多層PCBに関する完全ガイド
多層基板は、3層以上の導電性材料で構成された回路基板の一種です。これらの基板は、配線に利用できる面積を拡大します。層数について話す場合、それは基板上の導電パターンの数を意味します。多層基板は通常、リジッド基板です。これは、フレキシブル基板として製造することが非常に困難であるためです。
層数はお客様のニーズによって異なります。最大100層まで可能です。ただし、4層から8層のPCBは様々な用途で一般的に使用されています。層数が増えると回路が複雑になるため、お客様のニーズに合わせて層数をカスタマイズできます。
多層PCBのさまざまな必須コンポーネント
多層 PCB には次の 4 つの主要コンポーネントがあります。
- 基質： 基板は最も重要な部品で、通常はグラスファイバーで作られています。グラスファイバーはPCBの芯となる強度を提供し、破損を防ぎます。基板はPCBの骨格と考えることができます。
- 銅層: 基板の種類によって異なります。この層は、銅箔か銅箔のいずれかになります。基板の種類に関わらず、銅層は同じです。つまり、銅はプリント基板との間で電気信号を伝達します。この層は神経系と考えることができます。脳から筋肉へ、そしてその逆の信号を筋肉から脳へ伝達します。
- 戦士の表情： これは銅層を保護するポリマー層です。つまり、銅が環境と接触した際にショートが発生するのを防ぎます。つまり、ソルダーレジストはPCBの皮膚のようなものと考えることができます。
- シルクスクリーン： PCBの最終工程です。シルクスクリーンには、基板上の様々な部品の品番、シンボル、ロゴなどが表示されます。さらに、シンボル、スイッチ設定、テストポイント、部品参照などの情報も表示されます。
多層 PCB の製造方法は?
多層 PCB を製造するための完全なステップバイステップ ガイドは次のとおりです。
設計
プリント基板（PCB）の設計と製造準備は、最初にして最も重要なステップです。各メーカーはそれぞれ独自のアプローチでこのプロセスを進めます。一般的に、設計者は回路の設計図を作成し、規定されたすべての要件を満たします。設計には、拡張ガーバーなどの様々なソフトウェアが利用可能です。
拡張ガーバー形式やその他のツールを使用して回路を設計できます。回路を設計したら、設計全体を注意深くチェックしてください。設計図全体にエラーがないことを確認してください。設計が完了したら、この設計図を製造会社に送り、回路図の作成を開始できます。
写真プロット
このステップでは、レーザーフォトプロッターを使用して、各層のフィルムを印刷します。レーザーフォトプロッターは、ソルダーマスクやシルクスクリーン用のフォトツールを作成するために使用されるツールです。フィルムの厚さは約7ミルです。
多くのメーカーは、ドライフィルムに直接画像を描画する特殊なレーザーダイレクトイメージング装置を使用しています。この技術はコストを削減し、さらにプロセス精度と効率性が向上します。そのため、レーザーダイレクトイメージング（LSI）を使用することで、内層だけでなく外層も印刷できます。
イメージングと現像またはエッチング
このプロセスでは、パッドやトレースなどの主要なイメージを回路基板に貼り付けます。さらに、DESプロセスではめっき用の銅パターンを作成します。このステップで行われる作業は以下のとおりです。
- 銅パネルに写真イメージング可能なものを塗布します。
- さらにLSIを使ってパネルを画像化します。
- パネルから露出した銅全体をエッチングで除去します。
- 残ったドライフィルムを剥がし、内側の層用に残った銅パターンだけを残します。
自動光学検査
AOIは基本的に、多層PCBの各層を積層する前に検査します。光学系はPCBの設計データと実際のパネル上の画像を比較します。銅箔の欠落や過剰などの違いは、断線やショートにつながる可能性があります。そのため、このプロセスは基本的に、メーカーが回路のあらゆる欠陥を検出するのに役立ちます。
酸化物
多層プリント基板の積層前に内層に施される化学処理が酸化処理です。酸化処理の程度は工程によって異なり、茶色または黒色で表示されます。これは銅の粗度を高め、積層接合強度を向上させる重要な工程です。さらに、この処理により、基材の異なる層間の剥離を防ぎます。
ラミネート加工
多層基板を製造するには、エポキシ樹脂を含浸させたガラス繊維の異なる層を積層します。積層工程では、油圧プレスを用いて高温高圧をかけます。加圧と熱によってガラス繊維シートが溶融し、層同士がしっかりと接合されます。この材料を冷却した後、両面基板と同様の製造工程を経て完成します。
訓練
