コンポーネント埋め込みPCB製造技術

電子ハードウェア開発において高密度化と小型化が進む中、プリント基板（PCB：Printed Circuit Board）の表面積は急激に縮小する一方で、基板上に実装する必要のある電子部品の数は絶えず増加し続けている。電源モジュールでは、インダクタンス素子が電源プレートの40％以上を占めており、電子機器の小型化および高密度実装にとって不利な要因となっている。より良い解決策を模索するため、一部の設計者は、インダクタ、抵抗、コンデンサなどの部品をPCB基板内部に埋め込むことを検討しており、それによって電子機器の高密度化および小型化を実現しようとしている。さらに、部品内蔵PCBは、部品間の配線長を短縮し、電気的性能を向上させるとともに、有効な基板実装面積を拡大し、はんだ接続点を削減することで、パッケージの信頼性向上とコスト削減を可能にする。

組み込みコンポーネントの分類と設計原則

・埋め込み抵抗およびコンデンサ

部品の埋め込みには、さまざまな製造技術が利用可能である。埋め込み抵抗に関しては、まず高抵抗の材料が適用され、その後ニッケル‐リンめっきニッケル基板材料が使用される。次に、セラミック厚膜予備焼成法または LTCC（低温同時焼成セラミック）が活用される。最終的に、さまざまな抵抗値をもつ各種の平面抵抗器を製造することができる。

埋め込みコンデンサの製造におけるより優れた方法は、金属シートにポリマーを直接ラミネートすることである。埋め込みコンデンサの製造技術には、誘電体膜の適用、厚膜または薄膜誘電体の形成、および高誘電率を有する厚膜の高温焼成適用が含まれる。

上記の紹介に基づいて、PCBメーカー主に、エッチングまたは印刷によって、PCB基板の内部層の表面に抵抗やコンデンサを配置します。その後、ラミネーションおよび多層PCB製造技術を通じて、それらを内部基板に埋め込みます。部品の埋め込みは、PCB基板表面への受動部品のはんだ付けに代わるものであり、部品実装と配線の自由度が飛躍的に向上します。

・埋め込みインダクタ

インダクタの埋め込みは、エッチングや銅めっきによるスパイラル状またはベンディング形状の形成、あるいは層間スルーホールを介したスパイラル多層構造の形成によって行われる。現在までのところ、高周波モジュールが最も広く適用されている。PCBメーカーは、多層回路基板の内部製造技術に基づき、エッチングまたは印刷によってインダクタをPCB基板の内部層に配置している。

インダクタの中には磁性コアを含むインダクタがあります。この種のインダクタは磁性コアと巻線コイルを備えており、対応する電流機能の実装により、直流／交流において交流磁界エネルギーを蓄積します。磁性コアはインレイまたは埋め込みのいずれかとすることができ、一方コイルはビア内にのみ設計することができます。インダクタ埋め込み製品は主に2種類あり、実装埋め込みインダクタと中空埋め込みインダクタに分類されます。前者は、周囲のプリプレグによって積層された埋め込みインダクタとともにPCBに固定されます。後者は、回路基板内部に埋め込みインダクタを有するPCBの動きに伴って振動します。

インダクタ内蔵モジュール設計と一般的な電源モジュールの比較を、以下の表にまとめます。

アイテム	従来型パワーモジュール	インダクタ内蔵モジュール
アセンブリタイプ	SMT	PCB製造または組立の際に内部PCBに配置される
磁気構造	磁気回路はPCB表面に対して垂直です。	磁気回路はPCB表面と平行です。
巻線レイアウト	巻線は周囲の磁気コアと平行であり、PCB表面とも平行です。	巻線はビアおよびPCB内で形成され、PCB表面に対して垂直です。すべての巻線はPCB表面を切削することで生成されます。
示された画像

・埋め込み式サーマル銅ブロック

電子製品の小型化と高密度化が進むにつれて、電子製品の放熱は工業設計における大きな課題となっている。現在までのところ、主な放熱手段には、金属を基板としたPCB、回路基板上への金属ベースのはんだ付け、および導電性ペーストを充填したスルーホールが含まれる。最初の2つの方法は大量の金属材料を消費し、片面PCBの製造に適している。残りの方法は工程が非常に複雑であり、放熱性能も設計上要求される水準を満たしていない。

