単層、二層、多層基板の種類と選び方

片面 PCB は、シンプルで低コストのアプリケーションに最適です。両面 PCB は、予算の制約がある中程度の複雑さに適しています。多層 PCB は、高密度、高速、またはノイズに敏感な設計に不可欠です。 これら 3 つの PCB タイプは、製造の複雑さ、機能、コストの進歩を表しており、それぞれが最良の結果をもたらす明確に定義された一連のアプリケーションを備えています。コストがかかる片面基板 制作費 $0.50 基本的な LED コントローラーに対する正しいエンジニアリングおよび商業上の決定です。同じボードを 5G モデムの出発点として使用するのは非現実的です。これら 3 つのカテゴリ間の構造的、電気的、製造上の違いを理解することは、設計の初期段階から適切な PCB の決定を下すための基礎となります。

PCB 層数による能力の定義方法

プリント回路基板は、絶縁基板材料 (最も一般的な FR4 ガラス エポキシ ラミネート) によって分離された導電性銅層の積層構造です。銅層の数によって、ボード内に存在する独立した配線チャネルの数が決まり、配線密度、信号の完全性、配電品質、および電磁適合性 (EMC) パフォーマンスが決まります。

3 つの基本層構成はそれぞれ、異なるエンジニアリング機能層を表します。

• 片面 PCB (銅層 1 層): すべての導電性トレースは基板の片面にあります。コンポーネントの実装とトレース配線が同じ平面を占有するため、配線密度がクロスオーバーなしで達成できるものに制限されます。
• 両面 PCB (銅層 2 層): 銅トレースは基板の両面に存在し、メッキスルーホール (PTH) を介して接続されています。コンポーネントは片面または両面に実装できるため、片面基板と比較して配線容量が約 2 倍になります。
• 多層 PCB (銅層 4 層): 複数の銅層が内部配線層、専用の電源プレーン、およびグランド プレーンを備えた単一の基板構造に積層されています。高度なアプリケーションでは、レイヤー数の範囲は 4 ～ 50 です。 4層、6層、8層、10層 最も一般的な商用構成です。

基板材料の役割

3 つの PCB タイプはすべて同じベース基板オプションを使用しますが、層数が増加するにつれて材料の選択がより重要になります。 FR4 (ガラス強化エポキシ、Tg 130 ～ 170°C) は、商業および産業用途の大部分の標準です。上記の高周波設計 1GHz 複数の層にわたる信号の整合性を維持するために、Rogers 4003C (誘電率 εr = 3.55、損失正接 0.0027) や Isola IS680 などの低損失積層板の必要性がますます高まっていますが、これはほとんどの片面アプリケーションでは考慮されません。

片面PCB ：構造と強みと最適な用途

片面 PCB には、絶縁基板の片面に 1 層の銅箔が接着されています。コンポーネントは通常、銅側 (スルーホール コンポーネントの場合、リード線が基板を通過し、銅側にはんだ付けされる) またはベア基板側に実装され、SMD コンポーネントが反対側の面の銅パッドにはんだ付けされます。

製造プロセスとコストメリット

片面基板は単純なサブトラクティブプロセスで製造されます。銅張り基板をフォトレジストでコーティングし、回路パターンフィルムを通して露光し、現像し、エッチングして不要な銅を除去します。スルーホールめっき、内層の積層、および複数の位置合わせ操作がないため、片面 PCB は製造が最も簡単で安価な PCB タイプになります。

大量生産（100,000 枚）では、100 × 80 mm の標準片面 FR4 基板を生産できます。 ユニットあたり $0.10 ～ $0.50 。このコスト上の利点は、部品表の目標が厳しい家庭用電化製品にとって重要です。

片面基板の設計上の制約

片面設計の基本的な制約は、ジャンパー ワイヤまたはゼロオーム抵抗なしではトレースが交差できないことです。つまり、既存のトレースの上に配線する 2 番目の層がありません。これにより、すべての接続を非交差の平面構成で配線できる設計に回路の複雑さが制限されます。通常、片面設計の実際的な上限は次のとおりです。

• コンポーネント数は約 30 ～ 50 未満のスルーホールまたは SMD コンポーネント
• 約 50 ～ 80 接続未満のネット数
• 制御されたインピーダンスやシールドを必要とする高周波信号経路が不要
• 専用の電源プレーンやグランドプレーンは不要

