PCBの説明：プリント回路基板が電子機器に電力を供給する仕組み

導入

プリント基板（PCB）は、今日私たちが使用する多くの電子機器に使用されています。しかし、PCBの重要性と、それが電子機器の製造と進歩にどれほど革命をもたらしたかを理解している人は多くありません。

では、プリント基板（PCB）とは何でしょうか？そもそもなぜ重要なのでしょうか？

あ PCB（プリント回路基板） プリント基板は、銅の配線／導体を用いて電子部品同士を接続する基盤となる基板です。プリント基板が電子部品を物理的に支え、常に接続状態を維持するために不可欠であることがわかります。

このガイドは、PCB、その一般的な用語、利用可能な種類、用途、その他多くの機能について理解を深めるのに役立ちます。最終的には、PCBに何が期待できるかを十分に理解し、次のプロジェクトで活用できるようになるはずです。

PCBの部品

PCBは4つの主要な部品で構成されています。これらの部品が基板の特性を決定します。具体的には以下の部品が含まれます。

• 基板：この素材はグラスファイバーで作られており、PCBに必要なコア強度を提供するために不可欠です。PCBの骨格とも言えるこの素材は、PCBに必要な安定性と強度を与えます。
• 銅層：銅層は、PCBの種類に応じて銅箔または銅コーティングで構成されます。銅は、基板上のさまざまなコンポーネント間で電気信号を伝送します。
• はんだマスク: このポリマー層は、PCB 製造中に銅層が酸化したり、トレースが誤って破損したりするのを防ぐために不可欠です。
• シルクスクリーン: ボードとそのコンポーネントに関する重要な情報が含まれているため、凡例と考えることができます。

電子機器におけるPCBの役割

PCBは現代の電子機器にとって重要な基盤です。そのため、多くの役割が期待されています。ここでは、PCBの注目すべき役割をいくつかご紹介します。

– 機械的なサポート

電子機器が動作するには、抵抗器、IC、トランジスタ、コンデンサなどの部品が必要です。これらはすべてどこかに実装する必要があります。PCBは、これらの部品を機械的に支える安定したプラットフォームを提供します。実装後は部品が動かないため、機器の動作に影響を与えません。

– 電気接続を提供する

PCB上の部品は、銅配線または導体を介して相互接続されています。これらの配線は、安定した電気と信号の流れを確保します。そのため、設計段階で配線を最適化することで、部品の効率的な性能を確保することができます。

– 保護

PCBは、搭載されている部品を保護する上でも重要な役割を果たします。これには、過度の熱、干渉、そして場合によっては故障につながる環境要因からの保護が含まれます。

– 汎用性と拡張性

市場には、両面、片面、多層など、様々な形状と種類のPCBが存在します。これにより、設計要件に適した基板を選択できるため、PCBは単純な電子機器と複雑な電子機器を同時に製造することができます。

– 大量生産とコスト効率

PCBはコスト効率に優れているため、主に電子機器の大量生産に使用されています。つまり、製造コストを削減し、性能と設計の均一性を確保できるということです。基板の価格が手頃になったことで、あらゆる種類の電子機器の製造が容易になりました。

重要なPCB用語

PCBの設計と製造では、多くの用語を耳にするでしょう。しかし、それらの意味をご存知ですか？以下に、次に耳にしたときに理解を深めるための、一般的なPCB用語をまとめました。

層数 - PCB内の導電性銅層の数です。2層から20層を超えるものまであります。

フットプリント – 電子部品の穴の数と配置。電気接続を行うために使用されます。

トラックまたはトレース - PCB上の1つのコンポーネントを別のコンポーネントに接続する経路です。電気信号を伝送するために使用されます。

ソルダーマスク – 銅配線を覆う材料です。はんだが意図しない場所に流れ込むのを防ぐ役割を果たします。

シルクスクリーン – PCB上に印刷されるマーキングとテキストです。部品名や参照番号などの重要な情報が記載されます。

グランドプレーン – 電気信号の基準点です。その大きさのおかげで、見落とすことはほとんどありません。

電源プレーン – これはさまざまなコンポーネントに電力を供給するための銅領域です。

回路図シンボル – PCB 上のさまざまなコンポーネントがどのように接続されているかを視覚的に示します。

これらは、皆さんが目にする可能性のある用語のほんの一部です。しかし、様々なプロジェクトに取り組む中で、PCB を実際に扱ううちに、さらに多くの用語を学ぶことになるでしょう。

