絶え間なく変化するエレクトロニクス分野では、機能が拡張された高性能デバイスのニーズが高まっています。プリント基板 (PCB) 技術の必要性により、特に高周波アプリケーションの分野で顕著な進歩が見られました。多層 PCB 設計の利用は、これらのアプリケーションの厳しい要求を満たすために重要なソリューションとなっています。
多層 PCB の登場
歴史的に、プリント回路基板は主に単層構造または二層構造によって特徴付けられており、信号劣化や電磁干渉 (EMI) により高周波アプリケーションへの適合性に制約が課されていました。それにもかかわらず、多層プリント回路基板の導入により、信号の完全性、電磁干渉 (EMI) の軽減、および全体的なパフォーマンスが著しく向上しました。
多層プリント回路基板 (PCB) は、一般に誘電体層として知られる絶縁材料によって分離された 3 つ以上の導電層の存在によって、単層または二層の対応物と区別されます。これらの層の相互接続は、別個の層間の通信を容易にする極小の導電性通路であるビアによって容易に行われます。多層 PCB の複雑な設計により、コンポーネントと複雑な回路の集中化が可能になり、最先端のテクノロジーに不可欠なものとなっています。
多層 PCB は通常、フレキシブルな PCB 構造内で複数の層を実現するという固有の課題により、高度な剛性を示します。層間の電気接続は、ブラインド ビアや埋め込みビアなど、数種類のビアを利用して確立されます。
この構成では、プリント基板 (PCB) と外部環境との間の接続を確立するために、表面に 2 つの層を配置する必要があります。一般に、プリント基板 (PCB) の層の密度は均一です。これは主に、奇数が歪みなどの問題の影響を受けやすいためです。
層の数は通常、特定の用途に応じて異なりますが、通常は 4 ～ 12 層の範囲内になります。
通常、ほとんどのアプリケーションでは、最小 4 層、最大 8 層が必要です。対照的に、スマートフォンなどのアプリでは、合計 12 のレイヤーが主に使用されます。
主な用途
多層 PCB は、次のような幅広い電子アプリケーションで使用されます。
●多層PCBがスマートフォン、タブレット、ゲーム機、ウェアラブルデバイスなどの幅広い製品に必要な電力と信号を提供する基本的な役割を果たす民生用電子機器。私たちが日常的に使用している洗練されたポータブル電子機器は、そのコンパクトな設計と高いコンポーネント密度に起因しています。
●電気通信分野では、多層PCBの利用により、ネットワーク上の音声、データ、ビデオ信号のスムーズな伝送が容易になり、信頼性の高い効果的な通信が保証されます。
●産業用制御システムは、複雑な制御システム、監視メカニズム、および自動化手順を効果的に管理できるため、多層プリント基板 (PCB) に大きく依存しています。機械制御パネル、ロボット工学、産業オートメーションは、基本的なサポート システムとしてこれらを利用しています。
●多層PCBは、精度、信頼性、コンパクト性を確保するために重要であるため、医療機器にも関連しています。診断機器、患者監視システム、救命医療機器は、その重要な役割によって大きな影響を受けます。
利点と利点
多層 PCB は、高周波アプリケーションにおいて次のようないくつかの利点と利点を提供します。
●信号の完全性の強化：多層PCBにより、制御されたインピーダンスルーティングが容易になり、信号の歪みを最小限に抑え、高周波信号の信頼性の高い伝送を保証します。多層プリント基板の信号干渉が少ないため、パフォーマンス、速度、信頼性が向上します。
●EMIの低減：専用のグランドプレーンと電源プレーンを利用することで、多層PCBがEMIを効果的に抑制し、システムの信頼性を向上させ、隣接する回路との干渉を最小限に抑えます。
●コンパクト設計：多層PCBにより、より多くのコンポーネントと複雑な配線スキームに対応できるため、モバイル機器や航空宇宙システムなどのスペースに制約のあるアプリケーションにとって重要なコンパクト設計が可能になります。
●改善された熱管理：多層PCBは、サーマルビアと戦略的に配置された銅層の統合により効率的な熱放散を実現し、高出力コンポーネントの信頼性と寿命を向上させます。
●設計の柔軟性：多層PCBの多用途性により設計の柔軟性が向上し、エンジニアはインピーダンスマッチング、信号伝播遅延、電力配分などの性能パラメータを最適化できます。
短所
多層プリント回路基板に関連する主な欠点の 1 つは、製造プロセスのすべての段階において単層および二層 PCB と比較してコストが高いことです。コストの上昇は主に、製造に必要な特殊な設備に関連しています。
多層 PCB の製造には、他のタイプの PCB と比べて大幅に長い設計期間と綿密な製造方法が必要となるため、製造もより複雑になります。製造の複雑さ: 多層 PCB の製造には、正確な層の位置合わせ、制御されたインピーダンス配線、厳格な品質管理措置を含む高度な製造プロセスが必要であり、生産コストの増加とリードタイムの延長につながります。
