どのような設計作業においても、多くのルールや選択肢に出会うことになります。コンポーネントの配置、配線方法、スタックアップの管理、シグナル・インテグリティ、パワー・インテグリティなどを考えなければなりません。これらのプロセスをスムーズにするために、何千人ものエンジニアが働いていると言えます。.
手始めに材料選択ガイドを読むとよいでしょう。一般的なPCBには、1層以上の銅層があります。これらの銅層は薄い非導電性の基板層の間に積層されています。PCBは、電気部品、導電性トレース、パッド、その他の機能的特徴を保持する物理的な基盤です。この記事では、各 PCB 層（シルクスクリーン、ソルダーレジスト、銅、基板）の材料と設計ポイントを見ていきます。.
PCB材料の選択
PCB材料の取り扱いは、熱、機械的、電気的、化学的特徴について、エンジニアなら誰でも考えさせられる。.
熱性能については、部品がどの程度熱くなるか、そして設計全体におけるピーク動作温度を考える必要がある。機械的な特徴には、筐体やフォーム・ファクター、また密度や柔軟性（特にリジッド・フレックス・ボード）が含まれます。.
電気的特性は、インピーダンス、シグナル・インテグリティ、抵抗など、誘電体の必要性に関連する。設計エンジニアは、基板やシステム全体でこれらのバランスを取る必要があります。製品寿命については、農業用IoTのセンサーなど、湿度の高い環境では吸湿性などの化学的特性が必要です。可燃性も重要です。さらに、環境および持続可能性の制限は、PCB材料の選択に影響します。.
チェックポイント
- 熱：部品の温度限界と基板のホットスポット。.
- 機械的：形状、サイズ、密度、柔軟性。.
- 電気：誘電率（Dk）、損失正接、インピーダンス制御、抵抗。.
- 化学：吸湿性、ハロゲン含有量、燃焼性。.
- 環境：RoHS指令およびその他の規則、リサイクル可能性.
シルクスクリーン
シルクスクリーンは、ロゴ、文字、記号、数字、その他の情報をボードに印刷する層です。名前の由来はスクリーン印刷法からきています。シルクスクリーンの主な仕事は、PCBアセンブリとIDのための情報を提供することです。極性、部品の位置、その他の詳細は正しい組み立てに不可欠です。.
最も一般的なシルクスクリーン印刷技法は2つある：
- リキッド・フォト・イメージング（LPI）UV硬化型インクを使用した、時間のかかる高解像度プリント。.
- ダイレクト・レジェンド・プリンティング（DLP）アクリルインクを使用した、より高速でシンプルなインクジェット印刷。.
リファレンスマークからUL認証番号まで、一般的なルールは、下地の色と対照的なインクを使用することです。白が最も一般的ですが、他にも多くの色があります。同じ基板に複数のシルクスクリーン色を使用することは稀です。.
ソルダーマスク
ソルダーレジストは、銅箔の上にあるポリマー層で、PCBを象徴する緑色の外観を与えますが、他の色も可能です。その名の通り、はんだが行くべきでない場所にはんだが移動するのを防ぎます。例えば、環状リングやSMDパッドなど、はんだが露出している部分です。また、はんだや金属、その他の導電性部品に触れないように導電性銅トレースを隔離し、酸化を防止する効果もあります。.
ソルダーマスクの材料は、銅層への適用方法によって選択される：
- エポキシ液最も安価なソルダーレジスト。スクリーン印刷による熱硬化性エポキシ樹脂。.
- 液状光硬化型ソルダーレジスト（LPSM）これはUV硬化型インクを使用し、塗布後に露光・現像する。LPSMは完全な均一層は得られないかもしれないが、複雑な表面形状をよりよくカバーし、銅トレース付近の狭いスペースにも到達できる。.
- ドライフィルムフォトイメージャブルソルダーマスク（DPSM）均一な地形の平らなボードには、ドライフィルムを真空ラミネートし、露光・現像する。ドライフィルムは均一な厚みが得られるが、平らなボードにしか使用できない。.
銅張積層板（CCL）
ソルダーレジストの下には銅張積層板（CCL）がある。CCLには2つの部分があります：
- 銅箔導電性銅の薄い層。一般的な製造タイプには、STD（Eタイプ、電着）、ANN（Eタイプ、焼鈍電着）、AR（Wタイプ、圧延）などがある。.
- 基板機械的強度と支持力を与える非導電層。基板は通常、ガラス繊維強化エポキシラミネートであるfr4と難燃性エポキシバインダーから作られる。「fr」は難燃性を意味し、性能、燃焼性、使用される補強材の種類によって多くの分類がある。.
一般に2層基板や両面基板というと、基板の上下に銅箔を貼ったCCLを指す。標準的な多層基板は通常、絶縁層を挟んだ両面パネルを2枚以上重ねて作られます。そのため、ほとんどの標準的な多層基板には、偶数層の銅層があります。層を増やすとグランドプレーンが増え、電力を拡散しノイズを低減することができます。層を増やすことの唯一の欠点はコストです。.
レイヤー数が重要な理由
- より多くのレイヤー＝より多くの電力分配とより良いEMI制御。.
- レイヤーが増える＝コストが高くなり、製造が複雑になる。.
- インピーダンスの制御、より多くのグランドプレーン、タイトな配線が必要な場合は、より多くのレイヤーを使用する。.
PCB材料の未来
モバイル機器用の小型で軽い基板は、より多くのレイヤーを積層し、より高密度の設計を要求している。今日の技術革新の大半は、シルクスクリーンやソルダーレジストへの小さな変更ではなく、CCLの改善である。.
Getek、Megtron、4000-13、fr-408のような強化エポキシ系は、基本的なfr4よりもDkと損失正接を下げる点で優れている。旭硝子A-PPE、Nelco 600-21 Si、Rogers 4350のような高性能材料は、低Dk、優れたインピーダンス制御、高速信号のジッター低減において明らかな利点を示す。.
ポリイミド（PI）またはポリエステルから作られたフレキシブルCCLは、真のフレックス基板を提供します。折り曲げ可能な回路が必要な場合に適しています。.
厳しいRoHS規制により、より高い耐熱性と信頼性が求められています。ハロゲンフリーCCLは、塩素と臭素を900ppm以下に制限している。鉛フリーCCLは、標準的なfr4で使用されるDICY硬化システムを、フェノール系硬化剤を使用するPN硬化システムに置き換えたもので、鉛フリー・アセンブリーとの相性が良い。.
最終ノート
PCB材料の選択はトレードオフを意味します。製品の用途、信号速度、製造方法、環境規則に合わせて選択する必要があります。多くの一般的な基板にはfr4を使用しますが、より優れたインピーダンス制御や低損失が必要な場合は高性能ラミネートを選択します。フレキシブルな設計には、PIまたはポリエステルベースのフレキシブルCCLを選ぶ。アセンブリには、基板形状やパッドレイアウトに合わせて適切なシルクスクリーンやソルダーレジストを選択する。.
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