単層PCBと多層PCB

プリント基板を設計する前の予備的なステップとして、単層基板を使用するか多層基板を使用するかを決める必要があります。どちらの設計タイプも、さまざまな日常的な機器で一般的に使われています。どちらが適しているかは、使用するプロジェクトによって異なります。より複雑な機器には通常多層基板が使用され、一方で、より単純な機器では単層基板の利点を活かすことができます。この記事では、それぞれの本質的な違いと、プロジェクトに適したタイプを選ぶ方法について説明します。

単層PCBと多層PCB：何が違うのか？

これら2種類のPCBの名称から、その大きな違いはおそらく想像がつくでしょう。シングルレイヤー基板は、基材（サブストレートとも呼ばれる）が1層だけなのに対し、マルチレイヤーPCBは複数の層を持ちます。3つの主要なタイプのPCB基板を詳しく見ていくと、その構造方法や機能の仕方に、他にも多くの違いがあることがわかります。

1. 単層PCB

シングルレイヤーボードは、片面基板とも呼ばれ、基板の一方の面に部品が実装され、反対側の面に導体パターンがあります。これらは通常、銅で構成される導電性材料の層を1層だけ持ちます。シングルレイヤーボードは、基材層、導電性金属層、そして保護層で構成されています。ソルダーマスクおよびシルクスクリーン。多くのより単純な電子機器では、単層基板が使われているのがわかるでしょう。

2. 両面PCB

また、単層基板よりも層数が多く、多層基板よりは少ない二層基板または両面基板を使用することもできます。片面基板と同様に、両面プリント基板（PCB）には 1 枚の基材層があります。違いは、基材の両面に導電性金属層があることです。

ボードの片面にある回路や部品は、次の2つの方法のいずれかによって反対側の回路や部品と接続されます。
・スルーホール：スルーホールは、ボードに開けられた小さな穴であり、リードと呼ばれるワイヤを通し、その後、対応する部品にはんだ付けするためのものである。
・表面実装：これらのプリント基板は、リード線を基板に直接はんだ付けして使用します。基板自体が部品の配線面となるため、回路をより小さなスペースに収めることができます。

3. 多層PCB

多層プリント基板は、3枚以上の両面基板を互いに積み重ねて構成されます。理論上は、必要なだけ多くの基板を含めることができますが、これまでに作られた最大のものは129層の厚さがあった通常、層数は 4～12 層の偶数で構成されます。奇数の層数にすると、はんだ付け後に反りやねじれなどの問題を引き起こす可能性があります。

多層基板の各絶縁層の両面には導電性金属が形成されています。これらの基板は特殊な接着剤を用いて貼り合わせられ、各基板の間には絶縁材料が挟まれています。多層基板の最も外側の層にはソルダーレジストが設けられています。

ビアと呼ばれる経路によって、異なる層同士が導通できるようになります。これらの経路は次の3つのグループに分類されます。
・スルーホール：ボードのあらゆる層を確認する
・ブラインド外側のレイヤーを内側のレイヤーに接続する
• 埋葬された2つの内層を接続し、外側から見えないようにします

多層基板は、一般的に多数の接続を必要とする、より複雑な機器に用いられます。

単層PCBの利点

シングルレイヤーPCBは、他の種類の基板と比べていくつかの利点があり、プロジェクトの要件によっては、最適なPCBの選択肢となる場合があります。これらには次のようなものが含まれます。

・低コスト単層PCBは、両面PCBや多層PCBよりも構造が単純であるため、設計および製造に必要なリソース、時間、専門知識が少なくて済みます。その結果、コストが低くなります。品質や性能を損なうことなく片面基板を使用できるのであれば、経済的な利点から、ほとんどの人は片面基板を選択します。単層PCBと多層PCBを比較した場合、低コストであることは片面基板の大きな利点の一つです。

・よりシンプルな設計と生産：片面基板は比較的シンプルで非常に一般的でもあるため、ほとんどの設計者が容易に設計でき、ほとんどのメーカーが問題なく製造できます。多層プリント基板と比べて、設計および製造プロセスは容易で、一貫して良好な結果を得ることができます。そのシンプルさゆえに、ほぼすべてのPCBメーカーが片面基板を製造することが可能です。

・高ボリューム：これらの基板は容易に製造できるため、大量に発注しても問題が発生しにくいという利点があります。さらに、数量が増えるほど基板1枚あたりの価格は一層下がるため、まとめて発注することは片面PCBから最大限の価値を引き出す最良の方法の一つです。

