多層PCBの利点と用途

プリント基板（PCB）は、今日のほとんどの電子機器の中核を成しており、部品と配線機構の組み合わせによって基本的な機能を決定しています。過去の多くのPCBは比較的単純で、製造技術によって制約を受けていましたが、現在のPCBははるかに複雑です。高度なフレキシブル基板から特殊な形状の基板まで、現代の電子機器の世界におけるPCBははるかに多様化しています。その中でも特に人気が高いのが、多層プリント基板です。

限定された機能を持つ単純な電子機器用の PCB は通常 1 層で構成されていますが、コンピュータのマザーボードのような、より高度な電子機器は複数の層で構成されています。これらが、いわゆる多層 PCB です。現代の電子機器の複雑さが増すにつれて、これらの多層 PCB はこれまでになく広く普及しており、一方で製造技術の進歩により、その小型化も大きく進んでいます。

現代電子機器の世界における多層PCB、その用途と利点について、詳しく知るために読み進めてください。

多層PCBとは何ですか？

多層PCBの定義は、3層以上の導電性銅箔層で構成されたPCBのことです。これらは複数の両面回路基板が、耐熱絶縁層を間に挟んで積層・接着されたものとして現れます。全体の構造は、PCBの表裏両面に2つの層が配置され、外部環境と接続できるように構成されています。層間のすべての電気的接続は、ビアなどによって実現されます。スルーホールめっき、ブラインドビアおよびベリードビアこの方法を適用することで、さまざまなサイズの高度に複雑なPCBが生成されます。

多層プリント基板（PCB）は、電子産業の進化に伴う変化によって誕生しました。電子機器の機能は時代とともにますます高度化し、それに伴い、より複雑なプリント基板が求められるようになりました。しかし、プリント基板にはノイズ、寄生容量、クロストークといった問題があり、特定の設計上の制約に従う必要がありました。これらの設計上の配慮により、片面あるいは両面プリント基板だけでは、満足のいく性能レベルを得ることが難しくなり、その結果、多層プリント基板が生まれたのです。

二層基板の性能を、はるかに小型のフォームファクタに収められることから、多層プリント基板（PCB）は電子機器分野でますます一般的になっています。多層PCBは、その用途の拡大に対応するため、さまざまなサイズや厚みによって提供されており、層数はおおよそ4層から12層までのバリエーションがあります。層数は偶数で構成されることが最も多く、奇数層にすると反りなどの回路上の問題を引き起こす可能性があり、生産コストの面でも有利にならないためです。ほとんどのアプリケーションでは、4 層から 8 層までが必要ですただし、モバイル機器やスマートフォンなどのアプリケーションではおおよそ12層程度が使用される傾向があり、一部のプロ向けPCBメーカーは、ほぼ100層にも及ぶ多層PCBを製造できると誇っています。とはいえ、そのように多数の層を持つ多層PCBは、極めてコスト効率が悪いため、目にすることはほとんどありません。

多層プリント基板は、一般的に製造コストが高く、手間もかかりますが、現代技術において不可欠な存在になりつつあります。これは主に、単層および二層基板と比べて、数多くの利点を備えているためです。

多層PCBの利点

技術的な観点から見ると、多層PCBは設計面でいくつかの利点を持っています。多層PCBがもたらすこれらの利点には次のようなものがあります。

・小サイズ多層プリント基板を使用することの最も顕著で高く評価されている利点の一つは、そのサイズにあります。積層構造であるため、多層プリント基板は、同等の機能を持つ他のプリント基板よりも本質的に小型です。これは、スマートフォン、ノートパソコン、タブレット、ウェアラブル機器のような、より小型でコンパクトでありながら高性能なガジェットへと向かう現在の潮流において、現代の電子機器に大きな利点をもたらします。

• 軽量構造より小型のPCBは、重量の軽減にもつながります。特に、単層および二層PCBを相互接続するために必要だった複数のコネクタが、多層設計の採用によって不要になるためです。これは、モビリティを重視する現代の電子機器にとって、やはり有利に働きます。

・高品質多層プリント基板の作成には多くの作業と綿密な計画が必要となるため、これらのタイプのプリント基板は、単層および二層プリント基板よりも高品質である傾向があります。その結果として、信頼性も高くなる傾向があります。

