to discrete semiconductor components. They also protect electronic components from damage and interference and are relatively inexpensive to mass-produce. Let’s explore why PCBs are used. Here are three common uses. In the military, PCBs are used in communication.

Printed circuit boards are a more compact and easy-to-install alternative to discrete semiconductor components

Printed circuit boards are flexible printed circuits that incorporate a number of different electronic components into a single package. They can be produced in a variety of thicknesses, with 0.8, 1.6, 2.4, and 3.2mm being common. Each printed circuit board consists of one or more layers, and each layer has a specific purpose. A printed circuit board’s “body,” or non-printing portion, can have a thickness of up to 0.8 mm. The other two layers are connected to one another using a process called lamination.

Printed circuit boards can be made with a number of different materials. Materials for printed circuit boards include carbon mask, which is a conductive liquid. This paste is usually made of a synthetic resin and a carbon toner. A PCB may also feature a card-edge connector fabricated on one edge. PCBs with this connector are typically gold-plated.

The process of making a printed circuit board used to be completely manual. It started with drawing a schematic diagram on a clear mylar sheet and was created at a size appropriate for the board. From there, traces were routed between the various components to provide the required interconnections. Eventually, pre-printed non-reproducing mylar grids were developed to aid in this process. Printed circuit boards could also be standardised with the use of rub-on dry transfers.

Printed circuit boards are a more compact alternative to discrete semiconductor components and are often used in mobile and home electronic devices. Their advantages over discrete components include their ease of installation and high-resolution. A printed circuit board can also be more durable than discrete components.

They protect components from damage and interference

Printed circuit boards are used to connect various electronic components and allow them to communicate with one another. These boards also protect electronic components from damage and interference. With more devices becoming electronic, these boards are essential for their proper functioning. In addition, these boards can help reduce the size of a device and save on the cost of parts.

Printed circuit boards are made of a variety of materials. Copper-clad laminate is often used for circuit boards. The most common is FR-4, which contains unetched copper on one side and an epoxy resin matrix on the other side. Other materials used for printed circuit boards are dielectric composites, which contain an epoxy resin matrix and reinforcement. Reinforcement may be woven or nonwoven glass fibers or paper. Some materials also contain ceramics, such as titanate, which can increase the dielectric constant.

Printed circuit boards must be protected from damage caused by the environment. Typical protection measures involve protecting PCBs from high temperatures and humidity. However, other factors, including electromagnetic interference, can also negatively interact with their components. In addition to physical stress, such as high humidity or extreme temperatures, PCBs must be protected from mechanical, electrical, and chemical stresses.

Printed circuit boards are manufactured using a combination of techniques to prevent components from contacting one another. The most common is the semi-additive process. During this process, a thin layer of copper is already on the unpatterned board. This layer is then removed, exposing the bare copper laminate underneath. This process is then followed by a step called etching.

They are the cheapest option to mass-produce

Printed circuit boards can have multiple layers of copper, usually in pairs. The number of layers and interconnection design determines the complexity of the board. More layers give the circuit board more flexibility and control over signal integrity, but also require more time to produce. The number of vias on a circuit board also determines its size and complexity. Vias help to escape signals from complex ICs.

Printed circuit boards are also known as printed wiring boards and etched wiring boards. They are a material made of copper sheets and non-conductive materials, and they serve as mechanical and electrical supports for electronic components. These circuit boards are extremely reliable and inexpensive, but they do require more layout work than wire-wrapped circuits. However, they are more flexible, faster, and more robust than wire-wrapped circuits.

DIYプリント基板プロトタイプのニーズに応えるProtorpcbに代わる4つの選択肢

PCBプロトタイプの費用を節約したいのであれば、Protorpcbの他にもいくつかの選択肢があります。リーズナブルな価格でPCBを製造できるボードハウスは世界中にたくさんあります。ほとんどはアジアにありますが、どこに住んでいても手頃な価格のオプションは利用可能です。PCBプロトタイプは時間がかかることがあります。

はんだマスク

DIYでもプロでも、ソルダーマスクはPCB製造の最も重要な要素の一つです。ソルダーマスクの選択を誤ると、深刻な問題を引き起こし、PCBの寿命を縮めることになります。PCB、部品、導体のサイズや形状など、さまざまな要因によって最も適切なソルダーマスクが決まります。アプリケーションの種類もソルダーマスクの種類に影響します。

