4層PCBの製造とスタックアップ

多くのエンジニアは、PCBの層を増やすということは、より狭いスペースにより多くの配線を詰め込むことだと考えています。しかし、それは間違いです。2層基板から4層基板への移行は、回路全体の電気的挙動を変化させます。シールドとして機能する専用のプレーンが追加されます。これは、プロトタイプ間の20ドルの価格差よりも重要です。

標準の 4 層 PCB スタックアップとは何ですか?

誰も教えてくれないことがあります。4層基板の層構造はランダムではありません。銅板を好きなように積み重ねただけでは、優れた性能は期待できません。

標準的な構造は次のサンドイッチパターンに従います。

上部信号層 → プリプレグ → グランドプレーン → コア → 電源プレーン → プリプレグ → 下部信号層。

レイヤー1上

主要な信号層です。コンポーネントはここに配置され、トレースはここに配線されます。コンポーネントパッドにアクセスする必要があるため、配線の大部分はここで行われます。

レイヤー2内部

グランドプレーン。この銅箔全体がGNDに接続されています。なぜ1層全体をグランドに割り当てているのでしょうか？高周波信号は、その直下にしっかりとしたリターンパスを必要とするからです。信号が第1層を流れると、リターン電流はその真下の第2層を流れます。これにより小さなループ領域が形成され、EMIの問題を未然に防ぎます。

エンジニアがプレーンではなくグラウンドグリッドを使用しようとした設計を見たことがあるかもしれません。結果は悲惨でした。信号整合性の問題で、基板を3回も修正する必要がありました。

レイヤー3内部

電源プレーン。通常はメインのVCCレール（設計に応じて3.3V、5V、または12V）に接続します。このプレーンは、最小限のインピーダンスでボード全体に電力を分配します。太い電源トレースで配線スペースを圧迫することなく、すべてのICに安定した電圧を供給できます。一部の設計では、このレイヤーを3.3Vと5Vなど複数の電圧に分割しています。分割された各電圧間に適切なクリアランスを確保すれば、問題なく動作します。

レイヤー4下部

二次信号層。第1層がいっぱいになった場合、またはBGAファンアウトを回避する必要がある場合は、ここで配線します。最下層にはコネクタとテストポイントも配置されます。

コアは中央にあります。これは硬質FR-4基材で、標準的な1.6mm厚のボードでは通常1.0mmの厚さです。プリプレグ層は接着剤の役割を果たします。これらの半硬化状態のグラスファイバーシートは、熱と圧力によって固体の誘電体に変化する積層工程で、全ての材料を接着します。

現在、一部のメーカーは代替案として、信号-グラウンド-電源-信号という配置を推奨しています。技術的には機能しますが、標準的な信号-グラウンド-電源-信号というスタック構成は、両方の信号層がリファレンスプレーンのすぐ隣にあるため、ミックスドシグナル設計ではより優れたパフォーマンスを発揮します。これにより、電磁ループが圧縮されます。

このスタックアップについてもう一つ注意すべき点は、製造工程において対称性が重要であることです。片側にすべての銅箔を配置すると、リフロー中に基板が反ってしまいます。タイプ1の配置では、基板の上下に銅箔が均等に分布するため、組み立て中の反りを防ぎます。

4 層 PCB と 2 層 PCB: アップグレードする理由

2層基板を設計し、ベンチでは問題なく動作する。そして500個試作したところ、EMC試験に不合格に。こんな経験ありませんか？

シグナルインテグリティ

高速信号は2層基板を嫌います。100MHzのSPIバスやUSB 2.0差動ペアを2層基板で動作させる場合、リターン電流は、グラウンド経路を経由して戻ってくる必要があります。通常、これはグラウンドトレースを長く曲がりくねった経路を意味します。これにより、ノイズを放射し、干渉を引き起こす大きなループアンテナが形成されます。

4層基板では、リターン電流は信号トレースの真下をグランドプレーンを通って流れます。ループ面積はほぼゼロにまで縮小します。オシロスコープ上では、信号がはっきりと観測されます。

EMIシールド

内部のグランドプレーンと電源プレーンはシールドのような役割を果たします。層間の電磁場を閉じ込め、空間への放射を防ぎます。同一の回路を2層基板と4層基板でテストすることをお勧めします。4層基板では、通常、放射エミッションが15～20dB向上します。これが、FCC Part 15 Class Bの規格の合格と不合格の差となります。