・耐久性の向上多層プリント基板（PCB）は、その構造上、一般的に高い耐久性を備えています。これらの多層PCBは自重に耐えなければならないだけでなく、それらを一体化する際に用いられる熱や圧力にも耐えられなければなりません。さらに、多層PCBでは回路層同士の間に複数の絶縁層を用い、プリプレグ接着剤や保護材料によって全体を一体化しています。

・柔軟性の向上これはすべての多層 PCB アセンブリに当てはまるわけではありませんが、中にはフレキシブルな構造技術を用いるものもあり、その結果、フレキシブル多層 PCB となります。これは、軽度の曲げやたわみが半定期的に発生する可能性のある用途において、非常に望ましい特性となり得ます。繰り返しになりますが、これはすべての多層 PCB に当てはまるわけではなく、フレキシブル PCB に取り込まれる層が多くなるほど、PCB の柔軟性は低下します。

• より強力多層プリント基板は、複数の層を1枚の基板に組み込んだ、極めて高密度なアセンブリです。このような狭い間隔により、基板同士の接続性が高まり、また本来備わっている電気的特性によって、小型でありながらもより大きな容量と高速動作を実現できます。

・単一接続ポイント多層プリント基板は、他のプリント基板部品と連携して動作するのではなく、単一のユニットとして機能するように設計されています。その結果、複数の単層プリント基板を使用する場合に必要となる複数の接続ポイントではなく、単一の接続ポイントのみを持ちます。これは、最終製品に単一の接続ポイントだけを組み込めばよいため、電子製品の設計においても利点となります。特に、サイズと重量の最小化を目的として設計された小型電子機器やガジェットにとって大きなメリットがあります。

これらの利点により、多層PCBはさまざまな用途、特にモバイル機器や高機能エレクトロニクスにおいて非常に有用なものとなっています。その結果、多くの産業がモバイルソリューションへと移行する中で、多層PCBは業界特有の用途においても、ますます多く採用されるようになっています。

多層PCBの欠点

多層プリント基板の利点は数多くあり、さまざまな先端技術に適用できます。しかし、この種のプリント基板がすべての用途に適しているわけではありません。実際、特に低コストかつ低複雑度の電子機器においては、いくつかの欠点が多層プリント基板の利点を上回る場合があります。これらの欠点には、次のようなものがあります。

・より高いコスト多層プリント基板（PCB）は、製造プロセスのあらゆる段階において、単層および二層プリント基板よりも大幅に高価です。設計が難しく、潜在的な問題を洗い出すのに多大な時間を要します。また、製造には非常に複雑なプロセスが必要であり、組立作業者にとって多くの時間と労力を要します。さらに、これらのプリント基板の特性上、製造または組立工程で一度ミスが発生すると、手直しが極めて困難であり、追加の人件費や廃材コストの発生につながります。加えて、多層プリント基板の製造に用いられる装置は、依然として比較的新しい技術であるため、非常に高価です。以上の理由から、用途において小型化が絶対条件でない限り、より安価な代替品を選択したほうが、総合的には望ましい場合があります。

・複雑な制作多層プリント基板は、他の種類のプリント基板よりも製造が難しく、はるかに多くの設計時間と慎重な製造技術を必要とします。これは、プリント基板の設計や製造におけるわずかな欠陥であっても、その基板を役に立たないものにしてしまう可能性があるためです。

• 数量限定多層PCBにおける最大の問題の一つは、それらを製造するために必要な機械設備のコストです。すべてのPCBメーカーが、このような機械設備を導入するための資金や必要性を持っているわけではないため、すべてのPCBメーカーがそれを保有しているわけではありません。その結果、クライアント向けに多層PCBを製造できるPCBメーカーの数は限られてしまいます。したがって、契約製造先として決定する前に、そのPCBメーカーが多層PCBに関してどの程度の対応能力を持っているかを慎重に確認することが最善です。

• 熟練したデザイナー募集前述のとおり、多層PCBには事前に綿密な設計が必要です。これまでの経験がない場合、これは問題となり得ます。多層基板では層間の接続が必要ですが、同時にクロストークやインピーダンスの問題を抑制しなければなりません。設計上のわずかな不具合でも、基板が動作しない原因となる可能性があります。

・生産時間複雑さが増すにつれて、製造要件も増加します。これは多層 PCB の回転率に関する重要な問題につながります。つまり、各基板の製造にはかなりの時間を要し、その結果、人件費が増大します。さらに、注文が行われてから製品が受け取られるまでの期間が長くなる可能性があり、状況によっては問題となることがあります。

