プリント基板の次なる展開は？

世紀の変わり目に発明され、1943年にポール・アイズラーによって特許が取得されて以来、プリント基板はその当初の機能性をはるかに超えて進化・発展してきました。

今日のプリント基板（PCB）は、小型で多層かつ複雑なシステムとなっており、初期の祖先とはほとんど似ても似つかないものになっています。さらに、高度な設計ソフトウェアと製造プロセスのおかげで、かつてないほど高い効率と速度で生産されています。わずか10年前には、マイクロビア、HDI、FPGA は最も高価な設計でしか見られませんでしたが、現在では世界中の設計者が容易に利用できるようになっています。

しかし、技術と消費者需要が成長・発展するにつれて、PCB も同様に進化しなければなりません。あらゆる電子機器の基盤である PCB は、開発と成長に対する強いプレッシャーを受けています。消費者がより薄型で高速なデバイスを求め、産業界が機能性の向上を追求する中で、PCB は今後も発展し続けなければならないのです。

しかし、プリント基板の未来は具体的にどのようなものになるのでしょうか。

PCBの未来

現代のプリント基板（PCB）は、驚くべき複雑さを備え、信じられないほどの速度で製造されていますが、常に改良の余地があります。PCBそのものの形状であれ、基板に直接取り付けられるアクセサリであれ、消費者は常に新しく多様なPCBやその機能を求め続けています。

また、PCB の複雑化が進むにつれて製造企業に新たな課題が生じるため、製造プロセス自体にも成長の余地が多く残されています。こうした理由から、プリント基板の将来に関する予測の多くは、次の分野に強く焦点を当てています。

1. PCBボードカメラ

ボードカメラ、または PCB カメラとも呼ばれるものは、回路基板上に直接実装されるカメラです。これらの PCB カメラは、レンズ、絞り、イメージセンサーで構成されており、デジタル写真と動画の両方を撮影できるよう設計されています。全体として、これらのカメラは25セント硬貨ほどの大きさで、あらゆるサイズの PCB に実装することができます。つまり、これらのカメラはほとんどあらゆる電子機器に組み込めるほど小型です。

導入以来、ボードカメラは急速に発展しており、写真および動画撮影機能と耐久性が主な改良分野となってきました。現在では、これらの小型カメラは高解像度の画像や動画を容易に撮影できます。今後数年で、ボードカメラはさらに進化し、産業用途と民生用エレクトロニクスの双方に対して、強力なソリューションを生み出すことが期待されています。

その小型サイズにより、ボードカメラはさまざまな業界で幅広い用途があります。これには次のものが含まれます。
•コンシューマーエレクトロニクスボードカメラは、特に携帯型モバイル機器において、民生用電子機器で大いに活用されています。現在では、スマートフォン、タブレット、ノートパソコンやその他の小型携帯電子機器で、ボードカメラが一般的に使用されています。民生用電子機器メーカーは、より小型で高性能なカメラを常に追求しています。
•医療器具特に、小型ボードカメラは、非侵襲的および低侵襲的な処置のために医療業界でニッチな地位を確立している。現在では、患者が飲み込むことのできる錠剤サイズのカメラが使用されており、医師は侵襲的な外科手術を行うことなく、消化管内部の包括的な動画や画像を取得できる。また、手術中に教育用ツールとして、ウェアラブルカメラの導入も進んでいる。
•監視技術: PCBカメラは非常に小型であるため、物体の内部に容易に隠すことができ、監視用途に最適な選択肢となります。多くの消費者、警備会社、組織が、侵入者を監視するためにこれらの小型カメラを自宅や事業所で使用しています。技術が進歩するにつれて、その監視用途はさらに拡大し続けています。

これらの産業は、ボードカメラがどのように利用されているか、そしてその動向が将来どのように続いていくかを示す一部の例にすぎません。現状では、ボードカメラ業界は、高品質で耐久性のあるカスタマイズ可能なボードカメラへとよりシフトしています。医療および監視用途の画像性能を向上させるため、昼夜両用機能や低照度性能の改良も進められています。

2. 3Dプリント電子機器

3Dプリンティング技術は、近年で最もエキサイティングな技術革新の一つと言えるでしょう。3Dプリントされた臓器から銃器や弾薬に至るまで、3Dプリンティングはさまざまな産業分野で驚くべき成果を上げてきました。PCB業界も例外ではありません。

