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2024年4月26日

二層 PCB とは何ですか?

導入

進化し続けるプリント回路基板 (PCB) テクノロジーの世界へようこそ。これは現代の電子機器の中核をなす分野です。電気設計の初期の頃から今日のハイテク機器に至るまで、PCB は目覚ましい進化を遂げ、より洗練され、電子機器の革新に不可欠なものとなっています。

長年にわたり開発されてきたさまざまな種類の PCB の中でも、二層 PCB は大きな進歩を遂げています。二層 PCB はシンプルさと複雑さのバランスを実現し、エンジニアの回路設計へのアプローチに革命をもたらしました。

二層PCBの構造

電子回路設計における重要な革新である二層 PCB は、より高度な PCB タイプに伴う複雑さやコストなしに機能を強化できる独特の構造を特徴としています。 

これらの PCB のコンポーネントと構成を理解すると、さまざまな業界で PCB が広く利用されている理由がわかります。

二層 PCB とは何ですか?

2 層 PCB は、通常は銅などの 2 層の導電材料で構成され、絶縁基板層によって分離されています。この設計により、PCB の上部と下部の両方に回路を配線でき、ビア (2 つの層間で電気信号を伝導するために銅でメッキされた小さな貫通穴) によって接続されます。

この構成により、製造コストが高く複雑になる可能性がある複数の層を必要とせず、単層 PCB と比較して配線に使用できる領域が大幅に増加します。

よく使用される材料

  • 導電層: 銅は、その優れた電気伝導性により、二層 PCB の導電層に最適な素材です。銅層は、詳細な回路パターンを正確にエッチングできるほど薄く、過度の抵抗なしに適切な伝導性を確保するのに十分な厚さです。銅の厚さは、アプリケーションの電流要件に応じて変化しますが、通常は 1 平方フィートあたり 1 ~ 3 オンスの範囲です。
  • 基板: 2 層 PCB の基板に最もよく使用される材料は、ガラス強化エポキシ ラミネート材料である FR-4 です。FR-4 は、耐久性、難燃性、比較的低コストであることから好まれています。また、銅層の基礎としても優れており、反り、湿気、熱膨張に耐える安定した信頼性の高いベースを提供します。CEM-1 や CEM-3 などの他の材料も、特に異なる機械的特性や熱特性を必要とする用途で使用されます。
  • はんだマスクとシルクスクリーン: 銅層の上に、PCB の両面にはんだマスクが塗布され、銅の酸化を防ぎ、組み立て工程中のはんだブリッジを防止します。この層は通常緑色ですが、製造上のニーズや美観の選択に応じてさまざまな色にすることができます。シルクスクリーン層ははんだマスクの上に追加され、コンポーネントの配置ラベルを提供し、手動組み立ておよび検査工程に役立ちます。

二層PCBの製造

二層 PCB の製造には、単層 PCB 製造の基礎の上に構築され、追加の層に対応するために追加のプロセスが組み込まれた、正確かつ慎重に制御された一連の手順が含まれます。

これらの手順を理解すると、二層 PCB 製造の高度な性質が明らかになります。

段階的な製造プロセス

  1. 基板の準備: このプロセスは、通常、耐久性があり、層間の遮音性も備えた FR-4 素材で作られた基板の準備から始まります。基板は両面に銅があらかじめコーティングされており、次のステップに進む準備ができています。
  2. 回路パターン転写: 感光性フォトレジスト材料は、銅でコーティングされた基板の両面に目的の回路パターンを転写します。パターンマスクを通して紫外線にさらすと、銅が残る部分のフォトレジストが硬化します。
  3. エッチング: 次に、硬化していないフォトレジストを洗い流し、不要な銅を露出させます。露出した銅を除去するために、塩化鉄溶液などのエッチング液が塗布され、硬化したフォトレジストによって定義された回路パターンが残ります。
  4. 穴あけ: エッチングが完了すると、上層と下層の間の電気的接続のために、基板の指定されたポイントに穴 (ビア) が開けられます。ビアの機能性に影響するため、穴あけの精度は非常に重要です。
  5. メッキ: 次に、ドリルで開けた穴に銅メッキを施して、上層と下層を電気的に接続する導電性ビアを形成します。このステップは、2 層 PCB の機能にとって不可欠です。
  6. はんだマスクの適用: メッキ後、基板の両面にソルダーマスクを塗布します。この層は銅回路を保護し、部品のはんだ付け中に偶発的なはんだブリッジが発生するのを防ぎます。
  7. シルクスクリーン印刷: 最後のステップでは、シルクスクリーン層を印刷し、PCB にラベルやその他の重要なマークを追加します。これらのマークは組み立てプロセスを支援し、はんだ付け部品を正確に配置するのに役立ちます。

