PCB試作プロセス

プロジェクト用のプリント基板を本生産で発注する前に、まずは設計が完全に正しく動作することを確認する必要があります。そのためには、効率的かつコストを抑えて検証を行うために、基板のプロトタイプ――機能をテストするための少量試作――を作成する必要があります。

しかし、長い試作プロセスに貴重な時間を費やしたくはないはずです。だからこそ、正確でコスト効率の高い試作品を迅速に提供できる PCBCart のような PCB 製造会社と協力する必要があります。試作品にご満足いただけましたら、同じ品質と効率へのこだわりをもって、本生産も一括してお任せいただけます。

プロトタイピングのプロセスを円滑に進めるもう一つの方法は、その内容をきちんと理解しておくことです。そうすることで、何が起こるかを把握し、必要な情報をすぐに提供できるようになります。では、PCBプロトタイピングには具体的に何が含まれているのでしょうか？　続きを読んで確かめてみましょう。

PCB試作の利点

新しいPCB設計の本生産を発注する前に、まず試作機を作成することをおすすめします。弊社の試作PCBサービスは、基板を遅延や手間なくテストできるよう、高速かつユーザーフレンドリーになるよう配慮しています。PCBの試作によって、次のことが可能になります。
・多額の資本を投下する前に、生産プロセスの早い段階で設計上の欠陥を検出する
・複数のデザインをコスト効率よくテストする
・ボードがどのように機能するかを正確に把握する

PCB試作の前に

PCBの試作プロセスを始める前に、試作が自分のニーズに適しているかどうかを必ず確認してください。多くのプロジェクトにとって有益ではありますが、すべての種類に必須というわけではありません。プロトタイプを作成することにした場合、着手するためにプロジェクトに関するいくつかの基本的な情報が必要になります。

プロトタイプが必要かどうかを判断する

プロトタイプは、デザインをテストしたり、基板の品質チェックを行ったりしたい場合に最適です。

新しいプロジェクトで新しい設計を使用する場合は、必ずプロトタイプを使用すべきです。すでにその基板を用いて電子製品の量産に成功している場合は、プロトタイプが不要なこともあります。しかし、いかなる設計変更を行う場合や、まったく新しいPCB設計や製品を作成する場合には、プロトタイプを発注する必要があります。

当社の高速試作サービスを通じて、最大8層までのテストボードを製作し、標準RF-4材料を使用した高品質なIPC1規格ボードをご提供できます。試作においては、5枚から100枚までのご注文に対応可能で、製作期間は営業日で4～5日。

試作機を承認したら、より多くの層や異なる材料を用いた基板を、より大量に本生産として発注することができます。

プロトタイピングプロセスの準備

試作のために設計を提出する場合や、PCB試作サービスの見積もりを取得する場合には、設計に関するいくつかの情報を準備する必要があります。一般的に、詳細な情報であればあるほど望ましい結果を得やすくなります。以下の情報を含めてください。
・必要なレイヤーの数
・ボード厚さ
・ボードの寸法
・銅の厚さと重量
・最小限のトレースと間隔
・最小穴径
・最小アニュラリング
・表面仕上げ
・ソルダーマスクと色
・シルクスクリーンのレジェンドと色
・ドリルファイル NC Excellon
・ドリルファイル工具リスト

さまざまなソフトウェアを使用して設計ファイルを提出できます。私たちは、その最適なファイル形式である Gerber RS-274X にファイルを変換します。お客様のファイルを RS-274X に変換する場合は、ポジティブ Gerber レイヤー、NC Excellon ドリルファイル、ドリルツールリスト、およびアパーチャ、ソルダーマスク、シルクスクリーンに関する情報を必ず含めてください。

PCB試作プロセスの手順

プロトタイプから何を得る必要があるかを把握し、必要な情報を収集したら、試作プロセスを開始できます。経験豊富なPCB企業であれば、このプロセス全体を通してサポートを提供してくれます。次のようなサービスを提供している企業を選びましょう。迅速なカスタマーサービスできるだけスムーズに進められるようにするための、有用なリソースも用意しています。

パートナー企業と協力することで、複数の企業とやり取りする必要がなくなり、プロセスを簡素化できるフルターンキーソリューションを提供できます。

1. デザイン

試作PCBを作成する最初のステップは、その設計を行うことです。前述のとおり、設計には数多くあるPCB設計ソフトウェアスイートのいずれかを使用できます。使用したバージョンを、メモや設計ファイル内で必ずお知らせください。

2. 概略設計

回路図設計は、製造プロセス中にメーカーやエンジニアが使用する重要な情報を記述します。そこには、生産で使用される材料、部品、ハードウェアに関する情報が含まれており、基板の機能、その特性、および部品の配置を決定します。この段階の重要な要素の一つは、適切なパネルサイズとグリッドを選定することです。

