PCB の 基本 概念: 印刷 回路 板 と その 働き は 何 です か

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プリントサーキットボード（PCB）は、ポケットの中のスマートフォンから自動運転車のレーダーまで、あらゆる最新の電子デバイスのunsungバックボーンです。これらの平らな階層化されたボードは、乱雑なワイヤーを正確な銅の痕跡に置き換え、コンポーネントを整理し、信頼できる電気接続を確保します。 PCBがなければ、今日の小型化された高性能エレクトロニクスは不可能です。何百ものゆるいワイヤーを備えたスマートフォン、または絡み合った接続のために失敗する医療モニターを想像してください。

グローバルエレクトロニクス業界が成長するにつれて、PCBの需​​要も成長します。世界のPCB市場は、電気自動車（EV）（従来の車よりも3〜5倍多くのPCBを使用し、5G、IoT、およびウェアラブルテクノロジーの上昇）を使用して、2025年の842億4,000万ドルから2030億ドルに拡大すると予測されています。このガイドは、PCBのコアコンセプト、それらが何であるか、それらの構造、主要なコンポーネント、アプリケーション、およびそれらが毎日依存しているデバイスにどのように動作するかを分解します。あなたがDIYプロジェクトを構築する愛好家であろうと、産業機器を設計するエンジニアであろうと、これらの基本を理解することで、PCBをより効果的に操作するのに役立ちます。

キーテイクアウト
1.定義：PCBは、電子コンポーネントを接続し、かさばるワイヤを交換し、小型化を可能にする導電性銅トレースを使用する層状ボードです。
2.タイプ：PCBは、複雑さ（片面、両面、多層）と信頼性（おもちゃのクラス1、医療/航空宇宙装置のクラス3）によって分類されます。
3.構造：コア層には、基質（例えば、FR4）、銅の痕跡、はんだマスク（保護コーティング）、およびシルクスクリーン（ラベル）が含まれます。
4.材料：FR4は、ほとんどの電子機器の標準基板です。柔軟なPCBはポリイミドを使用しますが、高周波設計はPTFEに依存しています。
5.アプリケーション：PCBS電力消費者ガジェット、EV、医療機器、航空宇宙システム - 各業界のニーズに合わせて特別な設計。
6.コストと効率：多層PCBはコストがかかりますが、スペースを節約します。大量生産により、ユニットごとのコストが30〜50％削減されます。

PCBとは何ですか？定義、目的、および分類
プリント回路基板（PCB）は、銅層にエッチングされた導電性経路（「トレース」と呼ばれる）を使用して電子コンポーネントを機械的にサポートおよび電気的に接続する剛性または柔軟なボードです。古い「ポイントツーポイント」配線（ゆるいワイヤを使用して部品をリンクする）とは異なり、PCBはコンパクトで耐久性があり、大量生産しやすいです。

PCBの中核目的
PCBは、電子機器の3つの重要な問題を解決します。

1.最小化：銅の痕跡（0.1mmの薄い）デザイナーは、クレジットカード（スマートフォンのメインPCBなど）よりも小さいボードに何百ものコンポーネントをフィットさせます。
2.信頼性：固定されたトレースは緩い接続を排除し、有線回路と比較して故障率を70％削減します。
3.製造可能性：自動アセンブリ（ピックアンドプレイスマシン）は、1時間あたり1,000個以上のPCBを入力でき、手頃な価格で生産できるようになります。

PCB分類：信頼性と複雑さによる
PCBは、意図した使用（信頼性）と層カウント（複雑さ）に基づいてカテゴリにグループ化されます。これは、デザイナーとメーカーにとって2つの重要な要因です。
1。信頼性クラス（IPC標準）
IPC（Association Electronics Industries）は、PCBがデバイス機能にとってどれほど重要かに基づいて3つのクラスを定義します。

例：ペースメーカーのクラス3 PCBは、障害を回避するために厳格なテスト（1,000以上の熱サイクルなど）を満たす必要がありますが、おもちゃのクラス1 PCBには基本的な機能のみが必要です。