しかし、これらの問題が多層PCBの有用性を損なうわけではありません。単層PCBよりもコストが高くなる傾向はありますが、多層PCBはこの種のプリント基板に比べて多くの利点を有しています。

単層基板に対する多層プリント基板の利点

単層基板の代替品と比較すると、多層プリント基板の利点はさらに顕著になります。多層プリント基板がもたらす主な改善点には、次のようなものがあります。

・より高密度な実装単層PCBはその表面積によって密度が制限されますが、多層PCBは層を重ねることで密度を何倍にも高めることができます。この密度の向上により、より高い機能性が実現され、PCBサイズが小さいにもかかわらず、容量と速度が向上します。

・より小さいサイズ: 全体として、多層PCBは単層PCBよりもサイズが小さくなります。単層PCBはサイズを大きくすることで回路の表面積を増やさなければなりませんが、多層PCBは層を追加することで表面積を増やし、全体のサイズを小さくします。これにより、高容量の多層PCBはより小型のデバイスに使用できる一方で、高容量の単層PCBはより大型の製品に組み込む必要があります。

・より軽量多層PCBにおけるコンポーネントの統合により、コネクタやその他の部品の必要性が減少し、複雑な電気アプリケーションに対して軽量なソリューションを実現できます。多層PCBは、複数の単層PCBと同等の作業をこなすことができますが、より小型で、かつ接続用コンポーネントも少なくて済むため、重量を削減できます。これは、重量が重要な懸念事項となる小型電子機器において不可欠な要素です。

・拡張されたデザイン機能全体として、多層PCBは一般的な単層PCB以上の性能を発揮することができます。制御インピーダンス機能のより多くの組み込み、優れたEMIシールド、そして全体的な設計品質の向上により、多層PCBは小型で軽量でありながら、より多くのことを実現できます。

では、多層構造と単層構造のどちらを選ぶかを決める際に、これらの要素は何を意味するのでしょうか。基本的に、高い品質が不可欠であり、小型・軽量かつ複雑なデバイスを製造したい場合、多層PCBがおそらく最適な選択となります。しかし、製品設計においてサイズと重量が最優先事項でないのであれば、単層または二層PCBの設計のほうが、よりコスト効率に優れている可能性があります。

多層PCBの用途

上で述べた利点や比較から、次のような疑問が生じます。実際の世界で多層PCBは何に使われるのか？その答えは、ほとんどあらゆる用途に使われている、ということです。

多くの産業分野において、多層PCBはさまざまな用途に対する第一選択肢となっています。こうした選好の多くは、あらゆる技術分野で進んでいるモビリティと機能性の追求に由来します。多層PCBはこの進化における論理的な一歩であり、サイズを小さくしながらより高い機能性を実現します。そのため、多層PCBは非常に広く普及しており、次のような多くの技術で使用されています。

・コンシューマーエレクトロニクスコンシューマーエレクトロニクスは、一般消費者によって使用される幅広い製品を包含するために用いられる包括的な用語です。これには、スマートフォンや電子レンジのような、日常的に使用される製品が含まれる傾向があります。これらのコンシューマーエレクトロニクスのそれぞれには PCB が搭載されていますが、そのうちの増え続ける割合が、標準的な単層基板ではなく多層 PCB を使用するようになっています。なぜでしょうか？その理由の大部分は、消費者のトレンドにあります。現代社会の人々は、生活の他の部分と連携する多機能ガジェットやスマートデバイスを好む傾向があります。ユニバーサルリモコンからスマートウォッチに至るまで、この種のデバイスは現代社会ではかなり一般的です。また、機能性の向上と小型化のために、多層 PCB を使用する傾向があります。

・コンピュータエレクトロニクスサーバーからマザーボードに至るまで、あらゆるものに多層PCBが使用されており、その主な理由は省スペース性と高い機能性にあります。これらの用途においては、PCBの特性の中でも性能が最も重要な要素の一つであり、コストは優先順位のリストの中では比較的低い位置づけとなります。そのため、多層PCBはこの業界における多くの技術にとって理想的なソリューションとなっています。

・通信通信機器は、信号伝送、GPS、衛星用途など、多くの一般的な用途で多層PCBをよく使用します。その主な理由は、耐久性と機能性にあります。通信用途向けプリント基板は、屋外のタワーやモバイル機器で使用されることが多くあります。このような用途では、高い機能性を維持しつつ、耐久性が不可欠です。