この回路図は初期設計段階の一部です。デザイナーが最初の回路図を完成させると、まず潜在的な欠陥を確認するための予備チェックを行い、見つかった不具合を修正します。その後、専用のPCB設計ツールを使ってシミュレーションを実行し、基板が正しく機能することを確認するとともに、より詳細な設計検証を行うことができます。続いてデザイナーは、電子設計を「ネットリスト」と呼ばれる形式に変換します。ネットリストは、含まれる各コンポーネント同士の接続関係を記述したものです。

設計プロセスの最後だけでなく、その途中でも定期的に設計ルールチェックを実行することは有用です。この方法により、進行中に問題を修正でき、より効率的な設計プロセスを実現できます。

3. 部品表

あなたも～する必要があります部品表を作成するまたはBOM（部品表）です。これは、生産に必要なすべての部品や材料と、その詳細をまとめた一覧です。部品の調達をメーカーに依頼する場合、メーカーが適切な部品を確実に入手するために使用する文書がこれになります。

BOM には、各コンポーネントに関する重要な情報が含まれており、次のものが含まれます。
・数量：必要なコンポーネントの数。
・リファレンスデザインネータ：個々の部品を識別するために使用されるコード。
・値：オームやファラドなど、適切な単位で記述された各コンポーネントの仕様。
・フットプリント：基板上の各コンポーネントの配置位置。
・メーカー品番：コンポーネントの製造元が使用する部品番号。

BOM と回路図が完成すると、レイアウトエンジニアと部品エンジニアが文書を確認し、必要な部品を集めます。部品エンジニアは、設計に適合し、かつクライアントのコストおよびサイズ要件を満たす部品を選定する責任を負います。

4. ルーティング設計

次に、PCB の各要素を接続するために使用する配線（トレース）によって、ルーティングを設計する必要があります。ルーティングを計画する際には、電力レベル、信号ノイズの発生、およびノイズ感度など、さまざまな要因が関係します。

ほとんどのPCB設計ソフトウェアは、すでに作成したネットリストを使用して配線計画を行います。これらのプログラムの多くは、利用可能な層数やその他の要因に基づいて、最適な配線経路を自動的に算出できます。このプロセスには時間がかかる場合があり、特に大規模な回路基板や部品点数の多い基板では顕著です。

5. チェック

プロセス全体を通して、機能上の問題がないか定期的に設計を確認する必要がありますが、製造段階に進む前に、設計のあらゆる側面に潜在的な問題がないか評価するため、最後にもう一度包括的な検証を行ってください。

注意すべき一般的な問題として、ホットスポットなどの熱的な問題があります。設計では、基板全体を一定の温度に保つ必要があります。サーマルパスの有無、銅箔厚のばらつき、基板サイズの大型化、PCB層数の多さといった設計上の要素は、ホットスポットや温度の不均一を引き起こす要因となり得ます。

熱解析に加えて、デザインルールチェック、レイアウト対回路図（LVS）チェック、電気的ルールチェック（ERC）、およびアンテナチェックを実施する必要があります。多くのメーカーは、さらなる品質保証のために他の評価も行っています。

チェックを完了したら、次のいくつかのステップ用の設計を送信できます。これらはいずれも合わせて製造プロセスを構成します。

6. フォトフィルムの作成

ご提供いただいた設計に基づき、PCBCart の技術者はまず、プリンターであるプロッタを用いて、基板の各層およびソルダーマスクごとに PCB のフォトフィルムを作成します。このフィルムは、基板のネガ画像が印刷されたプラスチックシートであり、導電性の銅となる部分と非導電性となる部分を示します。

7. 内層の印刷

この工程では、基板材料に銅を適用します。まず、銅を基板に予備接合し、その後フォトレジスト層を塗布します。フォトレジストは、紫外線を照射すると硬化する感光性フィルムです。私たちはUV光を用いてこれを硬化させます。プロッターの黒インクで遮られた部分は硬化しないまま残ります。

次に、硬化していないフォトレジストをすべて除去します。これにより、銅を残すべき部分を覆い保護している硬化フォトレジストだけが残ります。続いて、その硬化フォトレジストを除去し、設計で指定された位置にちょうど一致する箇所の銅を露出させます。

8. レイヤーの整列

複数のレイヤーがある場合、それらを正確に位置合わせし、精度の高いレジストレーションホールを開ける必要があります。 一度レイヤーを重ね合わせてしまうと内層を修正することはできないため、完全に一致させることが極めて重要です。