単層PCB製造との比較

  • 複雑さと機能: 基板の準備、パターン転写、エッチング、仕上げなどの基本的な手順は単層 PCB 製造と二層 PCB 製造で似ていますが、主な違いは穴あけとメッキのプロセスにあります。単層 PCB では、複数の導電層を接続する必要がないため、通常、メッキされたスルーホールは必要ありません。これにより、製造プロセスが簡素化され、製造にかかる時間とコストが削減されます。
  • 製造工程の増加: 二層 PCB には、ビアの穴あけとそれに続くメッキという追加の手順が含まれます。これは PCB の機能にとって重要ですが、製造の複雑さとコストも増加します。

さまざまな業界での応用

単層 PCB よりも複雑な処理能力が強化された二層 PCB は、幅広い業界で使用されています。多層基板の占有面積とコストをかけずに、より多くの回路を収容できるため、さまざまな環境で特に役立ちます。

これらの多目的ボードがさまざまな分野でどのように活用されているかを見てみましょう。

家電

消費者向け電子機器市場では、中程度の複雑さの回路をサポートしながらコストを抑えることができるため、2 層 PCB が広く使用されています。単層 PCB では回路の複雑さが足りず、多層基板では不必要に複雑で高価になる中密度デバイスに最適です。

  • スマートホームデバイス: サーモスタットやセキュリティ カメラを含む多くのスマート ホーム テクノロジーでは、複数の機能と接続オプションを管理するために 2 層 PCB を使用しています。
  • ポータブル電子機器: GPS トラッカーやポータブル メディア プレーヤーなどのデバイスでは、必要なコンポーネントをコンパクトなスペースに収めるために、2 層 PCB がよく使用されます。

自動車産業

自動車業界では、特に耐久性と長寿命のコンポーネントを必要とする環境において、2 層 PCB の堅牢性と信頼性から大きな恩恵を受けています。

  • 制御システム: 二層 PCB は、燃料管理から自動ブレーキまで、さまざまな車両機能を管理する電子制御ユニット (ECU) を含む自動車制御システムに使用されます。
  • ダッシュボードエレクトロニクス: 計器クラスターとインフォテインメント システムは、接続機能やディスプレイ技術など、電子機器の複雑さの増大に対応するために 2 層 PCB に依存しています。

産業システム

二層 PCB の産業用途は、耐久性と、単層 PCB が提供できる以上の電力と接続性を処理する能力の必要性によって推進されています。

  • 電源供給装置: 産業用電源では、より高い電流を処理し、基板全体に熱をより適切に分散させるために、多くの場合、2 層 PCB が使用されます。
  • 制御パネルと監視システム: 多くの産業機械では、二層 PCB によって提供される追加の回路容量の恩恵を受ける複雑な制御および監視システムが必要です。

医療機器

医療分野では、信頼性が極めて高く、コンパクトな設計が求められるデバイスに二層 PCB が使用されています。二層 PCB は、高度な機能に必要な高密度の回路を、多くのスペースを占有することなくサポートできるため、医療機器の設計において大きな利点となります。

  • ポータブル医療モニター: 血圧モニターやハンドヘルド診断スキャナーなどのデバイスでは、電子部品を効率的に管理するために、2 層 PCB がよく使用されます。
  • ウェアラブル健康トラッカー: 二層 PCB により、コンパクトなウェアラブル デバイス内に複数のセンサーと接続モジュールを統合できます。

二層PCBの利点

2 層 PCB には独自の利点があり、多くの電子機器メーカーや設計者にとって魅力的な選択肢となっています。これらの利点は、多層基板の高コストや製造上の課題がなく、単層 PCB よりも複雑であることから生まれます。

二層 PCB の主な利点を詳しく見てみましょう。

回路密度の向上

2 層 PCB の最も重要な利点の 1 つは、回路密度の向上です。基板の両面に導電層があるため、これらの PCB は単層 PCB よりも多くのコンポーネントと複雑な回路を収容できます。これにより、次のことが可能になります。

  • 機能強化: 二層 PCB は、同じ基板サイズ内でより高度な機能をサポートできるため、高度な機能を必要とする現代の電子機器にとって非常に重要です。
  • コンパクトなデザイン: PCB の両面にコンポーネントを配置できるため、ボード全体のサイズを縮小することができ、小型デバイスには不可欠です。

機能の向上

二層 PCB の構造設計は、より高い回路密度をサポートするだけでなく、次のような全体的な機能性も向上させます。

  • 強化された接続性: 二層 PCB のビア (メッキされたスルーホール) は、層間の堅牢な接続を提供し、信号の整合性と電気経路の信頼性を高めます。
  • 熱分散の改善: PCB の両面にコンポーネントを分散させることで熱管理が改善され、高密度に実装された回路での過熱のリスクが軽減されます。