2。複雑なクラス（レイヤーカウント）
レイヤーカウントは、PCBがサポートできる導電性パスの数を決定します。より多くのレイヤーは、より多くのコンポーネントとより高速な信号を意味します。

トレンド：多層PCB（6〜12レイヤー）がスマートフォンとEVで標準になりました。AppleのiPhone 15は、8層PCBを使用して5NMプロセッサと5Gモデムをスリムなデザインに使用します。

PCB対PCBA：違いは何ですか？
混乱の一般的な原因は、PCBとPCBA（印刷回路基板アセンブリ）の区別です。

A.PCB：「裸のボード」 - コンポーネントが付いていない層状構造（基板、銅、はんだマスク）のみです。
B.PCBA：完成品 - 競争相手（抵抗器、ICS、コネクタ）はPCBにはんだ付けされており、機能的になります。

例：メーカーは荷物PCBを愛好家に販売する可能性がありますが、スマートフォン工場はデバイスにインストールする準備ができているPCBAを購入します。

PCB構造：層と材料
PCBのパフォーマンスは、その層状設計と各レイヤーに使用される材料に依存します。小さな変化（例えば、より厚い基質）でさえ、耐久性、信号速度、耐熱性に影響を与える可能性があります。

標準PCBの4つのコアレイヤー
ほとんどの剛性PCB（たとえば、FR4ベース）には4つの重要な層がありますが、柔軟なまたは多層設計では、特定のニーズに余分なレイヤーが追加されます。

高度なPCBのオプションのレイヤー：

A.力/地上飛行機：電力を分配してノイズを減らす内側の銅層（多層PCB） - 高速設計のために重要。
b。節vias：熱を熱い成分（IC）から内層またはヒートシンクに伝達する銅で満たされた穴。

重要なPCB材料：適切な材料を選択する方法
材料の選択は、PCBのユースケースに依存します。EG、柔軟なスマートウォッチバンドは、高温のEVインバーターとは異なる基板を必要とします。以下は、最も一般的な材料の比較です。

批判的な考慮事項：高周波設計（例えば、5g mmwave）の場合、PTFEの低い誘電損失（df = 0.0002）は信号減衰を最小限に抑えます。

必須のPCBコンポーネント：彼らが何をし、なぜ重要なのか
PCBは、コンポーネントがはんだ付けされている場合にのみ機能します。各コンポーネントには、電流の制御から処理データまで特定の役割があります。以下は、最も一般的なコンポーネントとその機能です。
一般的なPCBコンポーネントとその役割

例：ワイヤレスイヤホンでは、ICがオーディオ信号をプロセスし、コンデンサがバッテリーからのパワーを滑らかにし、抵抗器はスピーカーを過電流から保護します。

コンポーネントがどのように連携するか
コンポーネントは、特定のタスクを実行するために回路（シリーズ、平行、または混合）に配置されています。例えば：

A.力回路：バッテリー供給電圧→ダイオードは逆電流→コンデンサフィルターノイズを防止します→抵抗器はLEDの電流を制限します。
B.シグナル回路：センサーは光を検出します→トランジスタは信号を増幅します→ICプロセスデータ→コネクタは結果をディスプレイに送信します。

このコラボレーションにより、PCBが単一のまとまりのあるシステムとして機能することが保証されます。必要はありません。

PCBアプリケーション：それらが使用されている場所（およびなぜ）
PCBはどこにでもありますが、その設計は業界によって劇的に異なります。おもちゃのPCBには、衛星で使用されるものの耐久性のどれも必要ありません。また、スマートウォッチ用の柔軟なPCBは、EVインバーターの熱を処理できません。
1。家電：最大の市場
消費者ガジェットは、パフォーマンスと手頃な価格のバランスをとる、小規模で低コストのPCBに依存しています。重要なアプリケーションには次のものがあります。

A.SmartPhones：5Gモデム、プロセッサ、カメラに適合する小さなトレース（0.1mm）の6〜12レイヤーPCB。
B.wearables：スマートウォッチまたはフィットネスバンドで曲がる柔軟なポリイミドPCB-Apple Watchは、4層の柔軟なPCBをストラップに使用します。
C.HOMEアプライアンス：冷蔵庫（制御温度）およびマイクロ波（電力管理）の単一または両面FR4 PCB。