9. レイヤーをまとめて統合する

この時点で、プリプレグと呼ばれる外層材料、および銅箔で覆われ、銅配線パターンを含む元の基板が用意されています。次の工程では、これらの層を一体化しますが、これはレイヤーアップとボンディングという2つの段階で行われます。

最初に、プリプレグ層をアライメント用のベース上に配置し、その上に基板層、銅箔、さらにプリプレグ、そしてアルミ箔と銅製プレスプレートを積層していきます。これらの層は、鋼製テーブルに取り付けられたピンに合わせてセットされます。

その後、接着プレス用コンピューターがスタックを加熱し、圧力を加え、その後スタックを冷却する工程を制御します。次に、ピンと加圧プレートを取り外してスタックを分解します。残るのはPCBです。

10. 穴あけ

次に、後で部品を追加するときに使用するため、積層体に穴を開けます。穴は直径約100ミクロンになるよう、精密にドリル加工する必要があります。正確な穴位置を特定するためにX線ロケーターを使用し、エア駆動スピンドルで毎分15万回転するドリル自体はコンピューターによって制御されます。ドリルの動きは速いものの、この工程には時間がかかることがあります。PCBには通常100個以上の穴があるためです。

11. 銅めっき

次の工程はめっきであり、化学浴を用いてパネル表面に約1ミクロンの厚さの銅層を析出させます。銅は、穴の内壁を含むパネル全体を覆います。これにより、穴によって露出していたパネル内部のガラス繊維素材が覆われます。この工程はコンピューターによって精密に制御されています。

12. 外層イメージング

次に、パネルに別の層のフォトレジストを塗布し、あなたのPCB設計に基づいて外層を形成します。これは先ほど使用したプロセスと同様の手順に従い、内層の反転パターンを作り出します。

13. 銅および錫めっき

その後、もう一度銅めっきを行います。フォトレジスト層によって、銅は基板上の所定の部分にのみ析出するように制御されます。次に、基板には通常スズめっきが施され、これは次の工程の間、銅を保護する役割を果たします。

14. 最終エッチング

その後、化学溶液によって余分な銅が除去され、導電部を形成する銅はスズめっきによって保護されます。この工程が完了すると、導電接続が確立されます。

15. ソルダーマスクの適用

次に、パネルを洗浄し、エポキシ系ソルダーレジストインクを塗布します。続いて基板に紫外線を照射し、ソルダーレジスト用のフォトフィルムを通過した光によってフィルムを硬化させます。覆われて硬化していない部分はすべて除去されます。

16. 表面仕上げの適用

次に、より多くのめっき（しばしば金や銀）を施します。パッドを均一にするために、ホットエアレベリングを用いることもあります。これで表面処理が完了します。

17. シルクスクリーンの適用

その後、基板に関する重要な情報を伝えるインクジェット印刷によるシルクスクリーンを、PCB の表面に適用します。

18. カッティング

基板が意図したとおりに機能することを確認するための最終電気検査を実施した後、ルーターまたはVカットを用いて、大きなパネルから個々の基板を切り離します。これらの方法のいずれかで切断した後は、パネルから基板を簡単に取り外すことができます。

19. 調達

PCB組立プロトタイプ段階の準備として、すべての部品を調達する必要があります。これはご自身で行うことも、PCBCart に任せることもできます。コンポーネントを調達するお客様のために、当社はお客様のご希望に応じて、一流の正規代理店から部品を購入するか、またはお客様が推奨されるルートから購入いたします。お客様の事前の承認を得ることなく、代替品を使用することは決してありません。

この工程の段階で、あなたのBOMが役立ちます。これを用いて、あなたが希望する部品を確実に調達できるようにします。

20. 組立

次の段階は組立、つまり PCBA（プリント基板実装）ですプリント基板実装— ここでは、お客様のボードに必要なコンポーネントを取り付けます。

21. はんだペーストのステンシル印刷

まず、基板にはんだペーストを塗布します。これはフラックスと混ざり合い、はんだが溶けてPCB表面に接合するのを助けます。

PCB の上にステンレス製のステンシルを載せることで、アプリケーターが完成した PCB 上で部品が配置される箇所にのみはんだペーストを塗布できるようにします。ステンシルは開口部のあるすべての領域にはんだペーストを均一に広げます。その後ステンシルを取り外すと、はんだペーストだけが所定の位置に残ります。

22. ピックアンドプレース

その後、ピックアンドプレースマシンを使用して、表面実装部品（SMD）をPCB上に配置します。この装置は、あらかじめプログラムされた位置に、これらのコネクタ以外の部品をはんだペーストの上に配置します。

