PCBの層数を決定する方法

プリント基板（PCB）は、1層から複数層までの誘電体および導電性材料で構成されています。これらの層が基板として一体化されると、目覚まし時計、キッチン家電、デスク用品、コンピュータ、モバイル機器など、幅広い家庭用電子機器に電力を供給する回路を担うことになります。

PCB は、産業用の各種工具や機械類だけでなく、医療機器、政府機関のコンピュータおよびストレージシステム、さらには航空宇宙機器にも広く使用されています。特定の基板の層数と寸法によって、PCB の電力分配が決定されます。

多層PCBとは何ですか？

PCB の層数は、プリント基板の性能と容量を決定する要因です。1 層 PCB で十分なのか、それとも 2 層または 4 層 PCB にしたほうがよいのかと、よく疑問に思われます ― ヒント：3層PCBというものは存在せず、いわゆる多層基板の範疇に入るものになる。

PCB基板における層数は、主に予算と機能的なニーズに左右されますが、ここで一つの疑問が生じます――多層PCBとは一体何なのでしょうか。基本的に、「多層」とは4層PCBや、6層から12層以上といった、2層を超える層数を持つものを指します。

多層PCBの層数を決定するための5つの質問

PCB の発注において理想的な層数を検討する際には、多層基板が 1 層または 2 層基板に対して有利になる要因と、その逆の要因の両方を考慮する必要があります。

1. 私のプリント基板はどのように使用されますか？

プリント基板の要件を算出する際には、その基板が使用される機械や装置の種類と、それらの機械／装置が基板回路に課す要求を考慮してください。これらのプリント基板は、ハイテクで複雑な電子機器に使用されるのか、それとも機能が最小限の、より単純な製品に使用されるのかを検討する必要があります。

2. どの動作周波数が必要ですか？

これらの質問を考慮する際には、動作周波数の観点から何が必要になるかを検討してください。そのパラメータが、PCB の機能と容量を決定します。より高い速度と動作容量を得るためには、多層 PCB が不可欠です。

3. このプロジェクトの予算はいくらですか。

考慮すべきその他の点としては単層および二層PCBと多層PCBの製造コストの比較今日のプリント基板技術で可能な限り最大の容量を得たい場合には、それに伴う高い製造コストを支払う必要があります。

4. どのくらい早く基板が必要ですか？

リードタイム - the一組のPCBを製造するのにかかる時間単層か多層かという点も、大量のプリント基板を発注する際に考慮すべき事項です。1層および2層基板のリードタイムは、基板面積の大きさにもよりますが、おおよそ8日から14日の範囲になります。また、支払う金額を増減させることをいとわないのであれば、リードタイムは最短で5日、最長で1か月程度まで変動し得ます。

注文にレイヤーを追加するごとに、基板サイズごとにリードタイムが長くなります。4層から20層の範囲のPCBでは、基板の寸法を小さくするか大きくするかによって、リードタイムはおおよそ12日から32日の間となる可能性があります。

5. どの密度とシグナル層が必要ですか？

PCB の層数は、ピン密度と信号層にも依存します。下のチャートに示されているように、ピン密度が 1.0 の場合は 2 層の信号層が必要となり、ピン密度が下がるにつれて必要な層数は増加します。ピン密度が 0.2 以下の場合、少なくとも 10 層の PCB が必要になります。

単層PCB

単層PCBは、1層の誘電体と導電体が積層され、はんだ付けされた構造から成ります。電子機器の初期の構成要素として、単層PCBは1950年代後半から使用されています。今日においても、家庭用電子機器の現代的な基準から見ると比較的原始的であるにもかかわらず、単層PCBは世界中で一般的に使用され続けています。

単層PCBの構造は単純で、熱伝導性のある1枚の絶縁体の上にまず銅ラミネートが被覆され、その上にソルダーマスクが施されているだけで構成されている。単層PCBの図解では、層とその2つの被覆を表すために一般的に3本の色帯が用いられ、絶縁層そのものを表す灰色、銅ラミネートを表す茶色、そしてソルダーマスクを表す緑色が使われる。

