プリント回路基板（PCB）は現代の電子機器の要であり、電子部品と回路の物理的な基盤を提供します。PCBの部品と製造プロセスを理解することは、エンジニア、設計者、そして電子機器に興味を持つすべての人にとって重要です。

PCB製造プロセス

プリント回路基板（PCB）の製造プロセスは、設計図をプロフェッショナルな基板に変換するために複数の工程を経ます。通常、専門のPCB製造施設で行われるこの複雑なプロセスでは、エッチング、ドリリング、メッキなどの様々な技術が用いられ、高精度を実現するためにコンピュータ数値制御（CNC）技術も統合されています。

銅層は複数回にわたって一連の工程を経ます。感光性フィルムを塗布し、回路パターンを表すマスクを通じて紫外線に曝露され、その後現像されます。このプロセスにより回路パターンが露出し、化学エッチングによって選択的に銅を除去することが可能になります。最終的には銅で表現された回路パターンが完成し、スルーホール部品とビアのための穴が開けられ、銅を保護し導電性を高めるためにメッキが施されます。

製造プロセスの最終段階では、はんだマスクが塗布され、回路を保護し、はんだブリッジの発生を防ぎ、PCB全体の堅牢性を向上させます。さらに、シルクスクリーン層が基板に印刷され、部品識別に必要なラベルとマーキングが提供されます。

PCB製造プロセスに関与するステップ

ステップ1 – 設計のイメージングと印刷

ステップ2 – 基板の作成

ステップ3 – 内層の印刷

ステップ4 – 紫外線照射

ステップ5 – 不要な銅の除去

ステップ6 – 層の位置合わせと検査

ステップ7 – 層の積層と接合

ステップ8 – ドリリング

ステップ9 – PCBメッキ

ステップ10 – 外層イメージング

ステップ11 – スズメッキ

ステップ12 – 最終エッチング

ステップ13 – はんだマスクの塗布

ステップ14 – シルクスクリーン印刷

ステップ15 – 表面仕上げ

ステップ16 – テスト

ステップ16 – 外形加工

ステップ16 – 最終品質検査

ステップ1 – 設計のイメージングと印刷

PCBの印刷は、設計者がGerberファイルを提出した後、製造業者がDFMチェックを実施した後に開始されます。プロッタープリンタと呼ばれる特殊なプリンタを使用してPCBの設計を印刷します。これはPCBの写真フィルムを作成し、基板の詳細と層を表示します。このプロセスでは基板の内層に2色のインクが使用されます。

透明インクは非導電性領域を示します。

黒インクは導電性銅トレースと回路を示します。

外層でも同じ色が使用されますが、意味は逆になります。PCBの各層とはんだマスクには、独自の透明フィルムと黒フィルムシートが用意されます。合計で、2層PCBには4枚のシートが必要です：銅層用2枚、はんだマスク用2枚です。次の工程に進むために、すべてのフィルム層を完全に位置合わせする必要があります。すべてのフィルムを正確に位置合わせするために、レジストレーションホールをすべてのフィルムにパンチする必要があります。これらの穴は、後のイメージングプロセスで予め定義された構造であるレジストレーションピンと位置合わせされます。

ステップ2 – 基板の作成

基板は、構造上の部品を保持する絶縁材料（エポキシ樹脂とガラス繊維）であり、材料をオーブンに通すことで形成を開始します。これはPCBの剛性コアであり、基板上の回路に堅牢性と強度を提供します。

ステップ3 – 内層の印刷

この工程は、実際のPCBの作成を開始するPCB製造プロセスの段階です。プロセスは、基板材料から作られたラミネートボードから成るPCBの基本的な形から始まります。簡単に言えば、これは銅に感光性材料をパターニングするために使用されるマスク層と考えることができます。この工程では：