密度

配線層が2層ではなく4層になります。当然、基板サイズを縮小できます。しかし、真のメリットは、0.5mmピッチのBGAやQFNパッケージといった高密度部品を回避できることです。2層基板では、配線はパッド間のみに限られます。4層基板では、ビアをパンチして内層に配線することで、配線の複雑さから逃れることができます。

2層で80mm × 60mmの面積を必要とする設計は、4層では60mm × 45mmで収まることがよくあります。数千枚を製造した場合、基板面積の削減により、1枚あたりのコスト上昇を相殺できます。

熱管理

銅はFR-4の200倍の熱伝導性を持っています。これらの内部プレーンは、熱を電圧レギュレータやMOSFETの下に集中させるのではなく、基板全体に拡散させます。3A以上の電流を流す電源では、この点が重要になります。内部銅プレーンへのサーマルビアを使用することで、ヒートシンクを省略できる場合もあります。12V電源ユニットの設計において、アルミをボルトで固定する代わりにレイヤー3に熱を逃がすことで、BOMコストを1.50ドル削減できました。

コストの違いは？中国の工場では、試作段階では4層基板は2層基板に比べて1枚あたり15～30ドル高くなります。1000枚以上の量産価格になると、1枚あたり2～4ドル程度の追加費用がかかります。一方、EMC試験に1回不合格になると、再試験だけで3000～5000ドルの費用がかかります。計算してみてください。

主要な設計仕様と材料の選択

FR-4は標準的な材料です。以上です。4層基板の約95%でFR-4が使用されています。これは、FR-4のコストが特殊材料の10分の1に抑えられているためです。

FR-4には、TG130、TG150、TG170といった異なるTg値が記載されています。これは材料が軟化するガラス転移温度です。標準的なTG130～140は民生用製品には適しています。高温の筐体内やエンジン付近に設置される自動車や産業用機器にはTG170が必要です。高Tgは15～20%コストが高くなりますが、105℃ではなく130℃の周囲温度でも信頼性が得られます。

1GHzを超えるRF設計には、Rogersの材料が役立ちます。Rogers 4350BはFR-4の約8～12倍のコストがかかります。マイクロストリップアンテナやインピーダンスが重要な伝送線路において、誘電率を厳密に制御する必要がある場合に使用します。

板厚

標準は1.6mmです。これは筐体の標準的なPCBスロットに適合し、手作業による組み立てにおいて優れた機械的剛性を提供します。ウェアラブルなどの超薄型デバイスには0.8mm、コスト重視の設計には1.0mm、高電流電源ボードには2.0mmをご注文いただけます。ただし、1.6mmより薄いと、組み立て中にボードのたわみが大きくなり、大型部品のはんだ接合部に亀裂が生じる可能性があることにご注意ください。

銅の重量

外層では通常1オンスの銅が使用されます。これは、適切なトレース幅でトレースあたり3～4Aの電流を流すことができます。内部の電源プレーンとグラウンドプレーンも通常1オンスで規定されていますが、コスト削減のため、内部層を0.5オンスにデフォルト設定しているメーカーもあります。見積もりの際はこの点にご注意ください。

10A 以上の高電流設計の場合、2 オンスまたは 3 オンスの銅を注文できますが、銅が厚くなると微細な部分をエッチングするのが難しくなるため、コストが高くなり、最小トレース幅が制限されます。

インピーダンス制御

4層基板が真価を発揮するのはまさにこの点です。USB、イーサネット、HDMI、DDRメモリなどのインピーダンスを制御する必要があります。計算機は、スタックアップの形状に基づいてトレース幅を算出します。1オンス銅箔と10ミルの誘電体間隔を持つ4層基板上の典型的な50Ωマイクロストリップは、約12～15ミルの幅になります。メーカーは、クーポンをテストして結果を証明する必要があるため、インピーダンス制御に50～150ドルの追加料金を請求します。

インピーダンスを制御したい場合は、製造会社にスタックアップ仕様書を提出する必要があります。誘電体の厚さとEr値を定義せずに50Ωが必要だと伝えると、彼らは推測するしかありません。多くの場合、彼らの推測は的外れです。