• 産業多層プリント基板（PCB）は、現在市場に出回っている他のいくつかの選択肢と比べて、より高い耐久性を実証しており、乱暴な取り扱いが日常的に発生しうる用途において、優れた選択肢となっています。そのため、多層PCBはさまざまな産業用途で広く用いられるようになり、とりわけ産業用制御分野で顕著な人気を博しています。産業用コンピュータから制御システムに至るまで、多層PCBは製造業および産業用途全般において機械を稼働させるために使用されており、その耐久性に加え、小型で高機能である点が高く評価されています。

・医療機器エレクトロニクスは、治療から診断に至るまで業界のあらゆる場面で機能しており、医療業界においてますます不可欠な存在となっています。多層プリント基板は、特に医療業界で高く評価されています。単層の代替品と比べて、小型で軽量でありながら優れた機能性を備えているためです。これらの利点により、多層PCBは、最新のX線装置、心拍モニター、CTスキャン装置、医療検査機器などで使用されています。

・軍事および防衛耐久性、機能性、軽量性に優れていることから、多層PCBは軍事用途でますます重視されている高速回路において有用です。また、防衛産業が高度に小型化されたエンジニアリング設計へと移行していることからも、多層PCBは好まれています。多層PCBはサイズが小さいため、他の部品が既存の機能を十分に発揮できるよう、より多くのスペースを確保できるからです。

・自動車現代では、特に電気自動車の台頭に伴い、自動車はますます電子部品に依存するようになっています。GPS や車載コンピューターからヘッドライトスイッチやエンジンセンサーに至るまで、あらゆるものが電子制御されているため、自動車設計において適切な種類の部品を使用することがますます重要になっています。これが、多くの人が…自動車メーカーは他の代替案よりも多層PCBを好むようになっている多層プリント基板は小型で耐久性があるだけでなく、高い機能性と比較的優れた耐熱性も備えているため、自動車内部の環境に適した選択肢となっています。

• 航空宇宙自動車と同様に、ジェット機やロケットも現代では電子機器に大きく依存しており、そのすべてが極めて高い精度を求められます。地上で使用されるコンピューターからコックピットで使用されるコンピューターに至るまで、航空宇宙分野におけるPCB（プリント基板）の用途には高い信頼性が必要とされ、大気圏内の飛行によるストレスに耐えると同時に、周囲の他の装置のための十分なスペースを確保しなければなりません。多層PCBはこのような場合に理想的なソリューションであり、多数の保護層によって熱や外部からのストレスから接続部を守ることができるうえ、柔軟な素材で製造することも可能です。その高い品質と機能性もまた、航空宇宙産業における有用性に寄与しており、航空宇宙関連企業は人員と装備の安全を確保するため、可能な限り最高の材料を使用することを好みます。

・その他多数多層プリント基板は、科学・研究分野をはじめ、家庭用電化製品やセキュリティなど、他のさまざまな産業でも使用されています。警報システムや光ファイバーセンサーから、粒子加速器や気象解析装置に至るまで、あらゆる機器が多層プリント基板を使用しており、この基板形式がもたらすスペースと重量の削減効果に加え、その高い機能性を活用しています。

なぜ多層PCBはこれほど広く使用されているのか？

上記に挙げた具体的な用途は、業界全体で使用されている多層PCBのごく一部に過ぎません。では、なぜこれほど広く使われているのでしょうか。

多層プリント基板が優遇される理由の多くは、業界の動向にあります。電子機器が小型化しつつ多機能化へと進み続ける中で、それら電子機器の内部コンポーネントも同じ傾向に従わなければなりません。片面および両面プリント基板は、サイズと機能性の両立という点で限界があることが証明されていますが、多層プリント基板は包括的な解決策を提供します。

多層プリント基板を単層や二層のオプションと比べて使用する場合、コストの増加、設計時間の延長、生産投入量の増大など、いくつかの欠点がありますが、こうしたコストは今日の世界では次第に受け入れられつつあります。機能性は概してコストよりも重視されており、人々は高性能な電子機器に対してより多く支払うことをいとわなくなっています。さらに、この技術がますます一般的になるにつれて、生産技術や機械設備のコストは、特に新しい技術が業界に登場するにつれて、最終的には低下していくでしょう。

これらの不可逆的な潮流と技術の継続的な進歩により、将来は多層プリント基板がさらに一層普及すると多くの人が予想しています。

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