そのシンプルな設計ゆえに、単層PCBは大量生産が容易であり、したがってあらゆるプリント基板の中で最もコスト効率に優れています。単層であることは現代の基準からすると技術的に制約のある要素ではありますが、それでもなお、製造業者に対して次のような利点を提供します。
・ほとんどのメーカーが容易に理解できるシンプルな設計
・単純であり、そのため生産上の問題を引き起こす可能性は低い
・大量生産において手頃で便利

現在、単層PCBは、銅張積層板の厚さが1オンスから20オンスまでの範囲で製造されています。単層PCBは、130度から230度の摂氏温度範囲で動作するように設計されています。

過去の数十年間、多くの電気機器には単層PCBが使用されていました。現在では、ほとんどのハイテク家庭用電子機器は、より複雑な要求に最適化された多層PCBへと移行しています。それでもなお、単層PCBは、リビングルーム、キッチン、オフィスにある、次のような比較的単純な機器では依然として一般的です。
•電卓- 最も基本的な電卓の一部は、単層PCBで動作します。
•ラジオ- 一部のラジオ、たとえば一般的な量販店で販売されている低価格のラジオ付き目覚まし時計などでは、単層基板がよく使用されています。
•コーヒーメーカー- コーヒーメーカー用の機器では、単層PCBがよく使用されます。

単層PCBは、センサー、LEDライト、プリンター、防犯カメラ、およびタイミング回路でも一般的に使用されています。

二層基板

二層PCBは、プリント基板技術における次のステップです。より高い容量を備えた二層PCB（ダブルレイヤーPCBとも呼ばれる）は、片面PCBよりも幅広い現代の電子機器をサポートできます。同時に、二層PCBは、現在市場に出回っている各種多層プリント基板と比べて、製造の観点からはるかに複雑さが少なくなっています。そのため、二層PCBは最も広く使用されているPCBの選択肢となっています。

2層PCBは、片面PCBとよく似ていますが、反転した鏡像のボトム層を持つ点が異なります。2層PCBでは、誘電体層は1層基板の場合よりも厚くなります。さらに、その誘電体は上下両面に銅が積層されています。加えて、その積層体は上下両面ともソルダーレジストで覆われています。

2層PCBの図は一般的に、3層構造のサンドイッチのように描かれます。中央には誘電体を表す厚い灰色の層があり、その上下には銅を表す2本の茶色のストリップがあり、さらに最上部と最下部にはソルダーマスクを表す細い緑色のストリップが配置されています。

上下の層が等しいため、2層PCBではより多くの配線パターンを引くことができます。2層PCBの利点には次のようなものがあります。
・幅広いデバイスに対応できる柔軟な設計
・高密度な回路構成により、さまざまな現代の用途に適しています
・低コストな構造で、大量生産に適している
・シンプルなデザインで、世界中のメーカーが理解しやすい
・小型で、さまざまな機器に組み込むことができます

2層PCBは、幅広い種類のシンプルな電子機器から、より複雑な電子機器までに適用できます。2層PCBを搭載した大量生産デバイスの例として、次のようなものがあります。
•HVACユニット- さまざまなブランドの住宅用暖房・冷房システムには、二重層プリント基板が使用されてきました。
•アンプ- その二層基板は、多くのミュージシャンに使用されているアンプユニットに採用されています。
•プリンター- 多くのコンピュータ周辺機器は、2層PCBに依存しています。

この二層PCBは、制御リレー、電源装置、LED照明、ラインリアクトル、試験装置、自動販売機にも使用されています。

4層PCB

4層基板は、1層または2層のPCBよりも複雑な層構成で構成されています。1層および2層PCBが誘電体材料の単一層のみを含むのに対し、4層PCBには複数の層が存在します。すべての多層プリント基板と同様に、4層PCBには、トップおよびボトムのソルダーマスクの間に複数の導電層および銅層が含まれています。