ソルダーマスクは、鉛フリーはんだや電子部品の錫メッキに関連する問題である錫ウィスカを防止するためによく使用されます。しかし、ソルダーマスクは便利ですが、アプリケーションによっては必ずしも最適なソリューションとは限りません。例えば、小型部品や微細ピッチのボールグリッドアレイには適さない場合があります。これらの理由から、ソルダーマスクを使用する前に、基板がどのように機能するかを確認する必要があります。

ソルダーマスクの色も重要な検討事項である。見やすい色もあれば、見えにくい色もある。例えば、黄色や白は拡大鏡や適切な照明がないと見えにくい。また、これらの色は汚れが目立ちやすい。用途に応じて、適切なソルダーマスクの色を選択することで、最良の結果を得ることができます。

板厚

もしあなたがDIY PCBの愛好家なら、Protorpcbの代わりはたくさんあります。1日でPCBを出荷する安価な代替品、bareBones ™があります。BareBonesはSoldermaskやSilkscreenなしで作られ、迅速なプロトタイプに最適です。BareBonesは最高の品質を提供するものではありませんが、安価なPCBプロトタイプを探している場合には最適な選択です。また、ベアボーンは最小ロットなしで入手でき、送料も安価です。

FreeDFMはもう一つの優れた選択肢で、設計エラーを自動的に修正することができます。一般的な製造規格を使用し、整理されたレポートを作成することができます。さらに、EAGLEでのガーバーファイル作成にも役立ちます。SparkFunのチュートリアルでは、その手順を説明しています。

PCBの複雑さは層数で決まる。層数が少ないほど、PCBはシンプルになります。しかし、小型デバイス用のPCBを作る場合は、薄いPCBが必要になるかもしれません。

ハンダ付け

PCBプロトタイプのはんだ付けは、何千年も前から行われている昔ながらのプロセスです。スルーホールと表面実装技術を組み合わせたものです。最初に接着剤を塗布し、次にSMD部品を配置します。次にはんだペーストを固め、最後にPCBを反転させます。

プロトタイプPCBの層数は1層から8層で、ISO規格に適合する必要があります。通常、プロトタイプPCBの品質はIPC 1以上ですが、これは最終的なアプリケーションによって異なります。プロトタイプPCBの品質にかかわらず、プロトタイプを文書化することは必須です。

プロトタイプPCBは堅牢で信頼できるものでなければなりません。そのため、試作プリント基板は多くのテストや挑戦を受けることになります。基板は温度変化、振動、電力にさらされます。したがって、適切にはんだ付けすることが不可欠です。さらに、堅牢な回路基板は、顧客にとって魅力的で見栄えのするものになります。

ICピッチ

予算内でPCBプロトタイプを製造する方法をお探しなら、多くの選択肢があります。最も早く、最も安く、最も簡単なプロセスの1つは、一般的な製造規格に従うことです。プロジェクトが手遅れになるまで、これらのルールが考慮されないこともありますが、それらに従うことで、多くの時間と費用を節約することができます。

現代の集積回路は、膨大な種類のパッケージとピッチ・サイズで提供されている。そのため、手作業での組み立てや試作は非常に困難です。また、ある部品を別の部品に取り付けるのに役立つキャステレーション穴にも興味があるかもしれません。しかし、すべてのメーカーがこのタイプの穴を提供しているわけではありません。

プロトタイピングは、製造プロセスにおいて不可欠な段階です。最終製品に組み込まれる前に、設計上の欠陥をキャッチすることができます。PCBプロトタイプはまた、潜在的なバイヤーに製品を実証することができます。

エレクトロニクスにおけるPCBとは？

プリント基板、略してPCBは、電子機器の重要な部品である。プリント基板は、機能性の向上、自動化、効率化を可能にします。また、人件費を削減することで生産性を向上させ、製造とサプライチェーン管理に革命をもたらしました。さらに、PCBは柔軟性が高く、リジッドまたはフレキシブル・フレックスにすることができるため、製品の小型化、軽量化が可能になります。また、信頼性も向上します。

プリント基板

プリント回路基板（PCB）は、現代の電子機器に不可欠な部品である。これらの回路基板は、専門家が改良された電気機器を作成することを可能にします。PCBには様々な層とスタイルがあります。片面PCB（シングルサイドボード）は1層で、両面PCBは2層以上です。