PCBの主要コンポーネントと機能

見ると PCBの設計方法電子機器には欠かせない様々な主要部品があることに気づくでしょう。電子機器によって用途は異なりますが、これらの部品は共通しています。PCBの部品として期待されるものは以下のとおりです。

1. 抵抗器

抵抗器は分圧器として機能し、回路内の電流の流れを制限します。その動作原理は、敏感な部品に流れる電流を制限する上で非常に重要です。

抵抗器の種類には、固定抵抗器と可変抵抗器を持つポテンショメータがあります。

2. コンデンサ

コンデンサは短期的なエネルギー貯蔵に不可欠です。これは、回路内の繊細な電子機器に安定した電力を供給するために不可欠です。また、コンデンサは電圧サージを平滑化し、ノイズを除去する役割も担っており、デバイスを問題なく動作させる上で重要な役割を果たします。

3. インダクタ

インダクタは、電流が流れる際に磁場の形でエネルギーを蓄えます。コンデンサと連携して、交流信号に含まれる不要な周波数を除去します。また、回路に影響を及ぼす可能性のある電磁干渉を抑制するためにも、インダクタは不可欠です。

4. トランジスタ

PCB上のトランジスタは、回路内の信号と電力を増幅するために不可欠です。現代の電子機器では一般的に使用されています。例としては、バイポーラ接合トランジスタ（BJT）や電界効果トランジスタ（FET）などが挙げられます。

5. ダイオード

ダイオードは電流を一方向にのみ流すように設計されています。そのため、回路における整流や信号処理に便利です。また、その特性を活かして、繊細な電子機器の保護にも使用できます。

6. 集積回路

集積回路（IC）は、トランジスタ、抵抗器などの複数の部品を1つのコンポーネントに統合したものです。この統合により、スペースを節約し、設計に応じて基本的な動作から複雑な動作までICで実行できます。

PCBの種類

PCBの種類によって、設計プロセスにおける最適な使用方法が決まります。ここでは、市場で人気のPCBとその用途についてご紹介します。

1. 片面PCB

このタイプの PCB は、片面に導電材料がコード化されており、もう片面は電子部品を取り付けるためのものです。

このタイプのPCBは1950年代に導入されましたが、現在でも多くの用途で使用されています。これは、そのシンプルな設計が多くの用途で使用されているためです。

シンプルな設計は、製造に必要なリソースも少なくて済むことを意味します。その結果、低コストのPCBでありながら、非常に良好な動作を実現しています。片面PCBでありながら、優れたパフォーマンスが期待できます。

アプリケーション

• プリンター
• 自動販売機
• 無線
• ステレオ機器等

 

2. 両面PCB

これらのPCBは、基板の両面に導電性の銅層を備えています。つまり、部品を基板のどちら側に実装しても動作します。このため、このような基板は主に複雑な設計に使用されます。

部品実装用の基板を2層にすることで、基板の可用性と柔軟性が向上します。片面基板の場合よりも多くの部品を基板に実装できます。

複雑な回路設計に取り組んでいる場合は、これを入手する必要があります。照明ボードや車のダッシュボードなどに使用されているのがこれです。

アプリケーション

• テレビ
• ゲーム機
• デジタルカメラ
• オーディオ機器
• 携帯電話
• 照明システム
• HVACシステム等

 

3. 多層PCB

ほとんどの電子機器は1層または2層の導電層で作られていますが、中には多層構造のものもあります。この場合、PCBは複数の層または基材を持つように製造されます。このようなPCBは3層以上の導電層を持つと予想されます。

多層構造はどのようにして実現されるのでしょうか？サンドイッチ構造を採用しています。導電層を絶縁シートで分離し、高温高圧下で接着・積層することで、エアギャップを残さずに積層します。組み立てが完了すると、堅牢なPCBが完成します。

多層PCBは、上記の他のタイプよりも高価になると予想されます。しかし、用途によっては、依然として不可欠であったり、有益であったりする場合があります。例えば、多くの部品を扱う必要がある場合は、フットプリントが小さくなることが期待できます。