3Dプリンティングは、近年の大きなPCB（プリント基板）イノベーションのひとつである3D PEにとって不可欠な技術であることが証明されています。3Dプリンテッド・エレクトロニクス、あるいは3D PEは、将来の電気システムの設計方法に革命をもたらす存在として位置づけられています。これらのシステムでは、基板となる部材を層ごとに印刷し、その上に電子機能を含む液体インクを重ねて塗布することで、3D回路を形成します。その後、表面実装技術を追加することで最終的なシステムが完成します。その結果、あらゆる想像しうる形状をとることができる回路が実現します。

3D PE は、特に従来の 2D PCB と比較した場合、回路製造企業とそのクライアントの双方に対して、技術面および製造面で莫大なメリットをもたらす可能性があります。これらの利点には、次のようなものが含まれます。
•斬新なデザイン既存の形状の上に回路を印刷できるようにすることで、3D PE 製造技術は、従来の PCB 製造では実現不可能だった、新しく驚くべき形状の回路を可能にします。3D PE は、電子・光学・機械機能を組み合わせながら、あらゆる回路キャリアに合わせて成形することができます。これにより、新たな製品機能や最適化が実現されます。3D PE は成形できるだけでなく、2D PCB 製造方法では不可能なほど大きな部品にも印刷できるようにスケールアップすることが可能です。
•効率の向上3D PE 製造はデジタル手法を用いた積層プロセスであるため、2D PCB 製造と比べて材料使用においてはるかに節約的です。システムは必要な分だけ材料を塗布し、それ以上は使用しないため、材料がより効率的に使われます。さらに、生産プロセスのデジタル化により、人為的な誤りの要因が排除され、全体的な精度が向上します。この方法を用いても回路が故障することは依然としてありますが、自動化の向上によって故障の可能性が低減され、全体的な効率が改善されます。
•環境に優しい3D PE 製造で使用できる基板材料の種類には実質的な制限がないため、PCB メーカーは任意の材料を選択できます。これにより、低コストでリサイクル可能な材料を選択できるため、環境に優しい生産がはるかに容易になります。

これらの利点により、3D PE の生産は急速に進歩しており、大量生産へと向かいつつある。現在のところ 3D PE の用途は比較的限られており、主にゲージ、アンテナ、センサーにとどまっているが、3D PE の製造能力を拡大するための研究が盛んに行われている。これには、印刷可能な表面の種類、実装可能な SMD の種類、そして印刷に使用できる製造ツールの開発が含まれる。

多くの業界リーダーは、製造企業や消費者向け産業が 3D PE 技術の新たな方法や用途を見出すにつれて、3D PE 産業が急速に拡大すると予想している。

3. PCB 自動配置ツール

今日のほとんどのPCBには、設計にオートルーターが含まれています。このPCBコンポーネントは、基板全体に電子機能の配線を行い、PCBレイアウトの特性をモデル化することで、自動化プロセスをはるかに容易にします。

しかし、オートルーターは作成とセットアップが難しく、多くの時間と労力を要します。この困難さのために、自動化によって節約される時間がセットアップ工程で失われてしまいます。この理由から、多くのメーカーやPCB設計者は代替手段としてオートプレーサーに注目しています。オートプレーサーは、機械系および電気系のCADシステムを統合しようとすることで製造プロセスを簡素化し、自動化プロセスをはるかに高速化します。今日に至るまで、自動配置ツールはPCB製造業界全体では受け入れられていません。その理由は主に、オートプレーサーとオートルーターの制約条件の違いにあります。

•オートルータールーティングの制約は主に基板の特性によって決定され、これらは PCB 設計環境内で容易にモデル化できます。これらの特性には、層数、配線間隔、接続距離、および各層の配線方向が含まれます。
•自動配置ツールコンポーネントの配置を決定する制約は、機械的な要件によって左右される場合があります。これには、製品筐体の形状、ボタン配置などの人間工学的な問題、放熱、および実装機のピックアンドプレース最適化が含まれます。

オートプレーサーの動作を規定する制約は、必ずしも基板設計そのものに関係しているわけではなく、むしろ製品設計に関わっている場合があります。これは、設計者が単なるPCB設計以上の多くの要素を考慮しなければならないため、かなりのオーバーヘッドを意味し得ます。オートプレーサーは、オートルーターと比べて製造プロセスを大幅に高速化できる可能性がありますが、それは主としてオートプレーサーの制約管理をどれだけ最適化できるかにかかっています。ここで、新しい技術が活躍しなければなりません。