すべてのPCBには、銅層を繋ぎ、部品を取り付け、PCBを実装するための穴が必要です。そのため、高度なドリルシステムを使用して穴を開けることができます。これらのシステムは、超硬合金製の切削工具を使用します。さらに、研磨材から切削片を素早く除去できる設計になっています。
事前にプログラムされたドリルマシンは、正確な位置に特定のサイズの穴を掘削します。つまり、ドリルマシンは設計者が提供したデータに従って動作します。設計者は、この情報を数値制御ドリルファイルとして提供します。
さらに、薄いアルミニウム板が入口材として、硬い段ボールが出口材として機能します。そのため、この技術により、掘削がスムーズになり、異種繊維の生成を防ぎます。
無電解銅蒸着
穴あけ加工後、メーカーはパネルの露出面に薄い銅膜を化学的に堆積させます。さらに、無電解めっきを用いて穴の壁に銅膜を堆積させます。
ドライフィルム外層
銅めっき後、パネルを電気めっきする準備として、外層に画像を形成する必要があります。ラミネーターを用いて外層にドライフィルムを塗布することができます。ドライフィルムは写真感光性材料です。このプロセスは、多層PCBの内層に画像を形成するプロセスとほぼ同じです。
プレート
電気めっき工程では、導電パターンに銅めっきを施します。さらに、PCBの穴の壁にもめっきを施します。めっきの厚さは約1ミルです。銅めっきの後、薄い錫めっき層を堆積する必要があります。錫めっき層はエッチングバリアとして機能します。
ストライピングとエッチング
パネルのめっき工程が完了すると、ドライフィルムが残ります。しかし、その下にある銅を除去する必要があります。次に、パネルはSES工程に進みます。SESとはString Etch Strip（ストリング・エッチ・ストリップ）の略です。
この工程では、露出した銅をエッチングする必要があります。つまり、錫で覆われていない銅の領域を除去するということです。そのため、穴や銅パターンの周りの配線とパッドはそのまま残ります。最後に、穴や配線を覆っている残りの錫を化学的に除去します。この工程を完了すると、PCBの露出したラミネートと銅だけが残ります。
この段階でPCBの骨組みは完成しました。これ以降のすべてのステップはPCBの保護に関するものです。
はんだマスクと凡例
ほとんどのメーカーは、銅表面を保護するために、液状フォトイメージング（LPI）ソルダーマスクを使用しています。これにより、組み立て時に異なる部品間のはんだブリッジを防ぐことができます。
LPIソルダーマスクは、基本的に感光性エポキシ樹脂ベースのレジストです。スクリーン印刷プロセスを用いることで、パネル全体を覆うことができます。従来のスクリーン印刷以外にも、ソルダーマスクとして代替となる方法がいくつかあります。
ソルダーマスクの後に、凡例を適用できます。これにより、組み立て時に参照できるように、PCB上にさまざまな記号や文字が印刷されます。
表面仕上げ
これは、多層プリント基板を製造するための最後の化学工程です。ソルダーマスクは回路のほぼ全体を覆います。そのため、表面処理によって露出した銅部分の酸化を防ぎます。
酸化銅ははんだ付けできないため、これは重要なステップです。また、このステップでは様々な表面処理を使用できます。例えば、熱風はんだ付けレベル（HASL）などです。
多層PCBの利点
他のタイプと比較した多層 PCB の利点は次のとおりです。
- 単層および二層 PCB よりも組み立て密度が高くなります。
- 異なるコンポーネントを相互接続するためのケーブルが不要です。そのため、軽量PCBに最適です。
- これらの PCB はサイズが小さいため、必要なスペースが削減されます。
- EMI シールドは簡単かつ柔軟です。
- 柔軟性は、すべてのプリント回路基板の中で多層 PCB が際立っているもう 1 つの要素です。
多層PCBのさまざまな用途
多くの電子部品には多層PCBが使用されています。さらに、これらの回路は中程度から複雑な回路構造を網羅しています。以下に、多層PCBの重要な用途をいくつか挙げます。
- ハートモニター
- 携帯電話の伝送と中継器
- 原子加速器
- 宇宙探査機とX線装置
- 気象分析とGPS技術
- データストレージとファイルサーバー
- 光ファイバーレセプターとCATスキャン技術
多層PCBの見分け方
PCB がいくつかあり、レイヤーの合計数を確認したい場合は、次の手順に従ってください。
基板の端を光に当てて銅箔層を観察します。こうすることで、配線をより詳細に観察しやすくなります。多層基板にブラインドビアがない場合でも、明るい光を利用して内層を分析できます。
内層を見分けるのに最適な場所は、外層に配線や線が見えていない場所です。また、ほとんどのメーカーは、回路基板の層の総数を示すラベルを印刷しています。そのため、端を見るだけで層の総数を判別できます。