・短納期：単層基板は構造が単純であり、多層プリント基板よりも必要なリソースが少ないため、短期間で製造することができます。これにより、大量生産が必要な場合でも、短納期でプリント基板が必要なときに最適な選択肢となります。

単層PCBの欠点

コスト面での優位性やその他の利点があるにもかかわらず、シングルレイヤーボードには次のような制限があるため、あらゆるプロジェクトに適した選択肢というわけではありません。

・シンプルなデザイン：単層基板の最大の利点の一つはそのシンプルさですが、これは同時に大きな制約にもなります。より多くの部品や接続を必要とする複雑なデバイスの場合、単層では十分なスペースや電力を確保できません。配線同士が交差するとデバイスは正常に動作しないため、すべてを収めるのに十分なスペースを基板上に確保することが重要です。より複雑な設計は、片面基板（シングルサイドPCB）には収まりきらないのです。

・速度の低下と運転能力の減少これらの基板上の接続数が限られていることは、その電力と速度にも影響します。密度の低いこれらの設計は、回路数の多いものほど堅牢ではなく、動作能力も低くなります。用途によっては、十分な電力を備えていない場合があります。

・より大きなサイズとより重い重量：片面基板に機能を追加するには、多層PCBのように別の層を追加するのではなく、その寸法を拡大する必要があります。複数の個別基板を使用することもできますが、1枚の多層基板で同じ要件に対応できる可能性が高いです。装置内の基板のサイズや枚数を増やすと、最終製品の重量も増加します。

単層PCB：長所と短所の比較

単層PCBが自分に適しているかどうかを判断するには、まずプロジェクトの要件を検討し、片面基板がそれらを満たすために必要な機能を備えているかどうかを考える必要があります。よりシンプルなデバイスの場合、低コストで生産時間も短いため、通常は最有力の選択肢となります。しかし、より複雑なプロジェクトでは、多くの場合、十分な機能性を提供できません。

シングルレイヤーPCBを使用するかどうかを決定する前に、その長所と短所を比較検討してください。まとめると、シングルレイヤーPCBの利点と欠点には次のようなものがあります。

長所:
・低コスト
・よりシンプルな設計と生産
・大量生産が可能であること
・より短いリードタイム

短所:
・複雑なプロジェクトには単純すぎる
・より低い稼働能力
・速度が遅い
・より大きなサイズ
・より重い

片面基板は、あなたにとって適切な種類のコンポーネントでしょうか？ もしそれらがあなたのプロジェクトの要件を満たし、上記の長所が短所を上回るのであれば、おそらく適していると言えるでしょう。

単層PCBの用途

これらの基板は、低コストであり、比較的容易に製造できることから、さまざまな電子機器でよく選ばれています。電子機器がより複雑になるにつれて多層基板が追い上げてきてはいるものの、単層基板は歴史的に最も一般的なタイプでした。単一の特定機能を持ち、大量のデータ保存やインターネット接続を必要としない機器によく使用されますが、必ずしも常にそうとは限りません。

シングルレイヤーPCBは、コーヒーメーカーなどの多くの小型家庭用電化製品で見られます。また、ほとんどの電卓、ラジオ、プリンター、LEDライトの基盤となる技術でもあります。ソリッドステートドライブのような、より単純なストレージデバイスは、しばしば片面PCBを使用しており、電源装置やさまざまな種類のセンサーなどの部品にも用いられています。

多層PCBの利点

単層基板には利点がありますが、用途によっては多層設計の方がより有利です。機器によっては、複数層を持つことが必須となる場合もあります。より複雑な多層PCBの利点には、次のようなものがあります。

・より複雑なプロジェクトに役立つ：より多くの回路や部品を含む、より複雑なデバイスでは、多層PCBの使用が必要となることがよくあります。1枚の基板に収まりきらないほど多くの回路が必要な場合、層を追加することでスペースを増やすことができます。複数の層を持つことで接続のための十分なスペースが確保されるため、より高度なデバイスに最適です。スマートフォンのように、多様な用途と高度な機能を持つデバイスには、このレベルの複雑さが求められます。