製造能力

設計の良し悪しは、製造工場が実際に製造できる量に左右されます。2026年時点で、中国の優良メーカーにおける標準的な4層製造能力は以下のとおりです。

最小トレース

4mil/4milは、ほとんどのショップで追加料金なしで実現可能です。これにより、0.5mmピッチのBGAパッド間の配線が可能になります。3mil/3mil、さらには2.5mil/2.5milまで対応可能ですが、追加料金とリードタイムの延長が予想されます。ほとんどの設計では、5mil/5milまたは6mil/6milで問題なく、コストを抑えることができます。

最小穴サイズ

機械式ドリルは直径0.2mmまで対応可能です。それより小さい穴あけにはレーザードリルが必要となり、ビアのコストは3倍になります。標準的なビアは0.3mmの穴に0.6mmのパッドを取り付けます。これらは安価で信頼性も高いです。

表面仕上げ

HASLは最もコストが低いですが、表面に凹凸が残るため、0.5mm未満のファインピッチ部品では問題が生じます。ENIGは試作コストに15～25ドル追加されますが、平坦で酸化に強い表面が得られ、12ヶ月以上の保存期間を確保できます。

ENIGはQFNまたはBGAのあらゆる部品に使用できます。OSPはコストと保管期間のバランスが取れており、6ヶ月間使用できます。浸漬銀はENIGと同等の性能を持ちますが、コストはわずかに低くなります。ただし、変色は早くなります。

はんだマスクの色

緑は標準で無料です。黒はプロフェッショナルな印象を与えますが、マスクの下のトレースが見えないため、検査が難しくなります。白は光を反射するため、LEDボードに最適です。青と赤は見た目が美しく、プロトタイプに10～20ドルの追加費用がかかります。マットブラックは消費者向け製品で今流行していますが、さらに高価です。

ブラインドビアと埋め込みビア

ほとんどの4層設計では、貫通ビア（標準）が使用されています。ブラインドビアやベリードビアはより高密度な配線を可能にしますが、コストが大幅に増加します。価格は3～5倍に高くなることを覚悟してください。どうしても0.4mm BGAを使わなければならない場合を除き、ブラインドビアやベリードビアの使用は避けてください。

4層PCBの主な用途

現代の電子機器では、4 層ボードがいたるところに見られます。

直流安定化電源

15W以上のスイッチング電源は、ほぼ確実に4層構造を採用しています。グラウンドプレーンはスイッチングノイズを低減し、電源プレーンは太い配線を使わずに大電流を分配します。私たちはかつて、80WのLEDドライバを2層基板で設計しました。動作はしましたが、ノイズ放射が大きすぎて、顧客の施設のAMラジオに干渉してしまいました。

家電

スマートホームデバイス、Wi-Fiルーター、Bluetoothスピーカーなど、ワイヤレス接続機能を備えたあらゆる機器は、FCCの試験に合格するために4層構造の設計が必要です。グランドプレーンの配置は放射パターンと効率に直接影響するため、アンテナの性能だけでもコストを正当化できます。

自動車用コントローラー

車載電子機器は、オルタネータノイズ、点火スパイク、モーター整流干渉など、過酷なEMI環境にさらされています。適切なグランドプレーンを備えた4層基板は、こうした電磁波嵐にも耐えることができます。また、車載温度仕様では、-40℃～+125℃で動作するTG170材料が求められます。

産業用制御

PLCモータドライブ、産業用HMIでは、ノイズ耐性を高めるために4層基板が使用されています。工場内でVFDや溶接機の隣に機器を設置する場合は、可能な限りのシールドが必要です。

LEDドライバ

高出力LEDドライバは、内部銅プレーンの熱拡散の恩恵を受けます。4層構造の50W LEDドライバは、第3層を通して熱を分散させるため、2層構造と比較してホットスポットの温度を15～20℃低減できます。

4層PCBの価格を下げる方法

プロトタイプの価格設定は人々を不安にさせます。5枚のボードで180ドルという見積もりを見て、生産で破産してしまうのではないかと心配するかもしれません。しかし、そんなことはありません。

