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2024年4月26日

シングルレイヤー PCB とは何ですか?

導入

プリント回路基板 (PCB) は現代の電子技術の進歩の中核を成し、複雑なコンポーネントを私たちの日常生活を支える機能デバイスにシームレスに統合しています。PCB 技術は誕生以来、革新的な進化を遂げ、ますます高度化する電子アプリケーションの需要を満たすために絶えず適応してきました。

単層 PCB はエレクトロニクス業界の基本であり、多くのアプリケーションへのアクセスの入り口となります。ラジオ システムや計算機などの民生用電子機器から、より大規模なデバイスのより基本的なコンポーネントまで、これらの PCB は複雑さを最小限に抑えながら電気接続と機能を実現します。

これらのシンプルでありながら強力なコンポーネントが、より広範な電子設計および製造の全体像にどのように適合するかをさらに詳しく見てみましょう。

単層 PCB を理解する

単層 PCB 設計の基礎

基本的に、単層 PCB (片面 PCB とも呼ばれる) は、プリント回路基板の最もシンプルな形態の 1 つです。効率性とシンプルさを念頭に設計されており、非導電性基板の片面に配置された導電性材料の単層で構成されています。

この基本構造により、さまざまな低密度アプリケーションに最適です。

定義と構造

単層 PCB は、基板 (ボードのベース材料) の上に導電性金属層が積層された構造です。通常は銅でできた導電層をエッチングして、さまざまなボード コンポーネントを接続する回路パターンを形成します。

基板の反対側には、基板を貫通する穴を通して導電面のエッチングされた回路に各種電子部品が取り付けられ、はんだ付けされます。

一般的な材料

  • 基板: 単層 PCB で最も広く使用されている基板は FR-4 です。これは、本質的に難燃性のエポキシ樹脂結合剤を含む織りガラス繊維布で構成された複合材料です。FR-4 は、耐久性、耐湿性、優れた電気絶縁性で好まれています。導電層とコンポーネントに安定した頑丈な基盤を提供します。
  • 導電層: 銅は優れた電気伝導性を備えているため、導電層に最適な素材です。銅層の厚さは用途によって異なりますが、通常は 1 平方フィートあたり 1 ~ 3 オンスです。
  • 戦士の表情: 銅層の上には、通常ははんだマスクが施され、銅と他の金属、はんだ、または導電性ビットとの偶発的な接触を防ぐのに役立ちます。この層は、短絡を防ぎ、近接したパッド間のはんだジャンパーのリスクを軽減するために重要です。
  • シルクスクリーン: 最後に、シルクスクリーン レイヤーを追加して、コンポーネントの位置、テスト ポイント、および PCB 上のその他の重要な情報をマークすることができます。このレイヤーは通常、コンポーネント側に適用され、特に手動組み立て設定で組み立てプロセスを大幅に支援できます。

製造プロセス

単層PCBの製造方法

単層 PCB の製造プロセスは、多層 PCB の製造の複雑さに比べると簡単です。このシンプルさにより、生産がスピードアップし、コストが削減されるため、単層 PCB は多くのアプリケーションにとって経済的な選択肢となります。

これらの PCB が通常どのように製造されるかを段階的に説明します。

基板の準備

このプロセスは、通常 FR-4 で作られた基板の準備から始まります。この基板は、導電性銅層が追加される構造ベースとなります。基板は、銅の接着とエッチング プロセスの有効性に影響を与える可能性のある汚染物質がないことを確認するために洗浄され、準備されます。

導電層の適用

次に、熱と接着剤を使用して基板の片側に薄い銅板をラミネートし、結合させます。銅層の厚さはさまざまですが、通常は PCB の電流容量要件に応じて 1 平方フィートあたり 1 オンスから 3 オンスの範囲になります。

回路パターン作成

銅層ができたら、次のステップは回路パターンの輪郭を描く一時的なマスクを貼ることです。これは通常、銅に感光性化学物質を塗布するフォトレジスト プロセスを使用して行われます。次に、パターン化されたマスクを通して基板を光にさらし、銅を残すべき部分のフォトレジストを硬化させます。次に、露光されていない領域を現像して、むき出しの銅を露出させます。

エッチング

硬化したフォトレジストで保護されていない露出した銅は化学的にエッチングされ、回路パターンが残ります。一般的に使用されるエッチング液は塩化鉄で、不要な銅を効果的に除去します。

仕上げ

エッチング後、残ったフォトレジストが剥がされ、銅回路が露出します。はんだ付け部品が発生する場所を除いて、基板全体にはんだマスクが適用されます。このマスクは銅を酸化から保護し、部品のはんだ付け中にはんだブリッジを防止します。

