硬い PCB の 製造: 材料,プロセス,産業 基準

リジッドプリント基板（PCB）は、スマートフォンやラップトップから産業機械、医療機器まで、ほぼすべての電子デバイスのバックボーンを形成しています。フレキシブルPCBとは異なり、リジッドPCBは固定された形状を維持し、コンポーネントの構造的安定性を提供し、固定用途での信頼性の高い性能を保証します。リジッドPCBの製造は、材料の選択から最終試験まで、厳格な業界標準によって管理された一連の精密な手順を含みます。このガイドでは、リジッドPCB製造を定義する主要な材料、プロセス、および標準について説明し、これらの要素が性能、コスト、および信頼性にどのように影響するかについての洞察を提供します。

リジッドPCB製造における主要材料
リジッドPCBの性能は、基本的に、基板、銅箔、および保護層を含むその主要材料によって決定されます。各材料は、熱抵抗、電気的性能、およびコストに関するアプリケーションの要件に基づいて選択されます。

1. 基板材料
基板はPCBの剛性のある基盤を形成し、機械的サポートと銅層間の電気絶縁を提供します。最も一般的な基板は次のとおりです。

a. FR-4の優位性：ガラス繊維強化エポキシ（FR-4）は業界標準であり、リジッドPCBの約90％を占めています。コスト、強度、および加工性のバランスにより、ほとんどの用途に最適です。
b. 高Tgバリアント：130℃を超える環境（フード下の自動車システムなど）で使用され、標準FR-4が軟化または剥離する可能性があります。
c. 特殊基板：アルミニウムコアPCBは放熱性に優れており、ポリイミド基板は宇宙や産業用オーブンなどの極端な条件下でのみ使用されます。

2. 銅箔
銅箔は、電気信号を伝送する導電性トレースを形成します。その厚さと表面処理は性能に影響を与えます。
   a. 厚さ：0.5オンス（17μm）から6オンス（203μm）の範囲です。厚い銅（2～6オンス）は、高電流を処理するためにパワーPCBで使用され、0.5～1オンスは信号トレースの標準です。
  b. 表面処理：
      標準（STD）銅：一般的な用途向けの中程度の粗さ（Rz = 1.5～3.0μm）のマット仕上げ。
極低プロファイル（VLP）銅：高周波設計（>1GHz）での信号損失を最小限に抑えるための超平滑（Rz <1.0μm）。      逆処理（RT）銅：多層PCBで使用される、接着性を向上させるための平滑な誘電体対向面。3. 保護層
   a. ソルダーマスク：アセンブリ中のソルダーブリッジを防ぐために銅トレースに塗布されるポリマーコーティング。一般的なタイプには、液体フォトリソグラフィー（LPI）とドライフィルムがあり、緑色（標準）、黒色、または白色（高コントラスト検査用）で利用できます。

   b. シルクスクリーン：コンポーネント、テストポイント、および極性マーカーにラベルを付けるエポキシインクの印刷層で、アセンブリとトラブルシューティングを支援します。
リジッドPCB製造プロセス
リジッドPCB製造には20以上の手順が含まれますが、プロセスは6つの主要なフェーズに分割でき、それぞれが品質と性能を確保するために重要です。

1. 設計とガーバーファイルの準備
  a. CAD設計：エンジニアはPCB設計ソフトウェア（Altium、KiCad）を使用してレイアウトを作成し、トレースルーティング、コンポーネント配置、およびレイヤースタックアップを定義します。
  b. ガーバーファイル：設計データは、トレース幅、ドリルサイズ、およびソルダーマスクレイヤーなどの詳細を含む、製造用のガーバー形式（業界標準）に変換されます。
  c. DFMチェック：設計製造性（DFM）ソフトウェアは、過度に狭いトレース、不十分なクリアランス、または非標準のドリルサイズなどの問題を特定し、製造エラーを削減します。
2. 基板の準備と銅クラッディング
  a. 切断：大きな基板シート（通常18インチx24インチ）は、精密な鋸を使用して目的のPCBサイズに切断されます。

  b. クリーニング：基板はアルカリ溶液で洗浄され、油や汚染物質を除去し、銅の強力な接着を確保します。
  c. クラッディング：銅箔は、熱（180～200℃）と圧力（20～30 kgf/cm²）を使用して、基板の片側または両側に接着されます。多層PCBには、各レイヤーに追加のラミネーション手順が必要です。
3. パターニングとエッチング
  a. フォトレジスト塗布：感光性フォトレジストは、スプレーまたは浸漬を介して銅クラッド基板に塗布されます。

  b. 露光：基板はフォトマスクを通してUV光に露光され、トレースパターンがフォトレジストに転送されます。
  c. 現像：未硬化のフォトレジストが洗い流され、保護された銅トレースが残ります。
  d. エッチング：露出した銅は酸性エッチャント（塩化第二鉄または塩化第二銅）を使用して溶解され、目的のトレースパターンが残ります。
  e. ストリッピング：残りのフォトレジストは溶剤で除去され、銅トレースが明らかになります。
4. ドリルとメッキ
  a. ドリル：スルーホールコンポーネント、ビア、および取り付けハードウェア用の穴は、カーバイドまたはダイヤモンドチップビットを備えたCNCマシンを使用してドリル加工されます。高密度PCB用のマイクロビア（<0.15mm）は、レーザーを使用して作成されます。

  b. バリ取り：穴は、短絡を防ぐために銅と基板のバリを除去するために洗浄されます。
  c. メッキ：薄い銅層（5～10μm）が穴壁に電気メッキされ、層を電気的に接続します。多層PCBは、より良いカバレッジのために無電解銅メッキを使用することもあります。5. ソルダーマスクとシルクスクリーンの塗布
  a. ソルダーマスク印刷：ソルダーマスクは塗布され、UV光で硬化され、銅パッドとビアが露出したままになります。
  b. シルクスクリーン印刷：コンポーネントラベルとマーカーはエポキシインクを使用して印刷され、150℃で硬化して耐久性を確保します。

