多層PCB製造プロセス：ステップバイステップガイドとプロトタイピングの課題

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多層プリント基板（PCB）は、最新エレクトロニクスの基盤であり、スマートフォン、医療機器、電気自動車（EV）、5Gインフラストラクチャに見られるコンパクトで高性能な設計を可能にします。単層または二層PCBとは異なり、多層基板は、絶縁誘電体材料で分離された4〜40以上の導電性銅層を積み重ね、デバイスサイズを大幅に削減しながら、信号速度と電力処理能力を向上させます。

世界の多層PCB市場は、EVと5Gの需要に牽引され、2028年までに856億ドルに達すると予測されています（Grand View Research）。しかし、これらの基板の製造は、標準的なPCBよりもはるかに複雑であり、精密なアライメント、特殊な材料、厳格なテストが必要です。このガイドでは、多層PCBの製造プロセスを分解し、プロトタイピングの課題を強調し、それらを克服する方法を説明します。業界のベストプラクティスとデータに基づいた洞察に焦点を当てています。

主なポイント
  1.多層PCB（4層以上）は、二層設計と比較して、デバイスの体積を40〜60％削減し、信号完全性を30％向上させます。これにより、高速（25Gbps以上）および高電力（10A以上）アプリケーションに不可欠です。
  2.製造プロセスには、設計/材料選択、層アライメント/ラミネーション、エッチング、穴あけ、メッキ、表面仕上げ、品質テストの7つの重要なステップが必要です。各ステップには、厳格な許容差（層アライメントで±5μm）があります。
  3.プロトタイピングの課題には、層のミスアライメント（プロトタイプの20％の故障の原因）、材料の不整合（基板の15％に影響）、およびテストの可視性の制限（内層欠陥の30％を隠す）が含まれます。
  4.LT CIRCUITのような先進的なメーカーは、レーザー穴あけ（製造時間を40％短縮）と自動光学検査（AOI）（欠陥を「<1％」に削減）を使用して、製造を合理化しています。多層PCB製造プロセス

多層PCB製造は、原材料を機能的な積層回路に変換する、シーケンシャルで精密なワークフローです。各ステップは前のステップに基づいており、初期段階でのミス（例：ミスアライメント）は、後でコストのかかる故障につながります。以下に詳細な内訳を示します。
1. 設計と材料選択：成功の基盤

最初のステップは、基板の性能、製造可能性、およびコストを定義します。これには、2つのコアタスクが含まれます。
スタックアップ設計

エンジニアは、以下をマッピングする「スタックアップ」青写真を作成します。
 a.層数：ほとんどの商用アプリケーション（例：スマートフォンで6層、5G基地局で12層）で4〜12層。

 b.層の機能：どの層が信号、電源、またはグランドであるか（例：5層基板の「信号-グランド-電源-グランド-信号」）。
 c.インピーダンス制御：高速信号に不可欠です。トレースは、50Ω（シングルエンド）または100Ω（差動ペア）を維持するようにサイズ設定されています。
重要なルール：クロストークを50％削減するために、すべての信号層を隣接するグランドプレーンとペアにします。

材料選択

材料は、基板の用途（例：温度、周波数、電力）に基づいて選択されます。以下の表は、一般的なオプションを比較しています。
材料カテゴリ

2. 層アライメントとラミネーション：層を正確に接着

ラミネーションは、銅層と誘電体材料を単一の剛性基板に融合させます。ここでのミスアライメントは壊滅的であり、±10μmでさえ電気的接続を破壊する可能性があります。
ステップバイステップラミネーション

 1.プリプレグの切断：プリプレグ（樹脂含浸ガラス繊維）のシートをコアサイズに合わせて切断します。
 2.スタックの構築：設計された順序（例：銅→プリプレグ→コア→プリプレグ→銅）で層を積み重ね、初期アライメントに位置決めピンを使用します。
 3.真空プレス：スタックをプレスに入れ、以下を適用します。
      a.温度：170〜180°C（プリプレグ樹脂を硬化）。
      b.圧力：300〜500 psi（気泡を除去）。
      c.時間：60〜90分（層数によって異なります）。
 4.冷却：基板を室温（25°C）まで冷却して、反りを防ぎます。
重要な許容差：多層PCBのIPC-6012規格を満たすには、層アライメントが±5μmである必要があります（光学アライメントシステムを介して達成）。

一般的な問題：不均衡なスタックアップ（例：片側に多くの銅）は、反りを引き起こします。解決策：対称的な層数（例：5層ではなく6層）を使用します。

3. エッチング：回路トレースの作成

エッチングは、層から不要な銅を除去して、導電性トレースを形成します。多層PCBの場合、内層を最初にエッチングし、ラミネーション後に外層をエッチングします。
エッチングプロセス