最後に、ラベルとコンポーネント識別子用のシルクスクリーン レイヤーを追加して、組み立てとトラブルシューティングを容易にすることもできます。

多層PCB製造との比較

単層 PCB と比較すると、多層 PCB では追加の複雑なプロセスが必要になります。多層 PCB には次のものが必要です。

  • 複数のレイヤーの配置: 各導電層と絶縁層は正確に位置合わせして積層する必要があり、高度な設備と慎重な品質管理が必要です。
  • より広範囲なエッチングおよびメッキプロセス: 内部層は個別に処理され、その後積層されますが、多くの場合、層を電気的に接続するために追加の穴あけとスルーホールめっきが必要になります。
  • 材料費と加工費の増加: 複数の層を整列させて積層する複雑さと材料の使用量の増加により、生産コストが大幅に増加します。

単層 PCB は製造が簡単なため、生産が速いだけでなく、コスト効率も大幅に向上します。特に、多層設計の電気特性を必要としないアプリケーションに適しています。 

このコスト効率の良さと、ターンアラウンドタイムの短縮により、単層 PCB は電子機器の試作や大量生産に最適です。

アプリケーションとユースケース

単層 PCB は、基本的な電子機器に欠かせないものであるだけでなく、そのシンプルさ、コスト効率、信頼性により、幅広い業界で不可欠なものとなっています。ここでは、単層 PCB が特に役立ついくつかの主要な分野と、それを利用するデバイスの種類について説明します。

家電

民生用電子機器では、単層 PCB は複雑な回路を必要としない、よりシンプルなデバイスや小型のデバイスによく使用されます。製造が容易でコストが低いため、大量生産される機器に最適です。

  • 計算機: これらのデバイスでは、多層の複雑さを必要としない基本的な計算機能に単層 PCB を使用します。
  • LED照明: 単層 PCB は、回路の複雑さを最小限に抑えながら複数の LED を効率的に接続して電力を供給できるため、LED アプリケーションに最適です。
  • 無線機器: 多くの重要な民生用ラジオ製品では、単純な電子的ニーズを満たすために単層 PCB が使用されています。

自動車産業

自動車業界では、耐久性と信頼性が不可欠であるものの、電子要件は比較的単純なアプリケーションにおいて、主に単層 PCB のメリットを享受しています。

  • ダッシュボード計器: 燃料計やシンプルなディスプレイなどのゲージや表示器では、単層 PCB を使用して重要な表示機能を確実に実行します。
  • 制御システム: 古いモデルやエントリーレベルのモデルで使用されるような、それほど複雑ではない車両制御システムでは、コスト効率と十分な機能性を実現するために、単層 PCB が組み込まれることがよくあります。

産業用途

単層 PCB は、特に機械やプロセスの制御など、電子的な要求を単一の導電層で満たすことができるさまざまな産業用途で広く使用されています。

  • リレーボード: これらは、産業環境で電力分配と制御メカニズムを管理するために使用され、そのシンプルさから単層 PCB が使用されることが多いです。
  • タイマー回路: 回路設計のニーズが単純であるため、多くの産業用タイマーは単層 PCB で構築されています。

医療機器

医療分野、特に生命維持や生命維持に重要ではない機器では、単層 PCB が使用されることがあります。

  • 補聴器: これらのデバイスは、基本的なサウンド増幅回路に単層 PCB を使用し、機能性とコンパクトで軽量な設計のバランスをとっています。
  • 基本モニター: 非クリティカルケア環境における基本的な患者モニターなど、それほど重要でない患者データを監視するために使用されるデバイスでは、コスト管理と簡素化のために単層 PCB が使用される場合があります。

単層PCBの利点

一見すると基本的なもののように見えますが、単層 PCB には多くの利点があり、多くの電子設計シナリオで非常に貴重な選択肢となります。その主な利点と、さまざまな電子製品やプロジェクトで依然として人気のある選択肢である理由について詳しく見ていきましょう。

費用対効果

単層 PCB の最も重要な利点の 1 つは、コスト効率の良さです。多層 PCB に比べて材料と労力が少なく、製造プロセスが簡単なため、一般的に製造コストが低くなります。このコスト削減は、ユニットあたりの節約額が相当な額になる大量生産で特に役立ちます。

  • 材料と製造: FR-4 のような主要基板の片面に、通常は銅などの導電性材料の単層を塗布することで、材料コストを最小限に抑えることができます。さらに、製造プロセスに必要な手順が少なくなり (主にエッチングと保護コーティング)、製造時間と人件費が削減されます。