近年、PCB 設計技術が台頭しており、それに伴って統合 CAD システムという考え方も広まりつつある。オートプレーサは電気的および機械的な設計要素の両方に依存しているため、両分野における制約を適用できる電気・機械統合 CAD システムが、オートプレーサの効率を高めるために必要である。

これらの設計ソフトウェアの選択肢への移行に伴い、オートプレーサはオートルーターよりも効果的な代替手段となりつつあります。オートルーターからオートプレーサへのこの切り替えは、PCB設計プロセスにもたらされる実質的な利点が期待されています。

4. 高速性能

現代の世界は非常にスピードが速く、人々とテクノロジーにも同様の迅速さが求められています。年月が経つにつれて、物事はさらに高速化していくと私たちは予想しており、それは電子機器も例外ではありません。こうしたスピードに対する需要の高まりにデバイスが対応し続けるためには、PCB 技術もそれに合わせて進化していく必要があります。

高速PCBは設計者にとって特有のテーマです。その主な理由は、高速PCBの定義が比較的あいまいであるためです。一般的に合意されている高速PCBの定義は、信号の完全性が回路レイアウトによって影響を受けるものです。これは次のようなさまざまな意味を持ち得ます。
•デジタル信号デジタルPCB信号においては、情報はデジタルパルスの中に含まれています。したがって、信号インテグリティへの影響は、デジタル信号の遅延や消失として現れることがあります。
•アナログ信号高速アナログ回路では、信号の形状そのものに情報が含まれています。このような場合、信号インテグリティの問題は、変形した信号波形として現れます。

どちらの場合でも、信号インテグリティは、PCB の内部および周辺に存在する複数の要因によって悪影響を受ける可能性があります。これらには、PCB の誘電体、配線の長さ、他の信号や EMI との近接度などの要因が含まれます。多くの高速設計者は、これらの問題を軽減するために設計を調整する方法を理解していますが、高速設計を管理するための新しいソフトウェアツールと同様に、新しい手法も絶えず開発されています。

最新の高速PCB設計技術の詳細については、PCB設計リソースページをご覧になり、以下の記事をお読みください高速レイアウトのコツそしてどのように高速設計におけるEMIの影響を低減する。

将来的にも高速機能への需要が高まり続ける中、高速設計に焦点を当てたプリント基板の革新は、今後も引き続き求められるでしょう。PCB業界の関係者は、高速分野での革新が、PCBの将来において依然として大きな役割を果たし続けると予想しています。

5. フレキシブルPCBへの注目

PCB業界はすでに急成長している産業であり、いくつかの調査によれば、市場規模は2016年の635億ドルから2021年には738億ドルへと拡大すると推定されています。しかし、PCB業界で最も急速に成長しているセグメントはフレキシブルPCB ― 2020年には152億ドル、2022年には270億ドルまで成長すると予測されている。

ウェアラブル電子機器、フレキシブルディスプレイ、医療用途などの分野において、フレキシブル技術は産業界をますますフレキシブルおよびフレックスリジッドPCBへと押し進めています。フレキシブルPCB技術は、売上成長率の面ですでにリジッドPCBを上回っており、将来は明るいと言えます。

では、なぜフレキシブル基板はそれほど人気なのでしょうか？その柔軟性により、フレキシブル基板はリジッド基板よりも大きな応力や曲げに耐えることができ、さらに折りたたんで複雑な3D空間に収めることも可能です。そのため、曲げが日常的に発生する用途において有用です。また、非常に軽量かつ薄型でありながら、大量生産が比較的容易であるという傾向もあります。