● PCB設計がラミネートボードに印刷される

● 銅がラミネートボードの両面に予め接合されている

● 次に、ラミネートボードはレジストと呼ばれる感光性フィルムで覆われる

この感光性フィルムは、紫外線に曝露されると硬化する感光性化学物質でできており、構造体を覆います。このプロセスにより、写真フィルムとフォトレジストが完全に一致することが保証されます。フィルムは、ラミネートパネルの上に位置を固定するピンに配置されます。

ステップ4 – 紫外線照射

フィルムと基板が位置合わせされ、UV光を照射されます。光はフィルムの透明部分を通過し、下の銅にあるフォトレジストを硬化させます。プロッターの黒インクは、硬化してはいけない領域に光が到達するのを防ぎます。硬化した領域のみが銅パスとして残り、基板の残りの部分は次の工程でエッチングされます。

その後、基板をアルカリ溶液で洗浄し、硬化していないフォトレジストを溶解して除去します。最終的な高圧洗浄で表面に残った残渣を取り除きます。その後、基板を乾燥させます。技術者が基板を検査し、この段階でエラーが発生していないことを確認します。

ステップ5 – 不要な銅の除去

このプロセスでは、回路基板から余分な銅を除去し、硬化したフォトレジストの下の銅を残します。アルカリ溶液に似た化学溶液が、不要な銅を侵食します。この工程は内層エッチングとも呼ばれます。

エッチングに必要な時間と溶媒は、基板のサイズによって異なる場合があります。大型の基板は通常、より多くの時間や溶媒を必要とします。最終的に、基板はPCBに必要な銅基板のみが輝いています。

ステップ6 – 層の位置合わせと検査

新しく清浄化された層は、位置合わせのために検査される必要があります。以前に開けられた穴は、内層と外層の位置合わせに役立ちます。光学パンチマシンが穴にピンをドリルし、層が整列した状態を保ちます。光学パンチの後、別のマシンが基板を検査し、欠陥がないことを確認します。ここから先、見逃されたエラーを修正することはできません。検査プロセスでは：

● 設計者は自動光学検査（AOI）マシンを使用して検査を行います。

● AOIマシンはPCBをGerberからの元の設計と比較します。

● AOIマシンはレーザーセンサーで層をスキャンし、電子的に比較を行います。

● 欠陥のある回路基板はこの段階で廃棄されます。

● このプロセスは、外層をイメージングおよびエッチングした後にも繰り返されます。

ステップ7 – 層の積層と接合

ここで、層が融合され、基板が形作られていくのが見えるでしょう。金属製のクランプが層を固定し、積層プロセスが開始されます。このプロセスでは、PCBの外層（エポキシ樹脂で予めコーティングされたガラス繊維で作られる）と薄い銅箔の層（銅トレースのエッチングが施されている）をサンドイッチします。このプロセスは、金属製のクランプを使用した専用のプレステーブルで行われ、レイヤーアップ＆ボンディングとも呼ばれます。

● オペレータがスタックを適切な位置合わせで積層プレスに配置します。

● ボンディングプレスコンピュータが積層プレスを制御します。

● コンピュータが加熱プレスプレートを加熱し、調整に従って圧力を加え、PCB層を融合させます。

● プレプレグ内のエポキシが溶融し、圧力とともに層を融合させます。

● 上部プレスプレートとピンを取り外した後、技術者がプリント回路基板を取り出します。このプロセスですべての層が融合されます。

ステップ8 – ドリリング

ドリリングは、PCB製造プロセスで最も重要なステップと見なされます。ビアの基盤を確立し、異なるPCB層間の接続を可能にします。

後に来るすべての部品、例えば銅リンクビアホールやリード部品は、ドリル穴の精度に依存します。穴は毛の幅にドリルされ、ドリルは直径100マイクロメートルを達成し、平均的な毛の直径は150マイクロメートルです。その非常に細い直径のため、PCBドリリングには最高の精度が必要です。

