回路基板 について，プリント基板は、私たちが使うあらゆる機器の中に存在しています。スマートフォンであれ、シンプルな電卓であれ、その機能はPCBの性能に依存しています。
あなたは、回路基板が何でできているか知っていますか？ PCB vs. PCBA-その違いとは？iPhoneを開いて中身を見たことがありますか？デジタイザー、バッテリー、ハンダ付け、そしてもちろんプリント基板と、わずかなものしか見当たらないでしょう。ロジックボードはiPhoneの動作を支えているもので、これにダメージを与えると、iPhoneの電源が再び入らなくなってしまいます。例えば、iPhone Xのコンパクトな回路基板の設計は、多くのアナリストや技術者を驚かせました。これは、多くの企業が超えることのできない技術的な偉業です。
では、回路基板の特徴とは何でしょうか。ある回路基板が他の回路基板より優れている理由は何でしょうか？回路基板は何で構成されているのでしょうか？
このガイドでは、PCBを作るために使用される材料について説明しています。また、メーカーがどのように製造しているかについてもご紹介します。まず、回路基板の材料を見てみましょう。そして、どのようにして回路基板を作ることができるのかを見ていきましょう。
1、PCB回路基板は何でできているか
回路基板は、プリント回路基板またはPCBとも呼ばれています。私たちが毎日使っているさまざまな電子機器や電気機器、ツールを動かしています。ほとんどのPCBは、使用されるデバイスの複雑さや性質に応じて、2つ以上の層を組み合わせて形成されています。
PCBには様々な素材が使われています。1つの層にはグラスファイバーや紙を原料とした樹脂が使われています。また、銅やソルダーマスク、シルクスクリーンなども使用されている。
次の章では、PCB回路基板がどのような材料でできているかを知ることができる。
画像1：回路基板
2、PCBはどのような素材でできているのか
プリント基板は、一般的に4層の材料を熱や圧力などで接着して作られています。PCBの4層は、基板、銅、ソルダーマスク、シルクスクリーンで構成されています。
基板は一般的にグラスファイバーでできており、FR4とも呼ばれている。FRとは難燃性を意味し、PCBの基盤となる。基板層はPCBの中で最も厚いが、その厚さは様々であることが分かる。これはPCBに剛性を与える層です。
また、柔軟性のある素材を使用することも可能で、場合によっては伸ばすこともできます。最近では、革新的な素材が基板に使用されており、中には植物由来のものもあります。
基板の材料には、エポキシ樹脂やフェノール樹脂なども使われている。エポキシ樹脂を使った基板は熱に弱く、場合によってはラミネートがすぐに剥がれてしまうこともあります。コストパフォーマンスに優れたこれらの基板は、市場で簡単に手に入れることができ、その匂いで見分けることができます。また、この素材には、部品をはんだ付けする必要があります。
画像2：基板材料
このような基板材料は、安価な機器や低価格帯の家電製品に多く見られます。フェノール樹脂などの粗悪な素材を使った基板は、熱分解性が低いため、剥離してしまいます。また、はんだごてを長時間当てていると、煙や焦げが発生することもある。
次に基板に塗布されるのは銅で、工業用接着剤や熱で接着される。銅の層は、プリント基板の片面に存在する場合と、両面に存在する場合がある。単純な電子機器では、片面にしか銅層がないプリント基板が使われる。銅の層は基板よりもはるかに薄く、繊細である。
PCBに使用されている銅は重量で表され、1平方フィートあたりのオンスで表示されます。一般的なPCBの銅含有量は、1平方フィートあたり1オンスの銅が含まれています。
この銅の含有量によって、プリント基板の電力交換量が決まる。
PCBの最上層にある緑色の層はソルダーマスクと呼ばれ、他の電気部品と接触する銅の層の上に塗布される。ソルダーマスクの上には、様々な部品を配置するためのマークやラベルを作成するためのシルクスクリーン層が設けられている。
次に、コンピュータアプリケーションを使ってカスタム回路基板を開発する方法をご紹介します。
3、カスタムメイドの回路基板
プリント基板は複雑な構造をしており、ホビーユーザーが自分で回路を設計するのは少々困難です。まず必要なのは、PCBの設計図を作成するための信頼できるソフトウェアです。
Cadsoft Computer社のEagleのような多くのPCB設計ソリューションを使用することができますが、これはPCBの設計に優れた仕事をします。
回路図の準備
カスタムPCBを作成するには、回路図ビューを準備する必要があります。お使いの設計ソフトウェアにあるコンポーネントライブラリにアクセスし、それらをキャンバスに配置します。次に、ソフトウェアの中で電気的接続を象徴する線に沿ってピンを接続する必要があります。