柔軟基板への傾向を後押ししている産業には、次のようなものがあります。
•LED照明LED照明は、従来の白熱電球に代わる、明るくかつ省エネルギーな選択肢として非常に人気があります。LEDテープライトにおいては、使用者が用途に合わせてテープを曲げられるよう、テープの長さ方向における柔軟性が重要です。フレキシブル基板は、この必要な機能性を実現します。
•ウェアラブル技術今日では、ウェアラブル電子機器の人気がますます高まっており、世界市場は2020年までに306億ドルに達すると予測されています。これらの電子機器は、スマートソックス、ベルト、リストバンドなどの衣類や柔軟なアクセサリーに組み込まれることが多くなっています。スポーツ用ヘルメットの中には、衝撃や速度を監視するためにPCBを用いたセンサーを組み込んでいるものもあります。これらの用途には、柔軟性の確保と衝撃や振動への対応の両面から、フレキシブルPCBが必要とされています。
•フレキシブルディスプレイフレキシブルディスプレイは何年も前から注目を集めてきましたが、製造コストが高いため、いまだに比較的珍しく、一般的には普及していません。しかし、一度その生産コストが下がれば、フレキシブルデバイスはモバイル技術における次の大きなトレンドになると期待されています。一般的な剛性設計よりも衝撃やストレスに強く対応できるフレキシブルディスプレイは、フレキシブルスマートフォンやタブレットにつながる可能性が高いでしょう。これには、おそらくデバイス内の他のすべての部品、PCB を含めて、曲げられることが求められることになります。
•医用機器これまで医療機器のイノベーションは、主に小型化と柔軟性という2つの技術トレンドに焦点を当ててきました。フレキシブル基板は、柔軟な基材上にコンパクトな回路を実現できるため、医療機器設計者がこの両方を達成することを可能にします。フレキシブル基板は、接続の一貫性と、基材が人体組織との接触に適合する生体適合性を備えていることから、その信頼性と生体適合性の面でも高く評価されています。これらの理由から、フレキシブル基板は多くの医療機器において主流となっており、外科用器具、植込み型医療機器、モニターおよびセンサーに使用されています。

その文字通りの柔軟性と比喩的な柔軟性ゆえに、フレキシブルPCBは業界全体でさまざまな用途に用いられており、需要の高い製品となっています。現在の傾向が続けば、PCB業界の人々は近い将来、さらに多くのフレキシブルPCB設計に対する需要が高まることを予想できるでしょう。

6. 生分解性PCB

電子廃棄物、いわゆる e-waste（イーウェイスト）は、現代における最大級の環境問題の一つです。この種の廃棄物には、コンピューター、ノートパソコン、テレビ、スマートフォン、家庭用電化製品などの電子機器が含まれ、その多くには生分解性ではなく、環境にも優しくない部品が使われています。近年、電子機器のリサイクル（e-scrapping）は普及してきていますが、人々が古い電子機器の処分方法を模索し続けているため、電子廃棄物は依然として問題となっています。

PCB はこの問題の大きな要因となっています。PCB に使用される一部の材料は分解されにくく、多くの場合埋立地に廃棄され、周囲の土壌を汚染します。さらに、PCB の製造工程で使用される化学物質は、適切に処理されないと環境に有害であることが多く、この問題を一層深刻にしています。

平均的な消費者が10年の間にどれほど多くの電子機器を使い切るか、そして業界が短寿命の電気製品へと向かう傾向にあることを考えると、これは大量の廃棄されたPCBが環境に悪影響を及ぼすことを意味し得ます。

この問題に対しては、大量廃棄から組織的な電子廃棄物回収サービスまで、多くの解決策が提案されています。中には、パラジウム、銀、金、ガリウム、タンタルなどの貴金属を電子廃棄物から抽出し、溶解・精製して再利用するという考えを支持する関係者もいます。これにより、電子機器産業向けに膨大な量の金属を生産しなければならない鉱山会社への負担を軽減することができます。

特にPCBに関しては、一部の科学者は、PCBの製造プロセスを変更することで汚染問題に取り組むことを提案しています。これは、従来の基板を、より環境に優しい代替品に切り替えることを意味します。現在、生分解性基板が注目を集めているほか、組立工程を完了するために有害なエッチング薬品を必要としない代替技術も精査されています。

どちらも、電子機器産業全体の環境負荷を軽減するのに役立ち、組立および製造コストの削減にもつながる可能性があります。

PCB業界におけるその他の将来の進歩

上述のPCB業界における改良と革新は、それ自体だけで成り立っているわけではありません。技術的な地平線のすぐ向こうには、他にも多くの潜在的な革新が存在しています。

これらの進歩の一つが、PCB を能動的なシステムコンポーネントとして捉えるという考え方です。現在、PCB は電子機器において接続コンポーネントとして使用されており、能動コンポーネント間でメッセージを中継することで、デバイス全体が動作できるようにしています。エンジニアたちは現在、PCB 自体を能動的なシステムにするべく取り組んでおり、機能性を維持しつつ、PCB 内のコンポーネント数を削減しようとしています。

その他の進歩は、これらの革新同士の相互作用に関係しています。たとえば、3D PE 製造は回路に使用できる材料の種類を拡大しています。これにより、柔軟で生分解性のある基板材料の利用がより実現しやすくなります。これらの革新的なアイデアを組み合わせて用いることで、PCB 設計者は PCB 業界を前進させ続ける、驚くべき新しい設計を実現することができます。

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役立つリソース
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