・高品質多層基板は、より綿密な設計と集中的な製造プロセスを必要とするため、その結果として一般的に他の種類の基板よりも高品質になります。これらの基板を設計・製造するには、より高度なスキルと先進的なツールが必要となり、より単純なコンポーネントに比べてトップクラスの品質の製品を得られる可能性が高まります。これらの設計の多くには、高度な特性インピーダンス制御機能や電磁干渉（EMI）シールドが含まれており、性能をさらに向上させます。

・追加パワー多層プリント基板は回路密度が高いため、より単純な設計のものよりも高性能です。動作容量が大きく、より高速で動作できるため、それらが搭載される高度なデバイスにはしばしば不可欠であり、性能の向上を可能にします。

・耐久性の向上：層数が多いということは、基板がより厚くなり、その結果、片面PCBよりも耐久性が高くなることを意味します。これは、単一層のサイズを大きくするよりも、追加の層によって機能を追加することが望ましいとされるもう一つの理由です。この強化された耐久性により、基板はより過酷な環境条件に耐えることができ、寿命も長くなることが多くなります。

・より小型で軽量：多層プリント基板は、比較的小型かつ軽量でありながら、このような高い耐久性を実現しています。層を重ねて積層することで、他の基板よりも狭いスペースに多くの機能を詰め込むことができます。この小型化は、そのまま軽量化にもつながります。単層基板で多層基板と同等の機能を実現しようとすると、かなり大きなサイズにする必要があります。複数の単層基板を組み合わせれば機能的には近づける可能性もありますが、その場合も最終製品のサイズと重量は増加してしまいます。

・単一接続ポイント：複数のPCBコンポーネントを使用する場合、複数の接続ポイントが必要になります。一方、多層基板は単一の接続ポイントで動作するように設計されており、電子機器の設計を簡素化し、さらに重量を削減します。片面基板を複数枚使用するか、単一の多層プリント基板を使用するかを検討する際には、通常、多層基板の方が最適な選択となります。

多層PCBの欠点

しかし、多層基板がもたらす機能強化やその他の利点には、代償が伴います。これらの欠点により、あらゆる種類のプロジェクトにとって必ずしも理想的な選択肢とは限りません。主な欠点としては、次のようなものがあります。

・より高いコスト：複数層を持つ基板の設計および製造は、1層または2層のみの基板を製造する場合よりも高価になります。より多くのリソース、時間、そして高度な技術が必要となるため、価格が上昇します。常に、多層コンポーネントの利点がコストを上回ることを確認してください。2層を超える層数が不要であれば、単層PCBにとどめることを検討してもよいでしょう。

・より複雑な設計と生産：多層基板の設計および製造は、単層基板の作成よりも、はるかに複雑で手間のかかるプロセスです。つまり、専門設備を備えた高度なスキルを持つ設計者と製造業者が必要になります。また、必要なリソースが揃っていない場合は特に、プロセス全体を通して問題が発生しやすくなります。

・利用可能性の低下多層基板には高度な専門性が求められるため、すべてのメーカーやサプライヤーがそれらを安定して製造・供給できるわけではありません。多層数の基板を設計・製造・修理してくれる適切な企業を見つけるのが難しいと感じるかもしれません。基板の修理が必要になった場合、それを修理できる技術者を見つけることも、より困難になる可能性があります。

・より長いリードタイム：多層基板の設計および製造には、単層基板の製造よりも多くの時間がかかります。検討すべき部品点数が多く、それらすべてを互いに固定して、複数の層から一枚の基板を形成しなければなりません。これらの工程もより複雑であり、その分リードタイムが長くなります。基板を短納期で製造する必要がある場合、多層PCBの使用は適さない可能性があります。製造工程でミスが発生したり、設計変更を行いたい場合、リワークには非常に多くの時間を要し、部品の交換なしには不可能な場合もあり、その結果、材料コストが増加することがあります。

・より複雑な修理：多層プリント基板は比較的信頼性が高いものの、万が一問題が発生した場合、その設計の複雑さによって修理がより困難になることがあります。電子部品に不具合が生じたり、基板が物理的に損傷した場合、内部層やそれらを接続するビアの一部は外側から見えないため、問題箇所の特定が難しくなることがあります。さらに、基板上の部品点数が非常に多いことも、修理作業をより困難かつ時間のかかるものにしています。