プリント回路基板は、基板と電気抵抗材料の層でできている。この材料は、電子機器内で電流を流すために必要な電気抵抗を提供する。プリント回路基板には、熱伝導性を高め、頑丈さを増すために、さまざまな種類の接着剤も含まれている。

PCBは何層もの銅層を持ち、複雑になることもある。その設計は、どれだけの層が必要かに左右されることが多い。層数を増やすと配線オプションが増え、シグナル・インテグリティをよりコントロールしやすくなりますが、複雑さとコストも増えます。基板の複雑さを左右するもう一つの重要な要素は、ビアの数です。ビアは、複雑なICからコンポーネントを逃がすためのもので、基板の複雑さの良い指標になります。

両面PCB

エレクトロニクスでは、両面PCBは両面設計の回路基板である。基本的に両面PCBは銅でできています。片面基板と両面基板にはいくつかの違いがあります。ひとつは、両面PCBは銅の層が複数あるのに対し、片面基板は1層しかないことです。一般的に、片面基板はレイアウト用かSMT用の穴あけ用にしか使用できません。

片面PCBと両面PCBのもう一つの大きな違いは、製造方法です。両面PCBの製造に関しては、導電特性と化学的特性が考慮される。一般的に、導体ストリップには銅と錫が使用され、PCBボードのベース層には樹脂を含浸させたガラス繊維と紙が使用されます。

レイヤー数

プリント回路基板は一般に1層から多層で構成され、家庭用電子機器からコンピューター、モバイル機器まで、さまざまな用途に使用される。また、航空宇宙機器や産業用工具にも使用されている。層数や基板の寸法は、デバイスの種類によって異なります。

層数が多いほど、基板は複雑になる。通常、単層PCBは4層から8層ですが、より複雑なデバイスでは12層まで可能です。層数は偶数でも奇数でもよいが、電子回路を設計する場合は偶数が望ましい。

銅の厚さ

電子機器に使われる銅の厚さは、一般的にオンスで測られます。この測定のルーツは金箔産業であり、1 オンスの金属が 1 平方フィートの面積にどれだけ広がるかに基づいています。銅の厚さは電子回路において重要な要素であるため、希望する通電容量を達成するために基板を適切に設計する方法を知ることが重要です。

銅の厚さはオンスで測定され、1オンスは1平方フィートの面積に約1.37ミリの銅があることを表しています。ただし、この重さはあくまでも目安です。基板上の銅の量が変われば、実際の銅の厚さは変わります。そのため、銅の重量が変われば、ビアに必要な環状リングの最小サイズも変わります。このサイズが重要なのは、ドリルで開けた穴が完全に中央に位置しなくても、信頼できる電気的接続が得られるようにするためです。

コネクティビティ

PCBは、電子製品に使用される小型のプリント基板である。基板には様々な部品が含まれており、それらを接続する必要がある。PCB製造のプロセスは、部品が互いにどのように接続されているかを示す回路図の作成から始まります。多くの場合、回路図には部品の抽象的な表現も含まれます。

PCBは柔軟性があり、軽量で信頼性の高い電子機器の接続方法です。その汎用性により、複雑なシステムに理想的な選択肢となります。この技術は、コンピュータや医療用電子機器など、数え切れないほどの分野に恩恵をもたらしてきました。PCB技術の進歩により、業界の専門家は、より小さく、より速く、より効率的な電子機器を設計・製造できるようになりました。

プリント基板をアップグレードする簡単な方法

PCBのアップグレードは、数分でできる簡単な作業です。ただし、プロセスを完了するには、いくつかの手順を踏む必要があります。以下に、PCBのアップグレードが必要となる最も一般的な理由を挙げます。

感光性ラミネートPCBカード

プリント基板をアップグレードする一つの方法は、感光性ラミネートPCBカードを使用することです。この素材は2層の銅トラックで構成されています。最初の層はトナーの層で、2番目の層は感光性ラミネートです。ラミネートをアートワークに密着させるため、ボードをしっかりと押さえる必要がある。ラミネートを固定するために、ラミネートの裏に重しを置くこともできる。最後に、PCBを真空フレームか2枚のガラスに入れます。これが終わったら、基板を明るい日光の下に片面5～8分ほど置きます。日光が十分に当たらない場合は、別のUV光源を使ってもよい。
ハンダ付け

