プリント基板に関する入門書です。その主な用語、人、業界に分けて説明します。
プリント基板 (PCB) は、相互に接続されている電気回路で構成されます。システムの頭脳として機能し、さまざまな機能を持たせるために部品を接続したものです。PCA (プリント基板アセンブリ) やCCA (回路カード アセンブリ) と呼ばれることもあります。
PCBは、今日のテクノロジーで広く使用されています。物理的なスペースをできるだけ抑え、性能をできるだけ高くしようとするテクノロジーによく見られる傾向を持っています。PCBのサイズはさまざまですが、他の形式の電気配線に比べ、製品設計に求められる面積がはるかに小さいのが一般的です。PCBの省スペース特性は、今日の製品開発における大きな魅力の1つです。
PCBのもう1つの重要な特徴は、その適応性です。PCBはモジュール式の構造になっているため、それぞれのユース ケースに応じてさまざまな機能を持たせることができます。最終的に、PCBは電子回路を接続する目的で使用されるため、スマートフォンから産業用システムに至るまで、今日私たちがよく使っている多くの電子機器の動力源となります。
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PCBは、1層、2層、または複数の層で構成され、導電性金属 (ほとんどの場合は銅) と絶縁層を交互に重ねた構造になっています。導電経路 (トレース) は、銅金属に層単位でエッチングされます。そのための方法が2つあります。最初の方法は、基板全体に銅のシートをかぶせる方法です。次に、トレースに必要な経路をマスキングし、マシンを使用して余分な銅をエッチングし、設計者がトレースとして想定した場所にのみ導電性金属を残します。
もう一つの方法は、トレースの経路だけを除いて基板を銅溶解液に浸すという方法です。この方法では、層の露出部分だけが銅でコーティングされるため、1つ目と同じ結果が得られます。この2つ目の方法は、全体的な銅の無駄が減り、コスト効率がよいため、PCBの生産量が多い場合や、層が多いPCBを製作する場合に好んで使用されます。手法は何であれ、基板上の必要な数の層が処理されるまで、このプロセスが繰り返されます。PCBのすべての層が完成したアセンブリは、「レイヤ スタック」または「スタック アップ」と呼ばれることがあります。
PCBは、多くの電子的機能を実現するうえで不可欠な電子部品です。PCBの設計、統合、生産に関係する主な関係者について詳しく見ていきましょう。
PCB設計者は、電子工学という大きな括りの中に属する専門職です。PCB設計者にとっての重要事項は、プリント基板の設計と機能性です。PCB設計者には多くの場合、CADツールに関する知識が必要で、その担当範囲は、設計工程の回路図、部品選択、レイアウト、文書化の各段階です。
PCB設計者は、設計する特定の基板の機能に関する深い知識を必要とし、基板の適切な剛性レベル、最適なコア材、その他の材料/構成に関する決定などを担当します。
電子エンジニアやシステム アーキテクトは、PCB設計者より広い視点で、より大きな電子系統にPCBをどのように組み入れるかの可視化を担当します。たとえば、PCBと他の入力間の接続を検討したり、システムの要件に応じて基板の最適な配置を決定したりします。
小規模な組織では、PCB設計者と電子エンジニア/システム アーキテクトの担当範囲が1つの職務にまとめられることもあります。しかし、基板そのものの設計と、電気系統全体のマッピングと可視化の違いをしっかりと区別することが重要です。
機械エンジニアは、全体的な部品の適合性を独自の視点で捉え、設計製品全体にうまく適合するには、どのように部品を変更すればよいか、あるいはどのように設計を調整すればよいのかについての指針を打ち出します。PCBを全体的な製品設計に組み入れるには、機械エンジニアの関与が非常に重要です。
また、機械エンジニアは、上記の役割に加えて、PCBの設計および実装時に大きな懸念事項となるシステムの過熱を回避するために、熱管理を製品全体にどのように組み込めば最適な状態になるのかの分析情報を得る能力を有しています。
PCBメーカーも、PCBの設計、統合、および生産工程における重要な関係者です。PCBを実際に製造するために必要な材料の調達を担当するPCBメーカーは、設計工程全体を通して作業上のやり取りに加わってもらう必要があります。上記の職務を担う担当者が開発した設計を製作するために入手可能な物理リソースについての貴重な視点を提供するからです。
さらに、PCBの製造は、PCBを搭載する製品の予算の大部分を占め、システムの複雑さが増すほど、その傾向が強くなります。そのため、経営陣にプロジェクトを提案する際に鍵となる予測コストに関する話し合いに、PCBメーカーは関与してもらうべき重要なグループとなります。
PCBは、個人ユースのスマート デバイスから大規模な産業用システムに至るまで、ほぼすべての最新技術デバイスに搭載されています。各業界について以下で詳しく説明します。
SOLIDWORKSは、SOLIDWORKS Electricalポートフォリオに、PCBのCAD設計への統合をサポートするツールを含め、電気系統をサポートする各種ツールを取り揃えています。簡単にご紹介します。