4層PCBスタックアップは、次の層で構成されています。
・4本の導電性銅ストリップ
・3つの内部誘電体層 ― 2枚のプリプレグと1枚のコア
・上下に二重の誘電体ソルダーマスク層

4層PCB設計では、4本の銅層は内部で3層の内層絶縁体によって分割され、上下はソルダーレジストによって封止されます。一般的に、4層PCBの設計ルールは9本の層と3色で示され、銅には茶色、コアおよびプリプレグには灰色、ソルダーレジストには緑色が用いられます。

4層PCB設計の一般的な図では、プリプレグ層とコア層が同じ材料で構成されているように見えるものの、前者は完全には硬化しておらず、そのためコアよりも柔らかい。製造工程では、4層スタックアップに熱と圧力が加えられ、プリプレグとコアが溶融して層同士を接着する。

4層PCBは、他の多層プリント基板と同様に、以下のような利点をもたらすため、製造業者にとって多くの面で有利です。
•耐久性- 4層PCBは、1層および2層基板よりも強度があります。
•コンパクトサイズ- 小型の4層PCB設計は、非常に幅広い種類のデバイスに組み込むことができます。
•柔軟性- 4層PCBは、シンプルなものから複雑なものまで、さまざまな種類の電子機器で使用できます。
・安全- 電源層とグラウンド層を適切に配置することで、4層PCBは電磁干渉を遮蔽します。
•軽量- 4層PCBを搭載したデバイスは内部配線の必要性が低く、そのためしばしば軽量になります。

多層基板の製造にはより高度な専門技術が必要ですが、4層PCBの追加コストは、4層基板が機械的にサポートできる高付加価値製品によって、十倍にもなって回収されます。4層PCBを採用している、現代において最も重要なデバイスの一部には、次のようなものがあります。
•衛星システム- 多層プリント基板は、地球規模の通信を可能にした周回衛星に搭載されてきました。
•携帯端末- 携帯電話やタブレットには、しばしば4層基板が搭載されています。
•宇宙探査機装置- 多層プリント基板は、私たちが銀河の彼方まで見通すことを可能にした宇宙探査機器に電力を供給してきました。

4層PCBは、X線装置、ファイルサーバー、原子加速器、CTスキャン技術、そして放射線検出システムでも一般的に使用されています。1層および2層PCBと比べて、4層回路基板は、クロストークが問題となるプロセスにおいても有益となり得ます。

6層PCB

6層PCBは、今日の電子機器における回路基板技術が本格的に高度な領域へと踏み込む段階です。6層PCBを用いることで、メーカーはさまざまな商用テクノロジー製品、医療機器、産業用機械に電力を供給することができます。

6層PCBスタックアップは4層の場合と似ていますが、銅層が2層追加され、誘電体材料の層も2層増えています。6層スタックアップでは、2番目と4番目の誘電体層が「コア」として指定され、1番目、3番目、5番目はプリプレグです。6つの導電性銅層のうち、2番目と5番目はプレーン層で、それ以外はシグナル層です。

6層PCBは、その開発以来、電子業界にとって大きな恩恵となってきました。単層および二層基板と比べて圧倒的に優れた技術的特性を備えているため、メーカーは数多くの革新的なデバイスを市場に投入できるようになりました。6層PCBの主な利点には、次のようなものがあります。
•強さ- 6層PCBはより厚く、そのため、より薄い層構成の従来品よりも強度があります。
•コンパクトさ- 6層構成により、この厚さの基板はより高度な技術的性能を備えているため、必要とする幅をより小さく抑えることができます。
•大容量- 6層以上のPCBは、電子機器に最適な電力供給を実現し、クロストークや電磁干渉の可能性を大幅に低減します。