市場データ：13億ユニットの年間スマートフォン販売によって駆動される、世界のPCB需要の40％を家電化します。

2。自動車：EVSとADASが成長を促進します
自動車はこれまで以上に多くのPCBを使用しています。伝統的な氷（内燃焼エンジン）車には50〜100のPCBがあり、EVには300〜500があります。重要な自動車PCBアプリケーション：

A.Adas（高度なドライバーアシスタンスシステム）：レーダー（77GHz）およびLidarシステムの多層PCB-Teslaのオートパイロットは、正確なオブジェクト検出のために8層のB.PCBを使用します。
C.EVバッテリー管理システム（BMS）：400V DCを処理し、バッテリーセルから熱を放散する厚いコッパー（2オンス+）PCB。
インフォテインメント：タッチスクリーンとBluetooth接続用の両面PCB。

主な要件：自動車PCBは、-40°Cから125°C温度と振動（20g+）に耐える必要があります。

3。医療機器：安全性と精度
医療PCBはクラス3（安全性が批判的）であり、生体適合性、不妊、および信頼性が必要です。一般的な用途：

A.インプラントアブル：ペースメーカーおよび神経刺激剤の柔軟なポリイミドPCB-生体適合性と耐性体液に耐える。
b.diagnostics：超音波マシンおよび血液分析装置の多層PCB - 低雑音設計により、正確な測定値が保証されます。
C.wearables：心拍数モニターの柔軟なPCBは、体に準拠し、汗に抵抗します。

コンプライアンス：医療PCBはISO 13485の基準を満たし、厳密なテストを受けます（例えば、滅菌のための1,000以上のオートクレーブサイクル）。

4。航空宇宙と防御：極端な耐久性
航空宇宙PCBは、過酷な環境（放射線、真空、極端な温度）で動作し、フェイルセーフでなければなりません。アプリケーションは次のとおりです。

A.Satellites：放射線（100krad）に抵抗し、-55°Cから125°Cで動作するPTFEおよびセラミックPCB。
B.軍事航空機：レーダーおよびナビゲーションシステムの多層PCB-銃撃振動（100g）および燃料曝露に耐えます。
C.Missiles：ターゲティングシステムをガイドする高周波PCB -PTFE基板は、100GHzでの信号損失を最小限に抑えます。

テスト：航空宇宙PCBは、熱サイクリング、振動、および放射のためのMIL-STD-883H（軍事基準）を通過します。

PCBの仕組み：電気接続と信号の流れ
PCBの仕事は、干渉や損失なしにコンポーネント間で電気信号と電力を移動することです。これは、3つの重要な設計原則に依存しています。
1。トレースルーティング：信号の「道路」
銅の痕跡は、信号と電力を運ぶ「道路」です。デザイナーはルーティングを最適化します。

a.minimizeの長さ：短いトレースは信号遅延を減らします - 高速設計のために批判的です（たとえば、5Gはトレース<5cmを使用してレイテンシーを回避します）。
B.Avoid Crossovers：片面PCBでは、トレースは交差できません（短い）ため、両面/多層PCBはVIAS（穴）を使用してレイヤー間を「ジャンプ」します。
C.コントロール幅：より広いトレースはより多くの電流を運びます - 1mm幅、1オンスの銅トレースは〜10aを処理し、0.2mmトレースは〜2a（IPC-2221標準）を処理します。

例：5GスマートフォンのPCBは、信号パスに0.15mmのトレースと電力に1mmの幅のトレース（バッテリーからIC）を使用します。

2。インピーダンスマッチング：信号を明確に保つ
インピーダンス（AC信号に対する抵抗）は、信号反射を防ぐためにトレース全体で一貫している必要があります。ほとんどのPCBは、シングルエンド信号（例えば、USB）に50Ωインピーダンスを使用し、差動ペア（例えば、イーサネット）に100Ωを使用します。不一致のインピーダンスの原因：

A.シグナル損失：10％のインピーダンスの不一致（50Ωではなく55Ω）は、信号の10％を反映して範囲を削減します。
B.Noise：反射信号は他のトレースに干渉し、オーディオまたはデータに不具合を引き起こします。