CircuitWorksは、SOLIDWORKS CADソフトウェアで利用可能なアドインです。CircuitWorksは、PCB設計をSOLIDWORKSエコシステムに取り込み、ECADチームとMCADチーム間の連携を強化します。コラボレーション ツールであるCircuitWorksを使用すると、PCBレイアウト情報をSOLIDWORKSのパラメトリック設計に直接インポートすることができます。また、SOLIDWORKS内で定義したアセンブリを、選択したPCBツールに送ることもできます。設計を双方向にやり取りできるようになるため、ユーザーはワークフローに合わせて作業できるようになり、現在の作業を補完することができます。
PCBには独自の用語が多数あります。PCBの設計、統合、生産に関連する主な用語と概念について説明します。
用語 | 定義 |
トレース | トレースとは、一般に銅から作られる導電性の経路のことで、基板のそれぞれの層にエッチングされます。トレースには、内部トレースと外部トレースがあります。内部トレースと外部トレースは、熱放散能力と、幅や厚さなどの特性が異なります。詳しく見てみましょう。 内部トレース 外部トレース |
穴 | PCBの穴とは、基板の層を貫通する穴のことです。この開口部は、機械的な穴あけ、レーザー除去、または化学的溶解によって作成されます。物理的な部品をPCBの表面に固定するための構造上の穴もあれば、層の間を貫通する穴もあります。層相互の関係に基づく穴の具体的な形状、サイズ、向きは、それぞれの基板の要件に依存します。 さらに、PCBの穴には、めっき穴と非めっき穴があります。 めっき穴 非めっき穴 |
ビア： | めっき穴の一種で、PCBの層間に信号を送るためのものです。ビアの主なタイプは次のとおりです。 スルーホール ビア ブラインド ビア 埋め込みビア マイクロビア |
キープイン/キープアウト | キープイン/キープアウトは、PCB設計を検討する際によく使用される用語です。これは、基板層上の部品を設計する際に、どこに部品を配置し、どこに配置しないのかの判断につながる話です。
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表面実装部品 (SMD) コンポーネント | 表面実装部品 (SMD) コンポーネントは、はんだ付けで基板の表面に固定されます。これらのコンポーネントは、スルーホール部品のように基板を貫通して内側の層に到達することはありません。一般的なタイプのSMDとしては、抵抗器、インダクタ、トランジスタ、コンデンサ、ダイオード、集積回路 (IC) があります。
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剛性 | 剛性は、基板の柔軟性を決定します。剛性にはさまざまな種類がありますが、よく使用される形態を以下に示します。 リジッド フレキシブル リジッドフレキシブル |
プリプレグ | プリプレグとは、多層PCBの絶縁層のことで、「pre-impregnated (あらかじめ含侵された)」を由来とします。通常、樹脂含浸ガラス繊維で作られるプリプレグ層は、PCBの銅層を接続し、絶縁するうえで不可欠です。片面基板には導電層が1つしかなく、プリプレグで層を分離する必要がないため、コア アセンブリで使用される以外は、一般的に片面基板にはプリプレグ層は必要ありません。
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コア | PCBのコアは、PCBのベースまたは基板ベースとも呼ばれます。コアはプレス加工された層です。コア材または基板材は、それぞれ銅箔の層とプリプレグ材の層に挟まれます。コアは一般的に、「FR4」コア/PCBという記載で確認できる、前述のプリプレグと同様のガラス線維と樹脂の混合物で構成されます。また、熱伝導率を向上させるためにセラミックで作られたり強化されたりすることもありますが、構造上の利点が追加されたメタルコアPCBで使用できるよう金属で作られることもあります。コアの選択は、ユーザーが目的とするユース ケースと、基板を配置する環境によって異なります。
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シルクスクリーン | シルクスクリーンはPCBの最上位層です。これは、製造工程の最終ステップの1つです。通常、シルクスクリーンは白い文字で書かれ、シルクスクリーン層は、基板上に必要な、ラベル、ブランディング、その他の文字による情報の追加に使用されます。
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ソルダー マスク | ソルダー レジストとも呼ばれ、PCB全体の領域からはんだ付けが必要な部分を外したものを覆います。通常は緑色ですが、赤や黒の場合もあります。基板上のトレースを物理的、電気的に絶縁することによりショートを防止するうえで役に立ちます。
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ガーバー ファイル | ガーバー ファイルは、基板の仕様をメーカーに伝達するためによく使われる製造用のファイルです。
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ODB++ファイル | ODB++ファイルは、設計と製造の間のやり取りで使用されるもう1つの方法です。CADツールとCAMツールとの間、つまり設計/エンジニアリング チームと製造チームとの間で、PCB設計情報を伝達する効果的な方法です。
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