設計の柔軟性の向上

2 層 PCB により、設計者は回路の配線やコンポーネントの配置をより柔軟に行うことができます。この柔軟性は、スペースと接続性が重要となる複雑な電子アセンブリを扱う場合に重要です。設計者は次のことを行うことができます。

  • レイアウトを最適化: 回路パスのスペースが増えるということは、設計者がレイアウトを最適化して信号パスの長さを短縮し、パフォーマンスを向上できることを意味します。
  • 設計上の妥協を避ける: 追加のスペースと接続オプションにより、設計者は電子機器のパフォーマンスを妥協する可能性が低くなります。

費用対効果

多層 PCB と比較すると、二層 PCB はコスト効率が高く、層数の増加による多くの利点も得られます。このコスト効率の良さは、次の理由によるものです。

  • より簡単な製造プロセス: 二層 PCB は単層 PCB よりも複雑ですが、多層基板よりも製造工程が少なくて済むため、生産コストを削減できます。
  • 材料使用量の削減: 二層 PCB は多層 PCB よりも使用する材料が少なく、特に大量生産の場合にコストを大幅に削減できます。

設計上の課題と解決策

二層 PCB には数多くの利点がありますが、克服するには慎重な検討と戦略的な計画が必要となる独特の設計上の課題も存在します。

これらの課題を理解し、ベスト プラクティスを実装することで、これらの PCB のパフォーマンスと信頼性を大幅に向上させることができます。

レイヤー間接続の管理

2 層 PCB の主な課題の 1 つは、堅牢な層間接続を確保することです。これは、上層と下層の間の電気信号の整合性を維持するために不可欠です。

  • チャレンジ: ビアを使用すると、異なるレイヤーを接続するために PCB に開けられた導電性の穴が正しく実装されていない場合、問題が発生する可能性があります。不適切な設計は、接続の強化、インピーダンスの増加、または信号整合性の問題につながる可能性があります。
  • 解決: 堅牢な層間接続を確保するには、高品質のドリル技術を使用し、ビアを慎重に銅でメッキします。重要な信号のパスを最小化し、潜在的な干渉を減らすには、ビアのサイズを正しく設定し、戦略的に配置することが重要です。

干渉を避ける

2 層 PCB はコンパクトな設計のため、異なる層の回路間の電磁干渉 (EMI) やクロストークの影響を受けやすくなります。

  • チャレンジ: 電子機器が小型化し、回路密度が増加すると、EMI やクロストークの可能性も高まります。これにより、機器のパフォーマンスが低下したり、予期しない動作が発生したりする可能性があります。
  • 解決: EMI とクロストークを軽減するには、高周波コンポーネントを敏感な領域から分離するようにレイアウトを慎重に計画します。可能な場合はシールド技術を活用し、不要な信号を吸収してリダイレクトするのに役立つグランド プレーンの使用を検討します。

二層 PCB 設計を最適化するためのベスト プラクティス

二層 PCB の設計にベスト プラクティスを実装すると、パフォーマンスを最大限に高め、複雑さに関連する問題を最小限に抑えることができます。

  • 徹底的な設計レビュー: 高度な PCB 設計ソフトウェアを使用して、設計を確定させる前に回路の動作をシミュレートおよび分析します。これにより、設計プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定できます。
  • スペースの有効活用: PCB の両側の負荷をバランスさせるようにコンポーネントを慎重に配置します。これにより、熱が分散され、ボードにかかる機械的ストレスのリスクが軽減されます。
  • 品質管理: 各 PCB が必要な仕様とパフォーマンス基準を満たしていることを確認するために、製造全体にわたって厳格なテストと品質管理対策を実施します。

結論

二層 PCB は、電子技術の進化の礎です。二層 PCB は、単層 PCB のシンプルさと多層 PCB の複雑さの間のギャップを埋める実用的なソリューションを提供します。二層 PCB の開発は、よりコンパクトで効率的、かつコスト効率の高い電子デバイスの作成に向けた大きな一歩となります。

電子機器プロジェクトで二層 PCB の可能性を活用する準備はできていますか? 既存の設計をアップグレードする場合でも、新しい開発に着手する場合でも、二層 PCB は効率を維持しながらパフォーマンスを向上させるソリューションになる可能性があります。

二層 PCB がプロジェクトにどのように適合するかについてご興味がある場合、または PCB 設計の最適化に関する専門家のアドバイスが必要な場合は、お気軽にお問い合わせください。

今すぐお問い合わせください 当社の二層 PCB ソリューションの詳細と、電子製品の可能性の限界を押し広げるために当社がどのようにお手伝いできるかについてご覧ください。

によって書かれた記事 アリス・リー

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