同じ部品番号でも、いくつかの選択肢がありますので、少し混乱するかもしれません。パッケージには、表面実装型チップやDIP（Dual-in-line box）などがあります。趣味やDIYであれば、重要で目立つシステム・イン・パッケージ（SIP）やDIPを選ぶことに意味があります。
ホビー用のアウトレットでもすぐに手に入りますし、商業用の表面実装型デバイスに比べてハンダ付けがしやすいのです。
それぞれのパッケージは、回路図を見ると似ているように見えます。しかし、レイアウトビューに切り替えて設計を開始すると、状況が変わってきます。
相互接続や部品の配置とは別に、必要なグランド信号や電源信号を用意する必要があります。EagleのライブラリにあるGND、VDD、VCCなどの機能を利用することができます。
また、グランドと電源を確保するために、基板上のコネクタを統合することも忘れないでください。この段階では、ポテンショメータやLEDなど、必要な外部デバイスも用意しておきます。
すべてを配置した後は、ERC（electrical rule check）を受ける必要があります。このテストは、回路基板の機能を阻害するようなエラーがないことを確認するために非常に重要です。
よくある問題として、つながっているように見える配線が実際にはつながっていないことがあります。Eagleソフトウェアでは、ワイヤの接続交差点を表す小さなドットをチェックすることができます。
他にも、グランドや電源の信号を接続し忘れている場合もあります。自動テストでは、ボードが目的の動作をするかどうかはわかりませんが、設計の電気的特性を検証することはできます。
イメージ3：回路図とレイアウトビュー
ボード・レイアウト・ビューへのアクセス
回路図ビューでやるべきことがすべて済んだら、基板レイアウトビューに移行します。すると、Eagleソフトウェアの中で、部品がランダムに配置されているのがわかります。また、ワイヤがピンに直接接続されているのもわかります。
この絵を少しでも汚さないようにするには、意味が出てくるまで部品を移動させます。例えば、コネクタを端に寄せて、意味を持たせるのです。基板を作るにはまだ多くの作業が必要です。しかし、同じレイヤーに存在する異なるレイヤーがお互いに接触しないようにしなければなりません。
Eagleソリューションのプロフェッショナル版には、ワンクリックで信号をルーティングできる自動レイアウト機能が搭載されています。しかし、スタンダード版のユーザーは、自分の手で物事を進めていかなければなりません。プリント基板メーカーが提供するデザインソリューションを利用することもできますが、その場合は、この工程を自分で行う必要があります。
信号を配置した後は、DRC（デザインチェック）を行います。このチェックでは、穴が信号線に近づきすぎていないかを確認します。また、トレースがお互いに最適な距離を保っていない場合や、基板の端から離れている場合も通知されます。
ルールはカスタマイズ可能で、PCBベンダーがDRC値を指定してEagleソリューションに統合できるファイルを提供してくれる場合もあります。DRCに合格した場合は、設計ファイルをアップロードすることができます。
特定のレイヤーを利用して、シルクスクリーンのレタリングを上部に追加する必要があります。この印刷によって、どの部品が適合するのか、部品番号と輪郭がわかるようになります。これにより、1Kの抵抗器の代わりに100Kの抵抗器を配置するようなミスを避けることができます。
ガーバーファイルは、PCB設計の言語であり、3つのボードには多くのファイルが関連付けられています。ハンダパッドの仕様を記したファイルや、レイヤーごとに異なるファイルが用意されています。また、ドリルのファイルには、ドリルの仕様が記されています。
そして、そのデザインをメーカーにアップロードすると、メーカーは別のプログラムを使ってレイヤーの最終的な外観を提示することができます。また、部品が穴に合う適切なサイズであるかどうかもわかります。
これで、デザインソフトを使ったカスタム回路基板の作成は終了です。次の章では、メーカーがどのようにプリント基板を製造しているのかをご紹介します。
画像4：レイアウト図
4、回路基板はどのように作られるか
前章までの説明で、プリント基板の設計方法はお分かりいただけたかと思います。プリント基板の技術は複雑で、何段階もの製造工程を経る必要があります。また、あなたのプロジェクトを実現するために、高精度の設備をすべて備えたメーカーを選ばなければなりません。ここでは、プリント基板の製造工程を簡単にご紹介します。
1. 基板の作成