 1.フォトレジストの塗布：感光性フィルムを銅層に塗布します。
 2.露光：UV光をフォトマスク（回路設計のステンシル）を通して投影し、トレース領域のフォトレジストを硬化させます。
 3.現像：硬化していないフォトレジストを洗い流し、エッチングする銅を露出させます。
 4.エッチング：基板をエッチャント（例：過硫酸アンモニウム）に浸し、露出した銅を溶解させます。
 5.レジストの剥離：残りのフォトレジストを除去し、最終的なトレースを明らかにします。
エッチング方法

4. 穴あけとビアの作成：層の接続

ビア（穴）は銅層を接続し、基板全体で電気的連続性を可能にします。多層PCBは、3種類のビアを使用します。
ビアの種類

  1.レーザー穴あけ：ブラインド/ベリードビア（0.05〜0.2mm）に使用され、レーザー穴あけは±2μmの精度を達成し、内層への損傷を回避します。
  2.機械穴あけ：スルーホール（0.2〜0.5mm）に使用され、CNCドリルは10,000 RPM以上で高速に動作します。
  3.バックドリル：高速設計（25Gbps以上）で信号反射を低減するために、未使用のビアスタブ（スルーホール穴あけから残ったもの）を除去します。
データポイント：レーザー穴あけは、マイクロビア（「<0.1mm」）のビア関連欠陥を機械穴あけと比較して35％削減します。

5. メッキ：導電性の確保メッキは、ビア壁と銅トレースを薄い金属層でコーティングして、導電性を高め、腐食を防ぎます。

主要なメッキステップ
  a.デスミアリング：化学物質（例：過マンガン酸塩）は、ビア壁からエポキシ残渣を除去し、金属の接着を確保します。

  b.無電解銅メッキ：ビア壁に薄い銅層（0.5〜1μm）を電気を使用せずに堆積し、導電性ベースを作成します。
  c.電気メッキ：基板を硫酸銅浴に浸し、電流を印加して、トレースとビアの銅を厚くします（15〜30μm）。
  d.オプションメッキ：高信頼性アプリケーションの場合、ニッケル（2〜5μm）または金（0.05〜0.1μm）を追加して、はんだ付け性を向上させます。
6. 表面仕上げ：基板の保護
表面仕上げは、酸化から露出した銅を保護し、はんだ付け性を向上させます。選択は、コスト、用途、および寿命によって異なります。

表面仕上げ
厚さ

多層PCBは、隠れた欠陥（例：内層ショート）を検出するために、厳格なテストが必要です。以下は、最も重要なテストです。

テストの種類
確認内容

多層PCBのプロトタイピングは、単層基板よりもはるかに複雑であり、プロトタイプの30％が回避可能な問題のために失敗しています。以下は、主な課題と解決策です。1. 層のミスアライメント

a.原因：位置決めピンの摩耗、不均一なプリプレグ樹脂の流れ、またはラミネーション中の基板の反り。
b.影響：接続の断線、短絡、およびプロトタイプの20％の故障。
c.解決策：
   機械的な位置決めピンの代わりに、光学アライメントシステム（±2μmの精度）を使用します。
   完全な製造の前に、小さなテストパネルを事前にラミネートしてアライメントを検証します。
   セットアップコストを削減するために、小さなバッチを単一のパネルにまとめます。
2. 材料の不整合
a.原因：サプライヤーからの誘電率（Dk）または銅厚さの変動。プリプレグの吸湿。
b.影響：信号損失（28GHzで25％高い）、不均一なエッチング、および弱い層の接着。

c.解決策：
   Dk許容差が厳しい（±5％）ISO 9001認証サプライヤー（例：Rogers、Isola）から材料を調達します。
   入荷材料をテストします。ネットワークアナライザーでDkを測定し、マイクロメーターで銅の厚さを確認します。
   セットアップコストを削減するために、小さなバッチを単一のパネルにまとめます。
3. テストの可視性の制限
a.原因：内層は目視検査から隠されています。マイクロビアは手動プロービングには小さすぎます。
b.影響：最終アセンブリまで、内層欠陥（例：ショート）の30％が検出されません。

c.解決策：
   内層とビアにX線検査を使用します。5μmのボイドを検出します。
   電気的連続性のフライングプローブテストを実装します。1分あたり1,000以上のポイントをテストします。
   セットアップコストを削減するために、小さなバッチを単一のパネルにまとめます。
4. コストと時間の制約
a.原因：多層プロトタイプには、特殊なツール（レーザー穴あけ、X線マシン）が必要です。少量バッチ（10〜50ユニット）は、ユニットあたりのコストを増加させます。
b.影響：プロトタイピングのコストは、標準PCBよりも3〜5倍高くなります。リードタイムは2〜3週間に延長されます。

