多層基板設計: 総合ガイド

多層基板とは何ですか?

多層基板は 2 層以上のプリント回路基板で、3 層以上の導電性銅箔層で構成されています。多層 PCB は標準的な電気基板で、上層と下層は両面 PCB に似ていますが、コアの両側に追加の層があります。両面回路基板の複数の層は、間に耐熱絶縁層を挟んで積層され、接着されています。アクティブ コンポーネントとパッシブ コンポーネントは多層基板の上層と下層に配置され、内側の積層層はルーティングに使用されます。内側の層には、メッキ スルーホール、ブラインド ビア、埋め込みビアなどのビアと、それらの間のすべての電気接続が含まれます。

これらの内部スタック層は、スルーホール (THT) 電子部品と表面実装部品 (SMD) の両方をこのタイプの PCB のどちらの面にもはんだ付けできるように配置されています。この技術を適用することで、さまざまな複雑さとサイズの PCB が実現します。多層基板 は最大 40 層にすることができます。

多層基板 が広く使用されているのはなぜですか?

多層プリント基板の需要は増加しています。電子機器の小型化、高速化、高性能化の要求により、多層基板の人気が高まっています。多層基板を作成できることにより、可能性の世界が広がり、エンジニアはより高密度の基板を構築して小型化を促進できます。多層基板 はより多くの電子部品を収容できるため、現代の電気製品で広く使用されており、4 層から 40 層までのバリエーションがあります。

一般的な 4 層スタックアップでは、電磁両立性 (EMI) 性能を向上させるために、信号層をグランド プレーンに近づける必要があります。信号トレースとグランド プレーン間の密接な結合により、通常、プレーン インピーダンス、コモン モード放射、トレース間のクロストークが減少します。層数が増えると、PCBボードには薄い誘電体が必要になり、層間の密接な結合が自動的に発生します。これらのスタックアップは、高速電子機器で EMI 性能と信号整合性を向上させるためによく使用されます。

内層を増やすことで、家電製品、通信、など、幅広い業界でコンパクトな設計、軽量生産、耐久性、柔軟性を実現できます。スマート デバイスなどのアプリケーションでは 4 ～ 8 層が必要ですが、スマートフォンでは最大 12 層を使用できます。

多層基板の利点

多層基板 の設計プロセスは複雑で専門知識が必要ですが、現代の高度な電子機器や電気製品で広く使用されているいくつかの利点があります。多層プリント回路基板の利点は次のとおりです。

フォーム ファクターの縮小: 多層基板 は、階層化された設計のため、同じ機能を持つ他の PCB よりもコンパクトです。スマートフォン、ラップトップ、タブレット、ウェアラブルなどの小型でコンパクトでありながらより強力なガジェットが新しいトレンドをリードしているため、多層基板 は現代の電子機器に大きな利点をもたらします。

軽量構造: 小型の PCB は重量が軽く、複数の積層層と電子部品が整然と配置されているため、複雑な電子アプリケーションのためのスペースが広く確保されます。多層基板は重量を軽減するように設計されており、ウェアラブル スマート デバイスに利用できます。

高品質: 多層基板 の作成に投入された技術の進歩、研究、開発により、これらのタイプの PCB は、品質の面で片面および両面基板 よりも優れているのが一般的です。プリント回路基板のコンパクトなフォーム ファクタで多機能性を実現するために、設計および製造プロセスに多大な労力が費やされています。

より耐久性が高い: このプリント回路基板は、より大きな重量に耐えられるように設計されており、層を結合するための圧力にも耐えることができます。多層基板 は、アプリケーションに応じて調整できる柔軟性があり、完全な再設計を必要としません。

ノイズの低減: アンテナ、高速、高周波信号トラックを含む RF (無線周波数) 設計には、優れた接地シールドが必要です。多層基板 を使用すると、ユーザーは接地プレーンと電源プレーンを別々に配置できるため、RF コンポーネントはより優れた接地シールドを受けることができ、回路インピーダンスが低減し、シールド効果が高まります。

より優れた放熱性: 電子機器における効果的な放熱性に対する需要が高いため、多層基板は金属コア放熱層を使用して設計され、シールド、放熱、およびその他の特徴的な機能のニーズを満たすことができます。

単一接続ポイント: 多層基板は、他の PCB コンポーネントと連動するのではなく、統合されたユニットとして機能するように設計されています。そのため、多数の単層基板 を使用する場合に必要な複数の接続ポイントではなく、単一の接続ポイントを備えています。

多層基板 の欠点:

多層基板 の使用には多くの利点がありますが、製造および設計プロセスの欠点も認識しておく必要があります。多層基板 の欠点を次に示します。

より高価: 設計と製造プロセスが複雑なため、多層回路基板は単層回路基板よりも高価です。労働量が増え、高度な設計が必要になり、高価な組み立て機械も必要になります。

複雑な設計プロセス: 多層基板 は製造がより難しく、追加の設計時間が必要です。設計者は多数の設計ルールに従う必要があり、製造技術は他の PCB タイプに比べてより細心の注意が必要です。

リードタイムの​​延長: 各ボードの製造にかなりの時間を要するため、人件費が高くなります。さらに、多層ボードの製造プロセスは非常に複雑です。

必要なドメイン専門知識: 設計プロセスにはいくつかの課題があるため、マルチレイヤー PCB では CAD ツールの専門知識と設計ルール チェックの理解が必要です。