そのため、JLCPCBのような主要なプロフェッショナル製造業者は、コンピュータ制御のPCBドリリングマシンを使用する傾向があります。これらのマシンは、直径100マイクロメートルの穴を、150,000 RPMで回転する空気駆動スピンドルを使用してドリルできます。この速度では、ドリリングが一瞬で行われると思われるかもしれませんが、ドリルする穴は非常に多く存在します。平均的なPCBには、100以上のボアが含まれています。ドリリング中、それぞれがドリルとの特別な瞬間を必要とするため、時間がかかります。

● ドリリングの前に、X線ロケーターがドリル位置を特定します

● ドリルターゲットの下にバッファ材料のボードが配置され、クリーンなドリリングが確保されます。

● 最初に、レジストレーションまたはガイドホールがドリルされ、PCBスタックを固定します。

● コンピュータ制御マシンが元の設計をガイドとして使用してターゲットをドリルします。

● ドリリング後、エッジ周りの余分な銅層はプロファイリングによって除去されます。

ステップ9 – PCBメッキ

基板はこれでメッキの準備が整いました。PCBメッキは、ドリルされた穴に銅を充填することで、PCBの層間を電気的に接続し、電流を流すことを可能にするプロセスです。このプロセスには一連の化学浴が関与します。

● PCBパネルを徹底的に清浄化

● パネルを化学浴のシリーズに配置し、約1マイクロメートルの薄い銅層を堆積

● コンピュータを使用してPCBメッキプロセスを制御

銅浴は穴の壁を完全に覆います。さらに、全体のパネルに新しい薄い銅層が施されます。最も重要なことは、新しい穴が覆われることです。

ステップ10 – 外層イメージング

ステップ3で、パネルの内層にフォトレジストを塗布しました。この工程では、パネルの外層に対して同じプロセスを繰り返します。このプロセスは、汚染を防ぐために無菌環境で実施されます。

● ピンが黒インクの透明フィルムを固定し、位置ずれを防ぎます

● フォトレジストが塗布されたPCBパネルが黄色の部屋に入ります。

● 黄色とUV光の照射でフォトレジストが硬化します

● パネルは次に、黒インクの不透明性によって保護された硬化していないレジストを除去するマシンに通されます。

最後に、外層プレートは、前の段階で不要なフォトレジストがすべて除去されたことを確認するために検査を受けます。

最後に、外層プレートは、前の段階で不要なフォトレジストがすべて除去されたことを確認するために検査を受けます。

ステップ11 – スズメッキ

パネルに再度薄い銅層を電気メッキします。外層フォトレジスト段階から露出したパネルセクションが銅電気メッキを受けます。その後、基板に薄いスズガードが適用されます。スズは、外層の銅がエッチングされるのを防ぐ働きをします。

ステップ12 – 最終エッチング

以前に使用されたのと同じ化学溶液が、レジスト層の下の不要な銅を除去します。スズガード層が必要な銅を保護します。このプロセスは、PCBパネルをAOI（自動光学検査）およびはんだ付けの準備を整えます。

● 電気メッキ法を使用して銅層が適用されます。

初期の銅浴の後、クリティカルエリアの銅を保護するためにスズ電気メッキが使用されます。

● PCB基板は、銅層が所望の仕様を満たしていることを確認するために自動光学検査（AOI）を受けます。

● スズガードは銅から除去されません。なぜなら、銅を酸化から保護し、パネルの適切なはんだ付けを促進するからです。

ステップ13 – はんだマスクの塗布

この塗布は、プリント回路基板の外表面に保護層を追加し、はんだ付けプロセスの準備を整えるために不可欠です。本質的に、はんだ付けが不要な領域をマークします。

● 不純物や不要な銅を除去するためにPCBパネルを清浄化

● インクエポキシとはんだマスクフィルムの混合物を表面に塗布

● 基板をUV照射に曝露し、はんだマスク写真フィルムを通過させる

● 覆われた部分は硬化せず、除去される

最後に、回路基板をオーブンに配置し、基板に焼き付けます。

ステップ14 – シルクスクリーン印刷

シルクスクリーン印刷は、基板に重要な情報を印刷する責任があるため、重要なステップです。適用されると、PCBは最終的なコーティングと硬化段階を通過します。この段階には通常、以下が含まれます：