数量

中国の工場で試作基板を5枚作ると、サイズや機能にもよりますが、100～200ドルかかります。しかし、100枚だと合計300～400ドルかかることもあります。初期費用は償却されます。1000枚生産すると、標準的な100mm×100mmの設計で1枚あたり3～6ドルになります。試作基板の見積もりだけで生産を決定してはいけません。

技術を介して

スルーホールビアのコストはほぼゼロです。ブラインドビアやベリードビアは、複数回のラミネーションサイクルが必要となるため、コストが3～5倍になります。スマートフォンや超小型ウェアラブルデバイスを設計する場合を除き、スルーホールビアをお選びください。

ボードのサイズとパネル化

メーカーは標準的なパネルサイズ（通常は18インチ×24インチ）でPCBを製造します。基板寸法がパネル1枚あたり複数枚を製造でき、無駄を最小限に抑えられる場合は、価格が下がります。95mm×95mmの基板は、パネル1枚あたり4枚を製造でき、部品利用率も高くなります。110mm×87mmの基板は、基板の収まりが悪く、材料の無駄が多くなります。基板を5mm小さくするだけで、パネル効率が向上するだけで、単価が15%も削減できる場合があります。

リードタイム

中国メーカーからの標準リードタイムは7～10日です。特急サービスは2～3倍の費用がかかります。展示会に急いでいる場合を除き、標準リードタイムをご利用ください。

設計の複雑さ

インピーダンス制御、5ミル未満のファインピッチ配線、または2オンス以上の厚銅配線は追加料金が発生します。標準仕様で製造可能な設計であれば、お見積りはリーズナブルです。

コストについてもう一つ。基板1枚あたり15ドル節約するために表面仕上げをケチってはいけません。あるクライアントは、ENIGではなくHASLを使用することで、基板200枚で200ドルを節約しました。しかし、リフロー中に表面の凹凸が原因で0402抵抗器にトゥームストーン（凹み）が発生し、基板の30%に4000ドルのやり直し費用がかかりました。

製品概要

4層PCBは2層基板よりもコストがかかりますが、シグナルインテグリティ、EMI性能、配線密度において優れています。標準的なスタックアップでは、グランドプレーンと電源プレーンを内部に配置し、上下に信号層を配置します。この構成は高速信号に対応し、EMC試験に合格し、より高密度な部品配置を可能にします。ガーバーファイルをアップロードしていただければ、生産開始前に即座に見積もりとDFMフィードバックを入手できます。

会社概要 Wonderful PCB

Wonderful PCB 工業デザイン、電子工学から4層PCB製造まで、あらゆる分野に対応しています。グローバル企業と提携し、中国で4層プリント基板の製造・組み立てを行っています。

4層回路基板に関するよくある質問

高周波設計に 4 層ボードを使用できますか?

標準的なFR-4で6GHz帯を組み込むことができます。それを超える周波数帯では、Rogersなどの低損失材料が必要です。重要なのは、誘電率を適切に制御し、スタックアップの対称性を維持することです。2.4GHz帯のWi-Fi、Bluetooth、または1GHz未満のISMバンド設計には、FR-4が最適です。私はGPS受信機をFR-4で問題なく構築しました。

内部コアの標準厚さはどれくらいですか？

1.6mm厚の完成基板の場合、コアの厚さは通常1.0mmです。2層のプリプレグはそれぞれ0.3mm厚になります。銅箔の厚みは約0.07mm減少します。これにより、第1層と第2層の間に約10～12ミルの誘電体層が形成され、50Ωに制御されたインピーダンス配線に最適です。

4 層 PCB の Gerber ファイルをエクスポートするにはどうすればよいですか?

各層ごとに個別のガーバーファイルとドリルファイルが必要です。上面銅箔、グランドプレーン、電源プレーン、下面銅箔、上面ソルダーマスク、下面ソルダーマスク、上面シルクスクリーン、下面シルクスクリーン、基板外形をエクスポートします。スルーホール用のNCドリルファイルも追加します。KiCad、Altium、EAGLEといった最新のCADツールには、すべてを正しくエクスポートできる4層テンプレートが用意されています。メーカーは、どの内層がグランドに接続され、どの層が電源に接続されているかを把握する必要があります。レイヤー2 = GND、レイヤー3 = VCCを指定したスタックアップ図またはノートファイルを添付してください。