PCB材料選択ガイド
電子機器の最も重要な部品はプリント回路基板（PCB）です。この略語は、プリント配線板やプリント配線カードを指すこともありますが、これらは本質的に同じものです。コンピュータから電卓まで、あらゆる機器においてこれらの基板が重要な役割を果たすため、PCB基板の材料選定は、機器の電気的要件を考慮し、慎重に行う必要があります。
PCBが開発される以前、回路基板の素材は絡み合った重なり合った配線で覆われており、特定の箇所で簡単に故障する可能性がありました。また、経年劣化により一部の配線に亀裂が生じると、ショートする恐れもありました。当然のことながら、初期の基板の配線は手作業で行われ、煩雑で骨の折れる作業でした。
日常的に使用される電子部品の種類がますます増え、回路基板が使用されるようになると、よりシンプルでコンパクトな代替品の開発競争が激化し、PCBという材料が開発されました。PCB材料を使用することで、様々な部品間で回路を配線することができます。基板と接続された部品間の電流伝達を促進する金属ははんだと呼ばれ、接着性も兼ね備えています。
PCB材料構成
PCBは通常4層で構成され、熱ラミネート加工によって1層に積層されます。PCBに使用される材料は、上から下に向かって以下の層で構成されています。
• シルクスクリーン
• ソルダーマスク
• 銅
• 基板
最後の層である基板はグラスファイバー製で、FR4とも呼ばれます。FRは「難燃性」を意味します。この基板層はPCBの強固な基盤となりますが、その厚さは基板の用途によって異なります。
市場には、前述のPCB材料ではなく、フェノール樹脂やエポキシ樹脂を使用した安価な基板も存在します。これらの基板は熱に弱いため、積層が剥がれやすい傾向があります。これらの安価な基板は、はんだ付け時に発生する臭いで簡単に見分けることができます。
PCBの2層目は銅で、熱と接着剤を混ぜて基板に積層されます。銅層は薄く、基板によっては基板の上下に1層ずつ積層されているものもあります。銅が1層だけのPCBは、安価な電子機器に使用される傾向があります。
広く使用されている銅張積層板（CCL）は、補強材、使用されている樹脂接着剤、可燃性、CCL の性能など、さまざまな分類基準に従ってさまざまなカテゴリに分類できます。
緑色のソルダーマスクの上にはシルクスクリーン層があり、文字や数字のインジケータが追加されることで、PCBの読み取りが容易になります。これにより、電子部品の組み立て担当者は、各PCBを各部品の正しい位置と向きに配置することが容易になります。シルクスクリーン層は通常白色ですが、赤、黄、灰色、黒などの色が使用されることもあります。
PCBレイヤーの技術用語
PCB の階層構造を理解するとともに、PCB の使用に伴う次の技術用語を知ることも重要です。
• 環状リング。PCB上の穴を囲む銅製のリング。
• DRC。デザインルールチェック（Design Rule Check）の略称です。DRCとは、PCBの設計の機能性を検査する手法です。検査対象となる細部には、配線幅やドリル穴などが含まれます。
• ドリルヒット。PCB上のすべての穴（正しい位置か間違った位置かを問わず）を表すために使用されます。場合によっては、製造時に使用されたドリル機器の鈍さにより、穴の位置がわずかにずれていることがあります。
• フィンガー：基板の端に沿って露出した金属部分で、2枚のPCB間の接続ポイントとして機能します。フィンガーは、古いビデオゲームやメモリーカードによく見られます。
• マウスビット。PCB の構造的完全性を脅かすほどにドリルで穴を開けられた基板部分。
• パッド。PCB 上の露出した金属領域で、通常ははんだ付けされた部品が取り付けられます。
• パネル。小さな基板で構成された大きな回路基板で、最終的には個別に分離して使用します。この方法は、小型基板の取り扱いに煩わされる作業者の負担を軽減することを目的としています。
• ペーストステンシル。はんだ付け用のペーストを塗布するための基板上の金属ステンシル。
• プレーン。PCB 上の露出した銅の大きな部分で、境界線はありますが、パスはありません。
• めっきスルーホール。PCBを貫通する穴で、通常は他の部品を接続するために使用されます。この穴はめっき加工が施され、通常は環状のリング状になっています。
• スロット。円形ではない穴。スロット付きのPCBは、回路基板に奇妙な形の穴を開ける製造コストがかかるため、高価になることが多い。スロットは通常、メッキされていない。
• 表面実装。スルーホールを使用せずに外部部品を基板に直接実装する方法。
• トレース。PCB 全体にわたる銅の連続線。
• Vスコア：基板が部分的に切断された箇所。これにより、PCBが折れやすくなる可能性があります。
• ビア。層間で信号を伝達するための穴。ビアにはテント型と非テント型の2種類があります。テント型は保護用のソルダーレジストで覆われ、非テント型はコネクタ接続に使用されます。
層の前に付く数字は、配線層またはプレーン層（1種類の層）の導電層の正確な数を表します。層は通常、2、またはそれに続く4つの偶数（6、8、5、6）のいずれかになります。層基板には奇数番号が付く場合もありますが、これはまれであり、ほとんど違いはありません。例えば、XNUMX層基板とXNUMX層基板のPCB材料はほぼ同じです。