● 警告ラベル

● ロゴまたはシンボル

● 部品ID

● ピン位置指示器およびその他のマーキング

ステップ15 – 表面仕上げ

ほぼ完成したPCBパネルは、通常、顧客の仕様に従って導電性材料のコーティングを必要とします。これにより、PCBへのはんだの品質／結合が向上します。このプロセスは表面仕上げと呼ばれます。以下に、表面仕上げに一般的に使用される導電性材料のリストを示します：

イマージョン銀：低信号損失、鉛フリー、RoHS対応。仕上げは酸化して変色する可能性がありますが、強力な表面変色防止剤でこの問題を解決できます。

●表面が保護されていない場合、イマージョン銀の保存寿命は短い。

●複数のアセンブリプロセスには適していない

ハードゴールド：耐久性があり、保存寿命が長く、RoHS対応、鉛フリー、複雑なプロセスのため他の表面仕上げと比較して高価で、リワーク不可。

ホットエアはんだレベリング（HASL）：費用対効果が高く、耐久性があり、リワーク可能だが、鉛を含み、RoHS非対応。

鉛フリーHASL：費用対効果が高く、鉛フリー、RoHS対応、リワーク可能だが、複数のリフロー／アセンブリプロセスには適していない。

●発がん性物質であるチオウレアを使用する必要がある

●厚さの測定が困難

無電解ニッケルイマージョンゴールド（ENIG）：最も一般的な仕上げの1つ。保存寿命が長く、RoHS対応だが、他のオプションと比較して高価。

適切な材料は、設計仕様と顧客の予算によって異なります。しかし、このような仕上げを適用することで、PCBに不可欠な特性が生まれます。仕上げにより、アセンブラが電子部品を実装できるようになります。金属はまた、空気に曝露することで起こる酸化から銅を保護します。

ステップ16 – テスト

PCBテストも、製造プロセスにおいて重要なステップです。PCBが機能し、元の設計仕様に適合していることを確認するために、様々なテスト方法を使用します。PCBが完成したと見なされる前に、技術者が基板に電気テストを実施し、元の設計図通りに機能することを確認します。

ステップ17 – 外形加工

外形加工は、基本的にPCB製造プロセスの最後のステップです。この段階までで、プリント回路基板は1つの構造パネルです。元の設計ファイルを使用して、PCBは個別の基板にスライスされます。簡単に言えば、これは基板切断プロセスです。PCB基板を分割する最も一般的な2つの方法があります：

● スコアリング：ルーティングアウトとも呼ばれ、回路基板のエッジ周りに複数の小さなタブを切断する方法です。

● V溝：この方法では、CNCマシンがPCB基板の側面にV字型の切断を作成します。

使用される方法にかかわらず、外形加工後に簡単にPCB基板を折り取ることができます。

ステップ18 – 最終品質検査

外形加工後、各プリント回路基板は最終的な目視検査と品質チェックを受けます。製造業者は、最終検査後、エラーのないPCBを梱包して出荷します。

結論

プリント回路基板製造プロセスを理解することは、電子機器の設計、製造、または使用に関与するすべての人にとって不可欠です。このガイドでは、PCB製造に関与する主要な要素とステップの包括的な概要を提供しました。

JLCPCBについて

JLCPCBは、高品質PCBの大手製造業者です。同社は、単純な片面基板から複雑な多層基板まで、幅広いPCBの製造において豊富な経験を持っています。JLCPCBは、最新鋭の設備とプロセスを使用して、PCBが最高品質基準を満たすことを確認しています。

JLCPCB工場ウォークスルービデオ