c.解決策：
   初期のプロトタイプを簡素化します。6層ではなく4層を使用します。可能であれば、マイクロビアを避けます。
   リードタイムを短縮するために、「クイックターン」プロトタイピング（5〜7日）を提供するメーカーと提携します。
   セットアップコストを削減するために、小さなバッチを単一のパネルにまとめます。
LT CIRCUITの多層PCB製造における専門知識
LT CIRCUITは、高度な技術とプロセス制御により、製造およびプロトタイピングの課題に対応し、高信頼性アプリケーションの信頼できるパートナーとなっています。
1. 高度な製造設備

 a.レーザー穴あけ：0.05〜0.2mmのマイクロビアにUVレーザー穴あけを使用し、製造時間を40％短縮し、ビア欠陥を35％削減します。
 b.自動ラミネーション：光学アライメントシステム（±2μm）は、層の精度を保証します。真空プレスは、気泡を除去します。
 c.AOI + X線統合：基板の100％がAOI（表面欠陥）およびX線（内層）テストを受け、欠陥を「<1％」に削減します。
2. プロトタイピングソリューション
 a.迅速な反復：4〜12層基板の5〜7日間のクイックターンプロトタイピングを提供し、アライメントまたは材料の問題を早期に検出するためのオンライン設計チェックを行います。
 b.材料の柔軟性：FR4、Rogers、およびポリイミド材料を在庫し、供給遅延を回避します。独自のニーズ（例：フレキシブル多層PCB）に合わせてスタックアップをカスタマイズします。 c.デバッグサポート：エンジニアがプロトタイプの問題を特定して修正するのに役立つ詳細なテストレポート（X線画像、フライングプローブデータ）を提供します。

3. 品質認証
LT CIRCUITは、以下を含む多層PCBのグローバルスタンダードを満たしています。
 a.ISO 9001：2015（品質管理）。
 b.IPC-6012C（多層PCBの性能仕様）。

 c.UL 94 V-0（消費者/産業用難燃性）。
 d.IATF 16949（EV/ADAS用の自動車グレードPCB）。

多層PCB製造に関するFAQ
Q：ほとんどの多層PCBには何層ありますか？
A：商用アプリケーションでは、通常4〜12層を使用します。スマートフォンは6〜8層を使用し、5G基地局とEVインバータは10〜12層を使用し、航空宇宙システムは20層以上を使用する場合があります。
Q：多層PCBが単層PCBよりも高価なのはなぜですか？

A：より多くの材料（銅、プリプレグ）、特殊な機器（レーザー穴あけ、X線マシン）、および労力（精密アライメント、テスト）が必要であり、単層基板よりも3〜5倍のコストがかかります。ただし、その小型化と優れた性能により、多くの場合、総システムコストが削減されます。
Q：多層PCBは柔軟ですか？
A：はい。フレキシブル多層PCBは、ポリイミド基板と薄い銅（1oz）を使用しており、0.5mmという小さな曲げ半径を可能にします。ウェアラブル（スマートウォッチ）や折りたたみ式携帯電話でよく使用されます。

Q：設計に適した層数をどのように選択すればよいですか？
A：この経験則を使用します。

1.4層：低電力、低速設計（例：IoTセンサー）。
2.6〜8層：高速（10〜25Gbps）または中電力（5〜10A）設計（例：スマートフォン、産業用コントローラー）。

3.10層以上：高電力（10A以上）または高周波（28GHz以上）設計（例：EVインバータ、5G基地局）。
Q：多層PCBの最大動作温度は？

A：基板によって異なります。
1.FR4（Tg 170°C）：130〜150°Cの連続動作。
2.Rogers RO4350（Tg 280°C）：180〜200°Cの連続動作。

3.ポリイミド：-55°C〜200°C（フレキシブル設計）。
結論

多層PCB製造は、設計の複雑さ、材料科学、およびプロセス制御のバランスをとる精密な技術です。スタックアップ設計から最終テストまで、各ステップには細部への注意が必要です。特に、5GやEVなどの高速、高電力アプリケーションの場合。プロトタイピングの課題（ミスアライメント、隠れた欠陥）は、高度なツール（レーザー穴あけ、X線検査）とLT CIRCUITのような経験豊富なパートナーによって克服できます。
エレクトロニクスが縮小を続け、より多くの性能が求められるにつれて、多層PCBは不可欠であり続けます。製造プロセスとベストプラクティスを理解することにより、エンジニアは、コストとリードタイムを抑制しながら、より小型で高速かつ信頼性の高い基板を設計できます。プロトタイプを構築している場合でも、生産にスケールアップしている場合でも、高品質の多層PCBへの投資は、製品の成功への投資です。