銅ブロックの埋め込みは高コストの問題を解消し、放熱問題を効果的に解決することができます。代表的な放熱方式には次のようなものがあります。
a. 銅ブロックの貫通。埋め込み銅ブロックの厚さは完成基板と同等とする。銅ブロックは表層および裏層を貫通する。
b. 半埋め込み銅ブロック。埋め込み銅ブロックの厚さは完成基板の厚さよりも小さい。一方の面はボトム層と同じ高さに保たれ、もう一方の面は内部層の一つと同じ高さに保たれる。

組み込みコンポーネント技術の課題とその解決策

・埋め込み抵抗およびコンデンサ

エッチングによる抵抗体の埋め込みから得られる抵抗埋め込み製品は、比較的広い用途で用いられている。業界で広く受け入れられている抵抗埋め込み用の主要材料は Ni-P 合金および Ni-Cr 合金であり、それぞれ特性が異なるため、必要とされるエッチング液も異なる。現在まで、抵抗埋め込み材料のエッチング工程で直面している主な問題は、抵抗値およびその許容差をいかに制御するか、すなわち抵抗体位置のライン補正である。特に、シート抵抗の低い抵抗材料の場合、エッチングが抵抗値に与える影響が大きくなるため、この問題は一層重要となる。

埋め込みコンデンサは、PCB基板内に埋め込むことができる一種のキャパシタンス材料です。この種の材料は高い容量密度を有するため、電源システムにおいてデカップリングおよびフィルタリングの役割を果たし、その結果、ばらばらに実装されたコンデンサを減らすことができます。この種の材料は、電子製品の性能を向上させるとともに、回路基板のサイズを小さくすることが可能です。コンデンサ埋め込み型電子製品における主な困難は、埋め込み材料の誘電体が比較的薄いことです。その結果、配線およびエッチングは片面で完了させなければなりません。

・磁性コア部品の埋め込み

a. ミーリングタンクの制御。PCBボードの材料切断後、コアボード上に円形タンクをミーリング加工する必要があります。
b. ゲルを完全充填した磁性コアの完全積層。PCB の積層前に、磁性コアはミーリングタンク内に配置され、ゲルが完全に充填された磁性コアの完全積層を考慮する必要がある。積層構造およびレイアウト方式を監視しなければならない。
c. 積層構造設計。磁性コア内蔵PCBの積層構造設計には、積層時に磁性コアを適用する方法と、磁性コアを積層する方法の2つの設計手法がある。
d. 積層レイアウトモード。磁心の脱落を防ぐため、レイアウト時には磁心側を上向きにする必要があります。また、応力集中による磁心の破損を防ぐため、レイアウト時にはクラッシュパッドを使用する必要があります。
e. 磁心周辺のスルーホール製造について ドリル加工によって磁心が損傷したり、めっき後に短絡が発生したりしないようにするため、設計段階では、穴と磁心との安全距離を少なくとも 0.2mm 以上確保する必要があります。

・銅ブロックを埋め込んだ電子製品

a. 銅ブロック貫通型の埋め込みについては、ミリングタンクのサイズ管理は磁心埋め込みの場合と同等でなければならない。
b. 銅ブロックが半埋め込みされている製品については、ミーリングタンクの深さに重点を置く必要があります。
c. 銅ブロックとプリプレグの接合に関しては、銅ブロックの片面をブラウナイズ処理する必要があります。
d. 積層レイアウト。銅ブロックが落下するのを防ぐため、銅ブロックは上向きに配置すること。ゲル欠損による不良の発生を防ぐため、積層レイアウト時にはクッションパッドを使用すること。

コンポーネント埋め込み技術の実装は、電源モジュールの小型化および電子機器の小型化・多機能化に対する開発要求に応えるための不可欠なソリューションの一つである。コンデンサ、インダクタ、抵抗をPCB内部に埋め込むことで、PCBの表面積を大幅に最適化することができる。さらに、銅ブロック埋め込み製品は、高周波製品のコストを効果的に削減できるとともに、放熱性能を向上させることができる。

PCBCartは、部品内蔵基板の製造を専門としています。

PCBCart は、部品埋め込み基板の製造において豊富な経験を有しています。カスタム PCB のお見積もりをご希望ですか？下のボタンをクリックして、PCB 製造および実装の価格を今すぐご確認ください。新規のお客様は、初回ご注文の PCB 製造費を最大 200 ドル割引いたします。

PCB製造および実装の見積もりを依頼する

役立つリソース
・PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス
•PCBCart の高度なターンキー PCB アセンブリサービス
•PCBパートナーとしてPCBCartを選ぶメリット
•組込み応用システムにおける高速PCB設計の研究
•組み込み技術およびコンポーネント組み込みPCB組立手順