メンテナンスは難しい場合があります。多層プリント基板に欠陥が発生した場合、修復は困難です。特定の内部層は外部から見えない場合があり、コンポーネントまたは物理基板の損傷の原因を特定することがより困難になります。

入手の制限: 多層基板 の大きな課題の 1 つは、製造に必要な機器のコストです。すべての PCBメーカーがこの機器の資金や需要を持っているわけではないため、入手が制限されます。

多層基板の用途

多層基板は単層基板 や二層基板 に比べて多くの利点があるため、高密度、高速、高性能が求められるハイエンド電子機器で広く使用されています。多層 基板 が使用されているさまざまな分野の例を以下に示します。

スマートフォン、ウェアラブル、スマートデバイスなどの現代の消費者向け電子機器は、小型フォームファクタと多機能性のため、多層基板 を利用しています。この特徴により、軽量で狭いスペースにも簡単に設置できます。

通信業界: ネットワーク機器や伝送デバイスでは、屋外と屋内の両方の環境に適応できる耐久性と柔軟性があるため、多層基板 が使用されています。一般的な用途としては、GPS、携帯電話中継器、信号送信機などがあります。

医療機器とヘルスケア業界: 医療機器は、治療と診断のために正確な機能を必要とします。多層基板 は、その堅牢な機能により医療分野で使用されています。多層基板 は、CAT スキャン、X 線、心臓モニタリング装置、医療検査装置などの電子アプリケーションのパフォーマンスを向上させます。

耐久性: 耐久性と軽量性は、不可欠な要素です。多層基板は小型基板によるコンパクトな設計を提供し、他のコンポーネントやカスタム機能のためのスペースを確保します。多層基板は、高速回路を必要とする原子力システムなどの用途に不可欠なものとなっています。

自動車や航空宇宙システムは、極限の条件下での精度が求められます。多層 基板は、製品の品質や機能性を損なうことなく、過酷な動作条件に耐えることができます。例としては、車載コンピューター、GPS システム、エンジン センサーなどが挙げられますが、これらはすべて、PCBボードに高いパフォーマンス、スペースの最適化、コンパクトなサイズ、耐熱性を求めています。そのため、多層基板 はこれらの業界の設計者にとって好ましい選択肢となっています。

多層基板は、セキュリティ、IoT (Internet of Things)、家電など、特定のスペースと速度要件を持つさまざまな業界でも活用されています。気象分析装置から原子加速器、光ファイバーセンサー、警報システムまで、幅広い用途で使用されています。

シングル、ダブル、および多層基板では層はどのように積み重ねられていますか?

単層基板では、すべてのコンポーネントが基板の片面に実装されます。2 層 P基板では、コンポーネントが基板の両面に実装されます。多層基板では、複数の層の導電性材料が絶縁層の間に挟まれているため、より複雑な回路と高いコンポーネント密度を実現できます。

通常の PCB は片面と両面のアライメントに分けられ、一般的には片面ボードと両面ボードと呼ばれます。通常、設計には 1 つまたは 2 つの銅導電層があります。ただし、ハイエンドの電子製品では、スペース設計の制約により、コアに複数の銅線が積み重ねられている場合があります。各層の線は、光学機器を使用して順番に製造、配置、およびプレスされます。このプロセスにより、単一のボード上に多数の回路層を積み重ねて、多層回路基板を作成できます。多層回路基板は、2 つ以上の層を持つ回路基板として定義されます。多層基板は、リジッド PCB、フレキシブル PCB、およびリジッドフレキシブル基板 に分類されます。

単層基板 と多層基板 をどのように区別できますか?

PCB タイプを識別するには、以下に示す 2 つの基本的な手順に従います。

1. 光源を使って PCB の断面を観察します。内部のコアが不透明または完全に黒い場合は、多層基板であることを示します。コアが透明な場合は、片面基板または両面基板です。片面基板は、穴の中に銅がないため、簡単に識別できます。

2. 単層基板には 1 層の配線 (銅層) のみがあり、穴には金属化処理がなく、メッキ処理も行われません。対照的に、2 層基板は 2 層の配線 (銅層) で構成され、金属化された穴と金属化されていない穴の両方があり、メッキ処理も行われます。

多層基板ラミネート技術

多層基板(プリント回路基板) ラミネート技術は、電子回路設計における重要な進歩であり、より複雑でコンパクトなデバイスの作成を可能にします。多層基板では、ラミネートと呼ばれる導電性銅と絶縁材料の複数の層が積み重ねられ、結合されています。この構造により、電気接続用の複数のパスが提供され、外部配線への依存が減り、信号の整合性が向上し、複雑な回路と高いコンポーネント密度が実現します。ラミネートは、電気的、熱的、および機械的特性を考慮して慎重に選択されたプリプレグ (樹脂をあらかじめ含浸したもの) とコア材料で構成されています。

これらの材料は、凝集性が高く信頼性の高い多層スタックを形成するために、正確に位置合わせして結合する必要があります。穴あけ、メッキ、エッチングなどの高度な製造プロセスにより、層間にビアと相互接続が作成されます。この技術は、より小型で高速で効率的な電子機器に対する高まる需要に対応しており、通信、自動車、航空宇宙、民生用電子機器など、さまざまな業界で応用されています。技術の進歩に伴い、多層基板は進化を続け、革新的な材料と技術を取り入れてパフォーマンスと機能を強化しています。

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