プリント基板を簡単にアップグレードする方法をお探しなら、はんだ付けをご検討ください。コンデンサー、ダイオード、トランジスター、そしてハイパワー管まで、はんだ付けすることができます。まず、部品をきれいにして、汚れやゴミを取り除きます。次に、基板上に部品を配置します。小さな部品から始めて、大きな部品になるようにします。こうすることで、基板が平らでバランスのとれた状態に保たれます。

部品をはんだ付けする前に、ヘッダーと部品の位置を合わせる必要がある。これを行うには、シリコンや厚紙で部品を押さえます。はんだ付けする前に、シールドを使ってヘッダーの位置を合わせることもできます。はんだ付けの方法については、はんだ付けのビデオをご覧ください。

ハンダ付けジャンパー

パッドのひとつが浮いてしまった場合は、ジャンパー・ワイヤーをハンダ付けすれば簡単に修復できる。その際、ワイヤーが部品のリード線からはみ出さないように注意してください。また、はんだマスクを必ず剥がし、裸の銅を露出させてください。次に、基板上の適切な位置にジャンパー・ワイヤーを置く。部品リードのもう一方の端に対して、少なくとも90度曲がっていることを確認してください。終わったら、別の足やピンにはんだ付けする前に、ジャンパー・ワイヤーのゴミをきれいに取り除いてください。

ジャンパーとは、PCBに追加される小さな銅線である。これらのワイヤーは、ハードウェア・プログラミング・ツールの役割を果たします。ジャンパーをはんだ付けするときは、正しいタイプのはんだを選ぶ必要があります。鉛入りワイヤーよりも健康リスクが低いため、可能であれば鉛フリーのはんだを選びましょう。

汚染

工程管理ツールを使用してプリント基板の汚染を検査することは、電子機器の品質を向上させる迅速で簡単な方法です。プリント基板のイオン汚染は、トレースの腐食、デンドライトの形成、寄生リークを引き起こし、アセンブリの性能を損なう可能性があります。また、湿気による短絡の原因にもなります。

ノートパソコンでもiPhoneでも、回路基板は汚れ、水、その他の物質で汚染される可能性があります。純水は他の液体ほど有害ではありませんが、電子機器を乾燥させ、清潔に保つようにしてください（特にシャワー）。電子機器を濡れたままにしておくとショートし、回路基板を損傷する恐れがあります。

コンタミネーションは、製造、はんだ付け、部品実装、最終洗浄段階における品質管理の不備によって発生します。また、フラックス残渣や不適切なPCB仕上げによっても発生します。気をつけないと、信頼性の悪夢につながりかねません。

静電気放電

静電気放電（ESD）は、電子機器にダメージを与える自然現象である。2つの帯電した物体が、電子を自由に流すことなく接触することで発生する。放電が発生する電圧は、物体間の電位差の尺度である。人間は一般的に約3000ボルトのESDを経験する。この現象は、特にデバイスが敏感な場合、電子機器に悲惨な影響を及ぼす可能性がある。

ESDによる損傷は、組立ラインから化学工場まで、多くの環境で電子機器に発生する可能性がある。重工業や工場は特にESDの影響を受けやすい。ESDが電子機器にダメージを与えることは珍しいことではありませんが、プリント回路基板をアップグレードすることでそのリスクを排除することは想像以上に簡単です。

図解プリント基板の歴史

最初のプリント基板（PCB）は、1930年代にポール・アイスラーによって開発された。彼は工学を学び、雑誌編集者を経て電気工学の分野に進んだ。アイズラーは、紙に印刷することで新聞以外の用途にも使えるというアイデアを持っていた。彼は、ロンドンのハムステッドにある小さなワンルームのアパートでこのアイデアを開発した。

ムー・エイブラムソン

プリント基板の歴史は、多くの技術開発の影響を受けてきた。最初のプリント基板のいくつかは、自動組立プロセスの開発に貢献したコンピューター・エンジニアのモー・エイブラムソンによって作られた。アブラムソンはまた、銅箔の相互接続パターンとディップはんだ付け技術も開発した。彼のプロセスは後に改良され、プリント回路基板の標準的な製造工程につながった。