過去20年間で、6層以上の多層プリント基板はコンピュータ技術の飛躍的な発展を可能にしてきました。このレベルのPCBは、次のような電子機器の進歩に貢献してきました。
•コンピューター・6層PCBは、より小型・軽量で高速なパーソナルコンピュータの急速な進化を後押ししてきました。
•データ保存- 6層PCBの大容量化により、この10年間でデータ記憶装置はますます高機能になりました。
•火災報知設備- 6層以上の回路基板により、警報システムは危険が発生した瞬間に実際の危険をこれまで以上に正確に検知できるようになりました。

6層PCBは、携帯電話の送信機、光ファイバー受信機、心拍モニター、産業用制御装置、およびGPS技術にも使用されています。

複雑な多層プリント基板

多層プリント基板の層数が4層や6層を超えて増加すると、スタックアップにはさらに多くの導電性銅層と絶縁体材料の層が追加されます。

例えば、8層PCBには4つのプレーン層と4つのシグナル銅層、合計8層があり、それらは7層の内部誘電体材料によって接着されています。8層スタックアップは、上下を誘電体のソルダーレジストで封止します。基本的に、8層PCBスタックアップは6層とよく似ていますが、銅層とプリプレグの列が追加されています。

この傾向は10層PCBにも当てはまり、銅層がさらに2層追加され、合計で6層の信号層と4層のプレーン銅層、つまり全10層となります。10層PCBスタックアップにおいて銅を結合しているのは9層の誘電体材料であり、その内訳は5層のプリプレグと4層のコアです。10層PCBスタックは、他のすべてと同様に、上下を誘電体ソルダーレジストで封止されています。

12層PCBスタックアップになると、4つのプレーン層と8つの信号導体層を持つ基板となり、それらは6層のプリプレグと5層のコアから成る誘電体材料のカラムによって接着されています。12層PCBスタックは誘電体ソルダーレジストで封止されます。一般的に、多層PCBの図では、層および接着材料は次の色で示されます――信号／プレーン銅には茶色、プリプレグ／コア誘電体材料には灰色、トップ／ボトムのソルダーレジストには緑色が用いられます。

8層、10層および12層の多層PCBは、多くのハイテク機器やコンピュータシステムにおいて有用です。近年、多層プリント基板の開発により、コンピュータ技術は急速に進歩し、かつてのkHz帯システムから、今日のGHz帯マシンへと発展してきました。

商業、産業、医療、政府、航空宇宙など、さまざまな分野の機械や装置は、ますます複雑化する多層プリント基板によってもたらされる急速な発展のおかげで、その速度、容量、小型化、使いやすさを高め続けています。

レイヤー分布

プリント基板を考える最もわかりやすい方法は、導電性材料と誘電体材料がソルダーマスクの中で結合した層を、ラザニアの層のように想像することです。たとえば 4 層基板は、通常、中央にプレーン層を持つ、均等な間隔の層構成になっています。これは基板を対称的に見せることができますが、電磁両立性の観点から見ると、必ずしも最も望ましい効果をもたらすとは限りません。

もう一つの構成として、中央で2つのプレーンを密接に配置し、その外側で信号層とプレーンが厚い誘電体を挟み込む形にするものがあります。この構成は、プレーン間で電荷を蓄積できるという利点はあるものの、望ましくない信号伝送や電磁的な影響を引き起こす可能性があります。こうした理由から、現在のPCB分野の専門家は、2層ではなく、少なくとも4層の基板を選択するのが一般的です。

4層基板の電磁両立性を高めるためには、プレーン層と信号層の間隔をできるだけ近づけて配置する必要があります。また、グラウンドプレーンと電源プレーンの間のコアは厚くするべきです。この構成により、配線間で望ましくない信号伝搬が起こる可能性が低減され、回路および電流間の干渉を許容範囲内に抑えることができます。

回路と電流の間の理想的な反発範囲は、おおよそ 50～60 オーム程度です。インピーダンスが低いと、取り込まれる電流が急増し、これは望ましくない現象であることを覚えておいてください。高いインピーダンスは、より多くの電磁干渉を発生させ、基板を外部からの干渉に対してより脆弱にしてしまいます。

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