3.3種類のレイヤータイプはそれぞれ異なる機能を持ちます。配線レイヤーはトラックで構成されます。プレーンレイヤーは電源コネクタとして機能し、銅プレーンを備えています。また、プレーンレイヤーには、ボードの信号用途（5VまたはXNUMXV）を決定するアイランドも含まれています。
FR4はガラス繊維強化エポキシ樹脂積層板のコードネームです。その強度に加え、湿気や火気への耐性も優れているため、FR4は最も人気のあるPCB材料の一つです。
PCB設計に関する追加の考慮事項
1.6mmといった数字は、層基板の厚さを示すために使用されます。4層基板では1.6mmが標準的な単位です。デバイス用の基板を選ぶ際には、厚さに注意する必要があります。例えば、厚い基板は、重い接続部品を支える必要がある場合、より優れたサポート力を発揮します。
プレーン層の銅箔厚の標準レベルは35ミクロンです。銅箔厚はオンスやグラムで表記される場合もあります。多くのアプリケーションに対応する基板では、通常よりも厚めの銅箔を選択することをお勧めします。
線路は電力を伝送するためのものではありませんが、信号が周波数を適切に処理できない場合に電力伝送が発生することがあります。この問題に対処しないと、線路で大量の電力が失われる可能性があります。線路の片側から反対側へ可能な限り多くの電力を移動させるには、伝送方程式を考慮した線路レイアウトが必要です。
一般的に、銅配線のFR4基板材料で構成された層基板では、信号時間がXNUMXナノ秒の場合、XNUMXインチ（約XNUMXcm）が適切な配線距離です。ただし、配線長が長い場合、特に信号整合性が重要な場合は、伝送線路の影響も考慮する必要があります。インターネットには、特定の層基板のインピーダンスを適切に計算するためのプログラムやスプレッドシートが数多くあります。
ほとんどの基板ではビアは空洞になっており、通常は透けて見えます。しかしながら、ビアを埋める必要がある状況は様々です。まず、ほこりやその他の不純物から保護するためにビアを埋める必要があります。次に、電流容量を高めるためにビアを埋める場合があり、その場合は導電性材料が使用されます。また、基板の平坦化を図るためにもビアを埋める場合があります。
ビアは通常、ボールグリッドアレイ（BGA）部品で充填されます。BGAピンと内層が接触すると、はんだがビアを通り抜けて別の層に漏れる可能性があります。そのため、ビアは充填され、はんだが別の層に漏れないようにすることで、意図したとおりの接触状態が維持されます。
レイヤーボード上で最も厄介な現象の一つは、基板上のどこかで接点が断線したり、接触不良を起こしたりすることです。この現象が頻繁に起こるほど、基板のその部分がすぐに完全に故障する可能性が高くなります。一般的な家電製品ユーザーは、電卓のボタンの一つが機能しなくなった時にこの問題を経験するでしょう。各ボタンはレイヤーボードの特定の部分を押し下げており、一つの箇所が故障すると、その箇所に対応するボタンは信号を送信できなくなります。
特定の箇所の接点が擦り切れるもう一つの要因は、マザーボードに予備のカードスロットを取り付ける際に発生します。カードの取り扱いが不適切だと、カード上の接点の一部が損傷し、それ以降動作しなくなる可能性があります。基板上で互いに接触する表面を保護する最良の方法は、金層を使用することです。金層は耐用年数を延ばすバリアとして機能します。しかし、金は高価であり、タブに金を使用するとPCB製造工程に新たな工程が追加されます。
PCBソルダーマスク
マザーボードといえば、多くの人が緑色を思い浮かべます。これはソルダーマスクの色です。それほど一般的ではありませんが、赤や青など、他の色のソルダーマスクが使用されている場合もあります。ソルダーマスクは、Liquid Photo Imageable Soldermask（液状フォトイメージャブルソルダーマスク）の略称でLPISMとも呼ばれます。ソルダーマスクの目的は、液状はんだの漏れを防ぐことです。近年、ソルダーマスク不足により、この問題が頻繁に発生しています。しかし、多くのユーザーは、ソルダーマスク付きのマザーボードを、ソルダーマスクなしのマザーボードよりも好む傾向があります。
PCBにソルダーレジストを塗布すると、PCBは溶融はんだに晒されます。この過程で、露出した銅の表面がはんだ付けされます。これは、ホットエアーはんだレベリング（HASL）と呼ばれるプロセスの一部です。SMDチップをはんだ付けする際、基板ははんだが溶融状態になるまで加熱され、部品は所定の位置に配置されます。はんだが乾燥すると、部品もはんだ付けされます。HASLでは通常、はんだの化合物の一つとして鉛が含まれていますが、鉛フリーのオプションも存在します。
トラック幅の間隔はダッシュで示されます。例えば、「6/6ミル」という数字は、最小トラック幅と最小トラック間隔が6ミルであることを示します。したがって、対象となる基板上のすべての間隔は、6ミル以上である必要があります。ミル単位は、PCB材料上の距離を表すために使用されます。高電流を処理するように設計された基板では、幅と間隔は特に重要です。