23. リフローはんだ付け

リフロー工程によってはんだペーストが固まり、表面実装部品が基板に取り付けられます。

この工程では、PCB をリフロー炉へ通すコンベヤーベルトの上に載せます。この炉には一連のヒーターが備わっており、基板をゆっくりと華氏約 480 度まで加熱して、はんだペースト中のはんだを溶かします。その後、温度を徐々に下げて冷却・固化させ、溶けたはんだによって SMD を基板に恒久的に取り付けます。

両面PCBの場合、各面ごとに別々にステンシル印刷を行い、その後リフローを実施する必要があります。

24. 検査および品質管理

リフロー中の偶発的なずれは、接続品質の低下、接続不良、さらには短絡を引き起こす可能性があります。これらのリスクがあるため、リフロー工程完了後には、目視検査、自動光学検査、X線検査などの評価を行い、エラーの有無を確認します。また、機能および接続品質のテストも実施します。

25. スルーホール部品の挿入

一部の基板では、SMD に加えて他の部品が必要になる場合があります。これらの部品はスルーホール部品（PTH 部品）として知られており、基板を貫通してめっきされているため、一方の面からもう一方の面へ電気信号を送ることができます。

はんだペーストはPTH部品には使用できません。ペーストが穴をそのまま通り抜けてしまい、付着しないためです。手作業ではんだ付けを行うか、ウェーブはんだ付けを使用する必要があります。ウェーブはんだ付けとは、基板をコンベヤーベルトに載せて専用の炉に通し、基板の下面全体を溶融はんだで覆う方法です。この工程によって、すべてのピンが同時にはんだ付けされます。しかし、この方法は両面基板には適用できません。電気部品が実装されているPCBの片面全体をはんだ付けしてしまうと、それらの部品が使用不能になってしまうからです。

26. 機能テストの実施

PCB試作組立プロセスの最終段階は、実際にさらされる通常の動作条件を模擬して行う、機能の最終テストです。

PCB試作後：プロトタイプのテスト

試作品が設計・製造・組立てられると、完成したプロトタイプが得られます。次に、PCB の本格的な量産に進む前に、それをテストする段階となります。

作成した理由に基づいてプロトタイプをテストしてください。設計上の欠陥や、改良の余地がある部分を確認します。異なる設計の複数のプロトタイプがある場合は、各基板に対して同一のテストを実施し、その結果を比較する必要があります。基板が実際に動作する状況をできるだけ正確に再現したテストを行うことが有用です。可能であれば、その基板が電力を供給する製品の中で実際に使用してみるとよいでしょう。

テストの実行によって設計上の問題が明らかになった場合は、それを修正し、必要に応じて修正後の設計をテストするための新しいプロトタイプを作成する必要があります。プロトタイプの性能と品質に満足できれば、その基板の本格的な量産を行う準備が整ったことになります。

完全なPCB注文の提出

試作に満足したら、当社の標準PCBサービスへ簡単に移行できます。このサービスには、より厳密な製造公差が含まれており、無料の量産設計（DFM）チェック潜在的な品質および性能上の問題を検出でき、さらに多層基板やさまざまな基板タイプといった、より高度なオプションも利用できます。最終的な基板を受け取ったら、本格的に生産を開始できます。

利用可能なプロトタイプの機能と性能

本格的な量産にすぐ移行したほうが効率的に思えるかもしれませんが、まず試作品から始めることで、長期的には生産プロセスをより低コストかつ効率的なものにでき、品質の向上と性能の予測可能性の向上につながります。

PCBCart と協力することで、試作にかかる余分な時間を最小限に抑えつつ、品質と精度を最大限に高めることができます。私たちは、お客様の設計をわずか3～7日で試作することが可能です。試作注文を最小5個から承ることで、コスト削減にも貢献します。もちろん、生産プロセスの初期段階で設計ミスやその他の問題を特定することで、コスト面でもお客様をサポートします。

さらに、当社は基板製造から部品調達、実装に至るまで、PCB試作のあらゆる工程を一括して提供しているため、お客様の時間とコストを削減できます。ワンストップサービスであることにより、工程ごとに別々の会社を探す必要がありません。

PCBCartでは、自社の品質管理部門を有しており、あらゆる要件を満たしています品質マネジメントシステムの規格である ISO9001:2008当社の試作生産における公差は、実際の使用環境においてお客様の基板がどのように性能を発揮するかを正確に示します。

PCB試作について質問がある場合は、弊社の親切なカスタマーサポートチームまでお問い合わせください試作から量産までのプロセスを通してお手伝いし、ご要望どおりの結果が得られるようサポートいたします。以下のページをご覧になり、当社のサービスについて詳しくお確かめください。
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