プリント回路基板は、電子部品を機械的に支持し、電気的に接続する回路である。通常、2層以上の銅板から作られる。その製造工程は、より高い部品密度を可能にする。また、電気接続用のメッキスルーホールもある。より高度なPCBには、電子部品が組み込まれています。

スタニスラウス・F・ダンコ

プリント基板の歴史は20世紀半ばにさかのぼる。それ以前は、電子部品にはリード線があり、プリント基板のトレースに直接はんだ付けされていた。最初の自動組立プロセスは、米国信号部隊に所属していたモー・エイブラムソンとスタニスラウス・F・ダンコによって開発された。彼らはこのプロセスで特許を取得し、以来プリント基板製造の標準的な方法となった。

プリント回路基板は電子機器の重要な一部である。19世紀半ばのささやかな始まりから、今では当たり前のものとなった。その進化は、消費者の要求の高まりによってもたらされた。今日の消費者は、電子機器から即座の反応を期待している。1925年、チャールズ・デュカスは配線の複雑さを軽減するために「プリント・ワイヤー」と呼ばれるプロセスを開発した。1943年、ポール・アイスラー博士がオーストリアで最初の動作可能なPCBを製造した。

ハリー・W・ルービンシュタイン

プリント回路基板の歴史は、1927年から1946年までグローブ・ユニオンのCentralab部門で研究科学者兼重役を務めたハリー・W・ルービンシュタインという人物によって大きく形作られた。ルービンシュタインはCentralabに在籍中、ローラースケート、スパークプラグ、蓄電池の改良など、いくつかの技術革新を担当した。しかし、彼の最も有名な発明はプリント電子回路である。

プリント基板の歴史は1900年代初頭に始まり、当時は電子部品をプリント基板にはんだ付けしていた。プリント基板にはリード線用の穴が開いており、その穴からリード線を挿入し、基板上の銅トレースにはんだ付けしていた。しかし1949年、モー・エイブラムソンとスタニスラウス・F・ダンコは、部品のリード線を銅箔の相互接続パターンに挿入し、ディップはんだ付けする技術を開発した。このプロセスは後に米陸軍信号隊に採用され、最終的にはプリント回路基板を製造する標準的な方法となった。

表面実装技術（SMT）部品

SMTとは、プリント基板（PCB）の表面に電子部品を直接貼り付ける技術である。これにより、より効率的な生産とコンパクトな設計が可能になります。また、ドリル穴の数を減らすことができるため、製造コストの削減にもつながります。SMT部品はまた、より堅牢で、より高いレベルの振動や衝撃に耐えることができます。

スルーホール部品に対する表面実装技術の主な利点は、高度に自動化され、溶接プロセス中の故障の数が減少することである。さらに、SMT部品はTHT部品に比べパッケージングが非常に安価であるため、販売価格も安くなります。これは、大量のプリント回路基板を探している顧客にとって大きな利点である。

銅の多層構造

複数の銅層を持つプリント基板は、複数の銅箔と絶縁材料から構成される。銅層は連続した銅エリアを表すこともあれば、別々のトレースを表すこともあります。導電性の銅層は、電流を流すことのできる細い溝であるビアを使って互いに接続されています。これらの導電層は EMI を低減し、明確な電流リターン・パスを提供するためによく使われます。プリント回路基板に銅を使う利点を以下に挙げます。

多層プリント基板は単層基板よりもコストがかかる。また、製造も複雑で、より複雑な製造工程を必要とする。コストが高いにもかかわらず、プロ用電子機器では人気がある。

電磁両立性

電磁両立性（EMC）は製品設計の重要な側面です。EMC規格は、製品の安全な動作を保証するための前提条件です。プリント基板の設計は、そのコンポーネントや環境と電磁気的に適合していなければなりません。通常、プリント回路基板は一度ではEMC規格に適合しません。そのため、設計プロセスでは、最初からEMC規格を満たすことを中心に考える必要があります。

電磁両立性を実現するためには、いくつかの一般的な手法がある。ひとつはPCBにグランド層を設ける方法。もうひとつは、低インピーダンスを実現するためにグラウンド・グリッドを使用する方法である。回路基板のグランド・インダクタンスを決めるには、グリッド間のスペースが重要である。ファラデーケージは、EMIを低減するもう一つの方法である。このプロセスでは、PCBの周囲にアースを投げ、信号がアースの限界を超えて伝わらないようにする。これにより、PCBから発生するエミッションや干渉を低減することができます。