マッチングの実現方法：トレース幅と基質の厚さを調整します-EG、厚さ0.1mmのFR4 =50Ωインピーダンスで0.15mm幅のトレース。

3。接地と騒音の低減
接地は、信号を破壊する可能性のある電磁干渉（EMI）を減らすために重要です。 PCBの使用：

A.Ground Planes：ノイズを吸収する「シールド」として機能する固体銅層（多層PCB）。
B.Single-Pointの接地：すべての地上接続は、「グランドループ」（ノイズを作成する）を避けるために、ある時点で満たされます。
c.デコンリングコンデンサ：電力ノイズをフィルタリングするためにICSの近くに配置されます。0.1μFコンデンサは、ほとんどの設計に標準です。

結果：適切に接地されたPCBのEMIは50％少なく、医療モニターなどの機密デバイスに適しています。

PCBに関するFAQ：一般的な質問に答えます
Q1：剛性と柔軟なPCBの違いは何ですか？
A：リジッドPCB（FR4ベース）は硬く、ラップトップなどのデバイスで使用されています。柔軟なPCB（ポリイミドベース）の曲がりと折りたたみ - ウェアラブルまたは折りたたみ式の携帯電話用のideal。リジッドフレックスPCBは両方を組み合わせます（たとえば、スマートウォッチPCBと剛性のコアと柔軟なストラップ）。

Q2：適切なPCB材料を選択するにはどうすればよいですか？
A：このチェックリストに従ってください：

1.アプリケーション：柔軟ですか？ポリイミドを使用します。高頻度？ PTFEを使用します。
2.環境：hot（evs）？ High-TG FR4を使用します。滅菌（医療）？生体適合性ポリイミドを使用します。
3.コスト：予算？ FR4を使用します。プレミアム？ PTFEまたはセラミックを使用します。

Q3：複雑なデバイスで多層PCBが優れているのはなぜですか？
A：多層PCB：

A.Saveスペース（6層PCB = 1/3同じコンポーネントを持つ片面PCBのサイズ）。
b.Reduceノイズ（個別の電力/地上飛行機）。
c。より高速な信号（より短いトレース、制御インピーダンス）をサポートします。

Q4：PCBはリサイクルできますか？
A：はい - 特別な施設は、化学プロセスまたは機械的プロセスを使用して、銅（PCBの重量の40〜60％）と貴金属（金、銀）を回収します。リサイクルは電子廃棄物を削減し、原材料コストを削減します。

Q5：PCBを設計するにはどのツールが必要ですか？
A：初心者向け：KicadやEasyedaなどの無料ツール（簡単なプロジェクトに最適）。専門家の場合：Altium DesignerまたはCadence Allegro（多層、高周波設計をハンドル）。ほとんどのツールには、回路図キャプチャ（描画回路）とレイアウト（コンポーネント/トレースを配置）が含まれます。

結論
PCBは、最新の電子機器の基盤であり、当然と考えている小型化、信頼性、効率を可能にします。子供のおもちゃから火星のローバーまで、そのデザイン（レイヤー、材料、コンポーネント）が各アプリケーションのユニークなニーズを満たすために適応します。 PCBコアの概念を理解する - それらがどのように構造化されているか、使用する材料、およびコンポーネントがどのように連携するかは、電子デバイスをより効果的に設計、構築、または修理することを強要します。

テクノロジーが進歩すると（6G、AI、量子コンピューティング）、PCBも進化します。微量、より多くの層、新しい材料（より速い信号のためのグラフェンなど）は、可能なことの限界を押し上げます。あなたが愛好家であろうとエンジニアであろうと、これらの基本に精通し続けることは、あなたがペースの速い電子機器の世界に追いつくのに役立ちます。

メーカーとデザイナーの場合、経験豊富なPCBサプライヤー（LTサーキットなど）と提携することで、ボードが業界の基準とパフォーマンス要件を満たすことが保証されます。適切なPCBを使用すると、最も複雑な電子アイデアを機能的で信頼できる製品に変えることができます。