多層 PCB は綿密な事前設計を必要とするため、その開発には熟練したエンジニアが必要です。一枚一枚の基板の製作にはかなりの時間がかかり、人件費がかさんでしまいます。さらに、注文してから製品を受け取るまでの時間が長くなる可能性があり、状況によってはそれが困難になる可能性があります。
それにもかかわらず、これらの懸念は多層プリント回路基板 (PCB) の有効性を損なうものではありません。多層 PCB は単層 PCB よりも高価であることが多いですが、この特定の形式のプリント回路基板と比較して多くの利点があります。
電子デバイスのサイズが縮小し、電力密度が増加するにつれて、多層 PCB では効果的な熱管理が重要になり、熱ホットスポットを軽減し、最適なパフォーマンスを確保するための革新的なソリューションが必要になります。さらに、多層 PCB 設計のパフォーマンスを検証するには、業界の標準および仕様への準拠を確保するために、シミュレーション、プロトタイピング、コンプライアンス テストなどの包括的なテスト手法が必要です。
多層 PCB 設計のヒント
高周波アプリケーション用の多層プリント基板 (PCB) を作成する場合、通常、いくつかの有益な提案が役に立ちます。
多層 PCB 設計の問題を軽減するために、通常は主にスタックアップに重点が置かれます。レイヤーのスタックアップを判断するときは、機能、製造、展開などの要素を考慮することが重要です。
他の特性に関する決定に影響を与えるため、基板の寸法を最適化することから始めます。理想的な基板サイズを決定するときは、次の要素を考慮してください。
●基板に収納する部品数
●これらの部品のサイズ
●ボードの設置場所
●製造パートナーの間隔、クリアランス、ドリル穴の許容値
層の数が決定したら、ブラインド、スルーホール、埋め込み、またはパッド内のビアのいずれかのビアの選択を実行する必要があります。この側面は製造の複雑さ、ひいては PCB の品質に影響します。
多層 PCB 設計セクションでは、PCB 設計ソフトウェアは設計プロセスの重要な部分です。これは、設計者がネットリストから PCB の機械的および配線接続の構造を生成し、この接続構造を多層に配置してコンピューター支援設計ファイルを生成するのに役立ちます。プリント基板の製造には欠かせないCADです。多層 PCB の設計に使用できる PCB 設計ソフトウェア オプションがいくつかあります。ただし、特にインターフェイスがシンプルであることなどの理由により、いくつかのものは他のものよりも広く使用されています。
製造を容易にする製品部品やコンポーネントを作成することを目的とする DFM も考慮する必要があります。目的は、コストを削減しながら高品質の製品を実現することです。したがって、製品の設計を合理化し、強化し、完成させる必要があります。 DFM は、ツーリングを開始する前に適時に実施する必要があります。 DFM にはすべての関係者を参加させることが不可欠です。設計者、エンジニア、委託製造業者、材料サプライヤー、金型製作者など、複数の関係者の関与が非常に重要です。そうすることで、設計で発生する可能性のある問題を軽減できます。
製造性
高周波アプリケーション用の多層 PCB の製造には、いくつかの重要な手順が含まれます。
●設計とレイアウト：エンジニアは専用のPCB設計ソフトウェアを利用して、シグナルインテグリティ、熱管理、EMI軽減などの要素を考慮してレイアウトを作成します。
●素材の選択：信号損失を最小限に抑え、高周波性能を維持するために、誘電率と損失正接が低い高品質の素材が選択されています。
●層スタックアッププランニング：信号周波数、基板厚、銅の厚さなどの要素を考慮して、信号ルーティング、インピーダンスマッチング、熱放散を最適化するために層スタックアップが慎重に計画されています。
●製造と組み立て：レーザー穴あけ、連続積層、制御されたインピーダンスエッチングなどの高度な製造技術を採用して、精度と信頼性を備えた多層PCBを製造します。
●テストと品質保証：多層PCBの性能、信頼性、業界標準と仕様への準拠を保証するために、シグナルインテグリティ分析、インピーダンス測定、サーマルイメージング、EMIテストなどの厳格なテスト手順が実施されます。
結論
多層 PCB 設計の進化により、高周波エレクトロニクスの分野に革命が起こり、性能、信頼性、機能が強化された洗練されたデバイスの開発が可能になりました。シグナルインテグリティ、製造の複雑さ、熱管理などの課題にもかかわらず、多層 PCB のメリットは課題をはるかに上回っており、電気通信、航空宇宙、自動車、医療用電子機器などの幅広い高周波アプリケーションに不可欠となっています。材料、製造技術、設計方法論の継続的な進歩により、多層 PCB は今後何年にもわたって高周波エレクトロニクスの革新を推進し続ける態勢が整っています。