プリント基板は、何層にも重なったサンドイッチのようなものだと思ってください。その真ん中にある基材を「基板」と呼びます。基板は、プリント基板に幅を持たせる役割を担っています。プリント基板を横から見ると、一番厚いのが基板であることがわかります。
従来のプリント基板は、剛性の高いグラスファイバー基板で作られていました。最近では、フレキシブルな基板材料もあります。多くの材料が考えられますが、標準的な選択肢としては、高温に耐えられる特殊なプラスチックを基板に使用することです。
一般的には、基板の材料を広げて、メーカーがエポキシ樹脂を浸したり吹き付けたりします。次に、パイ生地を麺棒で伸ばすように、素材を転がして好みの厚さにしていきます。
次の工程では、オーブンに入れて硬化させることで、しっかりとした仕上がりになります。これで、プリント基板の第1層が完成する。
2. 2.回路基板 – 銅の層
銅層は、プリント基板に電気を流すために必要な層です。プリント基板には、目的に応じてシンプルなものと複雑なものがあります。基板の基礎となる層とは別に、銅の層も重要な要素です。
PCBカムには、上面に塗布された単層の銅、または基板の両面に塗布された2層の銅があります。また、PCBは他の銅と基板で多数の層を持つことができます。高度なデバイスやスマートフォンに使用されているPCBには、12層または16層以上の銅の層があるものもあります。
銅の層は、基板の層に比べて幅がはるかに小さく、これがないと回路に電気が流れません。
メーカーは、銅を基板の表面に接着するために、さまざまな方法を組み合わせています。標準的な方法では、熱、圧力、接着剤を使って、銅の層が基板にしっかりと固定されます。銅が基板に接着された後、プリント基板に穴を開けることができます。
デバイスが機能するためには、PCBは、基板内の1つの層から別の層まで、適切なポイントに電荷を伝達する必要があります。そのためには、ビアと呼ばれる穴を開けなければなりません。PCBに穴を開けるために、メーカーはいくつかのオプションを持っており、CO2レーザー、UVレーザー、その他の機器を使用することができます。
穴あけ機の精度と効率が、PCBの正確さと複雑さを決定します。
穴を開ける際には、穴の中に残っているゴミや素材をきれいに取り除く必要があります。また、PCBに付着している余分な材料を取り除くために、バリ取りも行います。その後、回路基板の1つの層から別の層に電荷を運ぶために、ビアの内側を銅でコーティングします。
次に、回路のパターンをPCBに印刷する必要があります。メーカーは、デザインに沿って正確に銅を配備して、ウェイを基板に乗せることができます。そうでなければ、基板全体に銅を塗布した後、銅を除去して回路パターンをエッチングすることもある。
プリント基板をアルカリ槽に入れて、余分な不要な銅を取り除くこともあります。
あとは、プリント基板上にトランジスタやコンデンサ、LEDなどの他の部品を追加していくことになる。はんだごてを使ってPCBに部品をはんだ付けすることができます。機能を追加する前に、プリント基板はグリッドテスターやフライングプローブを使って次々と電気テストを行い、ショートやオープンコネクションがないことを確認します。
また、メーカーが機械を使ってPCBに部品を送り出すこともあります。
画像5: 銅のパターン
3. 最終的なソルダーマスク
回路基板上に露出したままの金属は、ダメージを受ける可能性があります。銅は錆びる性質があるので、プリント基板が使い物にならなくなってしまいます。銅メッキやその他の部品を保護するには、保護層を追加する必要があります。
一般的に、メーカーはPCBの特定の脆弱な部分に金、ニッケル、またはスズ-鉛を使用してメッキします。さらに、その上にソルダーマスクと呼ばれる保護層を設けています。
PCBに見られる緑色は、ソルダーマスク層の塗布によるものです。ソルダーマスクには、何かと接続する必要のないすべての金属部品を覆って保護する以外にも、絶対的な経路に沿って適切な場所に電流が流れるようにする機能があります。
また、ソルダーマスクの上にシルクスクリーンを重ねて、必要な部分にラベルを刻むこともあります。
これらの作業が終わると、メーカーはプリント基板に必要のない余分な材料や不要な部品を切り捨てます。
画像6: グリーンソルダーレジスト
5、おわりに
回路基板の作成は、さまざまな要素が絡み合っているため、難しいものです。例えば、銅を使うことや、適切なはんだ付けをすることなどです。回路基板の構造を知ることで、自分のビジネスに必要な回路基板が見えてくるかもしれません。
基板を作るには、専門的な知識と精密な設備が必要です。また、あなたの仕様に沿って正確にPCBを作ることができる、信頼できる経験豊富な製造業者がいれば助かります。あなたのプロジェクトを実現するための回路基板のカスタム製造については、私たちにご相談ください。