6. テストと最終検査
  a. 電気テスト：
    導通テスト：すべてのトレースが設計どおりに電気を伝導することを確認します。

    Hi-Potテスト：高電圧（500～1000V）を印加して、トレース間の絶縁破壊を確認します。
  b. 目視検査：自動光学検査（AOI）システムは、ソルダーマスクの欠落、トレースのずれ、またはドリルエラーなどの欠陥を確認します。
  c. 機能テスト：複雑なPCBの場合、機能テストは実際の動作をシミュレートして、コンポーネントが正しく連携して動作することを確認します。
リジッドPCBの業界標準
リジッドPCB製造は、メーカー全体で一貫性、信頼性、および安全性を確保するグローバルな標準によって管理されています。主な標準には以下が含まれます。
1. IPC規格（電子工業会）

    a. IPC-A-600：PCB製造の許容基準を定義し、銅、ソルダーマスク、およびラミネーションの許容欠陥を含みます。
    b. IPC-2221：トレース幅、間隔、および穴のサイズのガイドラインを含む、プリント基板の設計標準を提供します。
    c. IPC-J-STD-001：はんだ付けプロセスの要件を指定し、強力で信頼性の高い接合を保証します。
2. UL認証（Underwriters Laboratories）
    a. UL 94：PCB材料の可燃性をテストし、V-0（最高の耐性）などの評価により、PCBが火災の場合に炎を伝播しないことを保証します。
    b. UL 796：PCB構造を認証し、電気機器の安全基準への準拠を保証します。

3. RoHSおよびREACH（環境基準）
   a. RoHS：PCB内の有害物質（鉛、水銀、カドミウム）を制限し、鉛フリーはんだと準拠材料を要求します。
   b. REACH：製造に使用される化学物質を規制し、PCB材料が人の健康と環境に安全であることを保証します。

比較分析：単層対多層リジッドPCB
機能
単層PCB

多層PCB（4～8層）

  b. 自動化：AI駆動の検査システムとロボットアセンブリは、人的エラーを減らし、歩留まりと一貫性を向上させます。
  c. 持続可能性：水性エッチャント、リサイクル銅、およびバイオベースの基板は、製造の環境への影響を軽減しています。
  d. 付加製造：3Dプリントされた導電性トレースは、迅速なプロトタイピングのためにテストされており、より速い設計反復を可能にします。
FAQ
Q：リジッドPCB製造の一般的なリードタイムはどれくらいですか？
A：リードタイムは、単純な単層PCBの場合は2～5日、多層（4～8層）設計の場合は5～10日です。複雑なHDI PCBの場合は10～15日かかる場合があります。

Q：リジッドPCBの製造コストはどれくらいですか？
A：コストは、サイズ、層数、および量によって異なります。単層PCBはユニットあたり（1～)5から始まり（大量生産）、8層HDI PCBはユニットあたり（50～)100+かかる場合があります（少量生産）。
Q：リジッドPCBの最大サイズはどれくらいですか？

A：標準的な生産ラインは最大24インチx36インチのPCBを処理しますが、カスタムメーカーは産業用途向けに（最大48インチx60インチ）の大きな基板を製造できます。
Q：リジッドPCBはリサイクルできますか？

A：はい、リジッドPCBには、リサイクルできる貴重な銅（重量の15～20％）が含まれています。専門施設では、ハイエンドエレクトロニクスで使用されるPCBから貴金属も回収しています。
Q：製造におけるFR-4と高Tg FR4の違いは何ですか？

A：高Tg FR4は、標準FR4の150～170℃と比較して、より高いラミネーション温度（180～200℃）とより長い硬化時間を必要とし、その高いガラス転移温度を達成し、製造コストをわずかに増加させます。
結論

リジッドPCB製造は、信頼性の高い電子部品を製造するために、材料科学、エンジニアリング設計、および品質管理のバランスをとる精密（精密駆動）プロセスです。消費者向けデバイスのFR-4基板の選択から、高出力アプリケーションのアルミニウムコア材料まで、すべての選択が性能とコストに影響を与えます。IPC-A-600やRoHSなどの規格を遵守することにより、メーカーはリジッドPCBが安全性、信頼性、および環境責任に関するグローバルな要件を満たしていることを保証します。
エレクトロニクスが進化し続け、小型化、高速化、高性能化が進むにつれて、リジッドPCB製造は、新たな需要に対応するために新しい材料とプロセスを組み込みながら適応していきます。スマートフォン、医療機器、産業機械のいずれにおいても、リジッドPCBは、コンポーネントを接続し、イノベーションを可能にする、現代のテクノロジーに不可欠な存在であり続けています。

重要なポイント：リジッドPCB製造は、芸術と科学の融合であり、材料の選択、精密なプロセス、および規格の遵守が組み合わさって、電子システムの基盤を形成します。これらの要素を理解することは、性能、コスト、および信頼性の目標を達成するPCBを設計および製造するために不可欠です。