アプリケーション

• 5Gインフラ
• 衛星通信
• 産業用制御
• ウェアラブルデバイス
• ノートパソコン、スマートフォン、タブレット
• 診断機器等

上記はPCBの最も一般的な分類方法です。ただし、リジッドPCB、フレキシブルPCB、HDIPCBなど、他にも様々な種類のPCBがあります。これらは構造と用途によって異なります。購入するPCBの種類を理解し、現在作業中のものに適合しているかどうかを確認するために、必ずサプライヤーにご相談ください。

PCB製造プロセス

PCBをデバイスに組み込む前に、様々な工程を経て完成させる必要があります。以下は、PCBの標準的な製造工程です。

1. PCB設計

この部分では、 PCB設計ソフトウェア 最適な設計を実現し、お客様に最適な設計を実現できるようお手伝いします。一般的なPCB設計ソフトウェアには、Eagle、KiCad、Altium Designerなどがあります。

デザインが完成したら、 PCBボードメーカー サポートします。

2. 印刷

印刷会社は設計図を受け取ると、印刷工程に進みます。この場合、プリント基板に貼り付ける写真フィルムに印刷するためにプロッターが使用されます。プロッター印刷はより高精度な印刷技術を提供するため、より一般的に使用されています。

このステップでは、PCB 上で銅のトレースが配置される場所を示す回路が入ったプラスチック シートが完成します。

この工程では、余分な銅も除去され、銅配線が露出されます。続いて、内層の位置合わせを行い、光学検査によって精度と品質を確保します。

3. ラミネート

内層は、予め含浸させた材料を用いて接合されます。これがPCBコアを形成します。

次に、PCB に穴を開けて、コンポーネントを取り付けたり取り付けたりする場所の輪郭を描きます。

4. メッキ

メッキの一部として電気伝導性を持たせるために、ドリルで開けた穴にさらに銅を堆積させます。

次に、製造業者は外層イメージングに進み、銅張積層板に外層のデザインを印刷します。

それでも、余分な銅を取り除き、よりきれいな外層のデザインを作成するためにエッチングが行われます。

この段階ではシルクスクリーン印刷も行われます。ここでは、部品の識別と組み立てを容易にするために、ラベルやマーキングがPCBに印刷されます。

5.表面仕上げ

PCBは最終的な表面仕上げを受けます。これには金メッキやその他の保護コーティングが含まれます。

表面仕上げが完了したら、PCB が期待どおりに動作することを確認するために電気テストが行われます。

PCB コンポーネントを組み立てる前に最終検査が行われます。

6. PCBアセンブリ

PCB組立工程では、電子部品がPCBに取り付けられます。部品ははんだ付けされ、テストされた後、顧客に出荷されます。

これはPCBの製造方法の簡単な概要です。実際の工程はかなり長く、途中で品質チェックも行われます。これは、PCBの品質と性能がお客様の期待どおりであることを確認するためです。

PCBの設計上の考慮事項

PCBを正しく設計するには多くの要素が関係します。もしこれが可能だと思ったら、以下の点を検討してみてください。

• 最高の信号品質を実現するには、短く直線的な信号経路を検討してください。これにより、反射とインピーダンスを最小限に抑えることができます。
• 熱管理にも取り組む必要があります。発熱部品は、効率的に熱を放散できるように配置しましょう。
• また、設計の製造可能性も考慮してください。つまり、製造業者が設計を実際に製造できるかどうかです。そのため、はんだ付けやプローブの取り付けやすさも考慮してください。
• 堅牢な電力分配ネットワークの設計を推奨します。これにより、すべてのコンポーネントに効率的でクリーンかつ安定した電力供給が可能になります。
• シールド技術により、電磁干渉を最小限に抑え、デバイスを EMC 準拠に保つことができます。
• 適切なトレース幅、クリアランス、間隔、その他のパラメータを維持するなどの設計ルールを検討してください。これにより、パフォーマンスと製造性が向上します。

結論

電子機器は、常に正常に動作するためにプリント基板（PCB）を必要とします。PCBは、抵抗器、トランジスタ、ICなど、デバイスの動作に必要な様々な部品を実装するための優れた基盤となります。用途に応じて、さまざまな種類のPCBが存在します。ご自身でPCBを製作する必要がある場合は、信頼できるメーカーと協力し、設計通りに動作する適切なPCBを製造してもらうようにしてください。