PCB基板が多層構造になっている場合、様々なトラックへのアクセスを目視で確認することはできません。そのため、トラックの端にプローブを配置し、すべての信号が到達可能であることを確認するテストが行われます。このテストは、片端から電圧を印加して行います。反対側から電圧が検出された場合、トラックは動作状態にあると判断されます。1層または2層の基板ではこのテストは必ずしも必須ではありませんが、品質を重視する場合は実施することをお勧めします。
内層と外層を接続するビアはブラインドビアと呼ばれます。この名称は、このようなビアが片側からしか確認できないことに由来しています。2層以上の内層を接続するビアはベリードビアと呼ばれ、外側からはどちらの側からも確認できません。ブラインドビアやベリードビアを含む基板では、ビアフィリングがしばしば用いられます。これにより、外面がより強固になり、はんだが漏れて内層ビアに浸透する可能性が低くなります。
コストに影響を与える材料の選択
PCBは、金タブ、ブラインドビア、埋め込みビア、ビアフィリングなどの機能を備えている場合、一般的にコストが高くなります。同様に、線幅間隔が6ミル未満のPCBもコストが高くなる傾向があります。これらの高価格の理由は、特殊なPCB基板の製造には代替プロセスが必要となるためです。同様に、低ミル間隔や内部ビアを備えたPCBの製造では、収益性や成功率が大幅に低下するケースもあり、その損失を補うために価格が高騰しています。線幅間隔が3ミルというPCBを製造するメーカーも存在しますが、特定のコンポーネントにXNUMXミルしか選択肢がない限り、これは一般的に推奨されません。
PCB材料の選択における電力と熱の影響
PCBに影響を与えるすべての要因の中で、最も大きな影響を与えるのは電力と熱です。そのため、それぞれの閾値を決定することが重要であり、これはPCBの熱伝導率を評価することで実現できます。これは、ワット数の電力が材料の長さを通してどのように温度に変換されるかを定義します。しかしながら、熱伝導率については業界全体で確立された値は存在しません。
例えば、ロジャース社は、電子戦や通信によく使用されるPCB材料、RT/duroid 5880を取り扱っています。この材料は、微細ガラス繊維を含む複合材料であるため、誘電率が低くなっています。これらの微細繊維は、材料中の繊維の強度を高める役割を果たしています。
この低い誘電率により、PCBは高周波を利用するアプリケーションに最適です。しかし、熱伝導率が低いため、発熱しやすく、熱負荷の高いアプリケーションでは大きな欠点となる可能性があります。
PCB材料と産業用途
軍事・航空宇宙、自動車、医療などの分野では、片面基板と両面基板の2種類のPCBが製造されており、銅張基板やアルミニウム基板などがあります。これらの各業界では、特定の領域で最高の性能を発揮するために材料が使用されています。そのため、PCB材料は、ある業界では軽量性を重視し、別の業界では高電力処理能力を重視して選定されます。したがって、性能適性を考慮すると、PCB材料を選択する際にどの機能を比較すべきかを判断することが重要です。材料レベルは性能レベルと相関関係にあるためです。
フレックスボードとリジッドフレックスボード
近年、フレックス基板やリジッドフレックス基板は、様々な用途に対応できることから人気が高まっています。基本的に、曲げたり、折り畳んだり、さらには物体に巻き付けたりできるため、平面の回路基板では不可能だった用途を実現できます。例えば、フレックス基板は、基板を斜めに折り曲げても接続パネルを必要とせず、端から端まで電流を流す必要がある機器に使用できます。
市場に出回っているフレックス基板の大部分は、デュポン社が開発したポリイミドフィルムであるカプトンでできています。このフィルムは、耐熱性、寸法安定性、そしてわずか3.6という誘電率といった優れた特性を誇ります。
Kapton には 3 つの Pyralux バージョンがあります。
• 難燃性（FR）
• 非難燃性（NFR）
• 接着剤不要/高性能（AP）
PCB基板材料の選択 – 品質第一
PCB基板の材料選定においては、家庭用電化製品用であろうと産業機器用であろうと、あらゆる基板の構造において品質が最も重要です。プリント回路基板を搭載した部品は、大きさや価格に関わらず、その製品が想定寿命の全期間にわたって優れた性能を発揮することが最も重要です。
特定の基板に使用されるPCB材料には複数の種類がありますが、消費者や企業が回路基板を使用する製品に求めるのは、最終的には製品の信頼性です。もちろん、部品が誤って落下したり横に倒れたりしても、PCB基板材料がしっかりと保持される強度を備えていることも重要です。
例えば、コンピュータ機器では、耐久性の高いプリント基板を使用することで、既存のプリント基板材料に損傷を与えることなくハードウェアのアップデートを行うことができます。これは、プリント基板技術によって動作状態を維持している電子機器、電子レンジ、その他の家庭用機器にも当てはまります。ATMなどの電子式公共施設でも、ボタンが操作でき、コマンドが遅延なく理解されるよう、プリント基板は確実に動作する必要があります。
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