生産の容易さ

単層 PCB の製造プロセスは、より安価で、より単純で、より高速です。この製造の容易さにより、スピードがコストと同じくらい重要であることが多い、短納期のプロジェクトやプロトタイプ作成に最適です。

  • 合理化された製造: 印刷とエッチングが 1 つのレイヤーだけなので、製造プロセスが大幅に合理化されます。このシンプルさにより、製造エラーの可能性も減り、テストと品質保証のコストをさらに削減できます。

トラブルシューティングのシンプルさ

単層 PCB のもう 1 つの注目すべき利点は、トラブルシューティングと修復が容易なことです。すべてのコンポーネントと接続がボードの片側から見えるため、障害の診断と修正がより簡単になります。

  • アクセシビリティ: 導電経路がすべて片側にあるため、技術者は複数の層を移動することなく、問題のある領域をすばやく特定してアクセスできます。このアクセス性により、修理が迅速化され、簡素化されるため、産業環境でのダウンタイムの削減に非常に役立ちます。

特定の種類の電子製品への適合性

単層 PCB は、特定の電子製品やプロジェクトでの使用に特に適しています。これらには通常、高密度接続が不要で、信頼性とコストの最小化が重視されるシンプルなデバイスが含まれます。

  • 理想的な用途: おもちゃ、LED 照明、シンプルな家電製品などの電子機器に最適です。さらに、電源、センサー、複雑さが最小限に抑えられるその他の産業用コンポーネントでもよく使用されます。
  • デザインプロジェクト: 趣味人、教育者、学生にとって、単層 PCB はシンプルで扱いやすいため、DIY プロジェクトや教育キットに最適なプラットフォームとなります。

制限事項と考慮事項

限界を理解する

単層 PCB には数多くの利点がありますが、特定のアプリケーションへの適合性に影響を与える固有の制限もあります。これらの課題を理解することは、設計を最適化し、単層 PCB をいつ使用するかについて情報に基づいた決定を下すために不可欠です。

回路の複雑さの制限

単層 PCB の主な制限の 1 つは、複雑な回路をサポートできないことです。導電層が 1 つしかないため、電気経路を配線するためのスペースが大幅に制限されます。

  • インパクト: この制限により、大規模な回路と高密度の部品配置を必要とする最新のコンピューターやスマートフォンなどの高度な電子機器に単層 PCB を使用することは困難になります。

ノイズ干渉の可能性

単層 PCB は、重要な信号経路をシールドして分離する複数の層がないと、電磁干渉 (EMI) やノイズの影響を受けやすくなります。

  • 結果: これは、特に電子機器が互いに近接して動作する環境や高周波信号が存在する環境では、信号の整合性の問題につながる可能性があります。

単層 PCB 設計を最適化するためのベスト プラクティス

これらの制限にもかかわらず、いくつかの戦略によって欠点を軽減し、単層 PCB のパフォーマンスを向上させることができます。

戦略的なコンポーネント配置

コンポーネントを慎重に配置することで、重要な信号のパス長を最小限に抑え、干渉やクロストークのリスクを軽減できます。

  • 技術: 類似の機能をグループ化するようにコンポーネントを配置し、高周波コンポーネントを敏感なアナログ部品から分離します。

グラウンドフィルの使用

グランド フィルは、EMI に対するシールドを提供し、PCB 全体のグランド電位を安定させることで、ノイズの低減に役立ちます。

  • 実装: 銅層の未使用領域をソリッド グラウンド プレーンで埋めます。この方法は、ノイズの低減に役立つだけでなく、放熱性も向上します。

ルーティングのベストプラクティス

単層 PCB の潜在能力を最大限に引き出しながら欠点を最小限に抑えるには、効果的な配線技術が不可欠です。

  • ガイドライン: 抵抗と電圧降下を減らすために、電源ラインには幅の広いトレースを使用します。信号パスが可能な限り直線的で短いことを確認して、EMI の影響を受けにくくします。トレースの急激な曲がりは避けてください。抵抗と電磁放射が増加する可能性があります。

PCBレイアウトの強化

高度なレイアウト技術は、単層 PCB のいくつかの制限を克服するのにも役立ちます。

  • アプローチ: 追加のレイヤーを必要とせずにトレースを交差させる「ジャンパー ワイヤ」などのテクニックを実装します。これは、2 番目のレイヤーが正当化されない、やや複雑な設計で特に役立ちます。

結論

単層 PCB は電子機器製造の基盤であり、そのシンプルさとコスト効率の高さが高く評価されています。民生用電子機器から産業用コンポーネントまで、幅広い電子機器の信頼性の高い基盤を提供し、多くの用途に欠かせないものとなっています。

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によって書かれた記事 アリス・リー

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