多層プリント基板：長所と短所の比較

多層プリント基板は、あなたの電子機器にとって完璧な選択と言えるでしょうか？ もしその機器がより複雑な部類に入るのであれば、その可能性は十分にあります。 ただし、機能性の向上やその他の利点に対して、追加コストを支払う覚悟はしておく必要があります。 多層PCBを選択する際には、その利点と欠点に加え、プロジェクトの要件や、基板の調達に割けるリソースについても検討してください。 多層PCBの長所と短所には、次のようなものがあります。

長所:
・より複雑な機能に対応できる能力
・より高品質
・より高いパワー、作業能力、そしてスピード
・耐久性の向上
・より小型で軽量
・単一の接続ポイント

短所：
・より高いコスト
・より複雑な設計と生産
・利用可能数に限りがあります
・より長いリードタイム
・より複雑な修理

多層PCBの用途

技術が高度になるにつれて、多層PCBはより一般的になっています。今日の多くの電子機器は、複雑な機能と小型化により、回路基板に複数の層を用いる必要があります。さまざまな業界の幅広い機器で多層基板が使用されており、特に複数の機能やより高度な性能を備えたものに多く用いられています。

多層プリント基板は、マザーボードやサーバーを含む多くのコンピューター部品に使用されています。ノートパソコンやタブレットからスマートフォン、スマートウォッチに至るまで、コンピュータ化された機器はこの種の基板を使用しています。スマートフォンには通常、約12層が必要です。スマートフォン、ノートパソコン、GPS機器などの電子機器が動作するためのシステム、例えば携帯電話基地局や衛星技術なども、高度な機能性が求められるため、多層基板を採用しています。

スマートフォンや基地局ほど複雑ではないものの、片面プリント基板では対応できないほど複雑な機器には、通常 4～8 層の基板が使用されます。これらの製品の例としては、電子レンジやエアコンなどの家庭用品が挙げられ、これらはますます多層基板技術を利用するようになっています。

医療機器もまた、その求められる信頼性、小型サイズおよび軽量設計のために、しばしば3層を超える多層基板上で動作します。多層プリント基板は～に見られますX線機械、心拍モニター、CTスキャン装置およびその他多くの用途。

自動車産業や航空宇宙産業でも、耐久性と軽量性の両方が求められる電子部品の使用が増えており、この種のPCBはまさに理想的な選択となっています。これらの部品は、摩耗や熱、その他過酷な環境条件に耐えられなければなりません。車載コンピューター、GPSシステム、エンジンセンサー、ヘッドライトスイッチなど、さまざまなコンポーネントがこれらの基板を利用しています。

多層数の多いPCBは、産業分野においても一般的です。ますます多くの産業機械がコンピュータ化されたコンポーネントを備えており、センサーや制御装置、その他PCBを必要とする部品が搭載されることが多くなっています。多くの産業施設では過酷な環境条件で使用されるため、これらの機器には高度な機能性、信頼性、および耐久性が求められます。

同様の理由から、多層プリント基板は、多くの軍事用途、気象解析装置、警報システム、原子加速器、そしてその他多数の電子機器において重要な役割を果たしています。

シングルレイヤーPCBかマルチレイヤーPCBが必要かを判断する

単層プリント基板が必要か多層プリント基板が必要かを判断するには、プロジェクトの要件と、どのタイプがそれらを最もよく満たすかを検討する必要があります。次の5つの質問を自分に問いかけてみてください。
1. 私はどの程度の機能性を必要としていますか？もっと複雑な場合は、複数のレイヤーが必要になるかもしれません。
2. ボードの最大サイズはいくつですか。多層基板は、より小さなスペースにより多くの機能を収めることができます。
3. 耐久性は優先事項ですか？もしそうなら、マルチレイヤーを選びましょう。
4. 私の予算はいくらですか？より控えめな予算の場合は、単層基板が最適です。
5. どのくらい早く基板が必要ですか？単層プリント基板は、多層プリント基板と比べてリードタイムが短くなります。

また、動作周波数、必要な密度や信号層数など、要件に関するより技術的な質問にも対応する必要があります。これらの質問への答えを明確にすることで、1層、2層、4層、あるいはそれ以上の層数を持つ基板が必要かどうかを判断するのに役立ちます。これらの仕様に関する詳細や、PCB 設計を選択する際のその他のヒントについては、このトピックに関するブログ記事をご覧ください。

PCBCartのPCBソリューション

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役立つリソース
•プリント基板入門
•PCBの層数を決定する方法
•PCB が一般的に使用されている産業の概要