片面 PCB が優れている場合

片面基板は、確立されたさまざまな用途にわたって引き続き大量生産されています。

• LED照明ドライバーとコントローラー: 部品密度が低く、高周波要件がないシンプルな電源スイッチング回路
• 基本的な電源ボード: 電源配線に堅牢な銅を必要とするが、信号配線の複雑さは最小限に抑えられるトランス、整流器、フィルター回路
• リモコンと簡単な家庭用電化製品: 回路が確立されており、コストの最小化が設計を推進する電卓、基本的な玩具、および IR リモコン
• センサーインターフェースボード: 家電製品の温度、圧力、または近接センサー用のシンプルなアナログ調整回路
• 自動車用リレーおよびヒューズボード: 配線密度よりも配線幅と熱管理が重要な大電流スイッチング回路

両面 PCB: 高密度化と幅広い応用範囲

両面 PCB は、基板の反対側の面に 2 番目の銅層を追加し、メッキ スルー ホール (PTH) (上部と下部の銅層の間に電気接続を作成する銅で裏打ちされたドリル穴) を介して 2 つの層を接続します。この 1 つの追加により、エンジニアが利用できる設計スペースが根本的に変わります。

メッキスルーホール: 実現する鍵となるテクノロジー

PTH ビアは基板の厚さ全体に穴を開けられ、壁の厚さまで銅で電気めっきされます。 最小25μm IPC-6012 クラス 2 (標準商用) または 最小20μm メッキにより、層間に信頼性の高い電気的および機械的接続が形成されます。標準的な両面製造におけるビアドリルの直径の範囲は次のとおりです。 0.2mm～6.3mm 、仕上げ穴サイズはメッキ後のドリル直径より 0.1 ～ 0.15mm 小さくなります。

PTH 製造を追加すると、製造プロセスに化学銅堆積、電気めっき、および追加の検査ステップが追加され、単価が約 1 倍増加します。 片面より 30 ～ 60% ボードのサイズと体積は同等ですが、約 2 倍の配線能力を提供します。

両面基板の設計能力

• トレースクロスオーバー解像度: 最上層のトレースの競合は、ビアを介して最下層にドロップし、競合するトレースの下で配線し、戻ることで解決できます。これにより、片面設計のジャンパー ワイヤの制限がなくなりました。
• コンポーネント密度の増加: SMD コンポーネントは基板の両面に配置できるため、同じ基板の設置面積内でコンポーネント密度が 2 倍になる可能性があり、スペースに制約のある産業用および民生用アプリケーションには不可欠です。
• 部分的な電源およびグランド基準: 1 つの層は主に電源とグランドの分配に使用でき、もう 1 つの層は信号ルーティングを処理します。これは片面よりも改善されますが、専用の内部プレーンの利点を最大限に活用することはできません。
• 中程度の周波数の信号ルーティング: 両面ボードは、最大約 100 メートルまでの信号の制御されたインピーダンス トレースをサポートします。 100～200MHz ただし、グランド プレーンのリファレンスがないと、インピーダンス制御の精度は多層設計よりも低くなります。

両面 PCB の一般的な用途

• 産業用制御ボード: 適度なコンポーネント密度と混合信号/電源配線が必要な PLC、モーター コントローラー、リレー ロジック、HVAC コントロール パネル
• 医療機器: 信頼性が重要だが信号周波数が中程度である診断機器、患者監視装置、輸液ポンプ
• 自動車ボディエレクトロニクス: 回路の複雑さが片面機能を超えているが、多層コストが正当化されないダッシュボード モジュール、ボディ コントロール ユニット、センサー クラスター
• パワーエレクトロニクス: 電源トレースと信号トレースの両方が共存し、上下分離によりレイアウト上の利点が得られるインバーター、DC-DC コンバーター、および UPS ボード
• ミッドレンジの家庭用電化製品: オーディオアンプ、ネットワークスイッチ、ホームオートメーションコントローラー

多層プリント基板 : 高密度、高性能、シグナルインテグリティ

多層 PCB は、片面または両面設計では基本的にアクセスできない機能を実現します。これは、単に追加の配線容量によってではなく、内部グランド プレーン、電源プレーン、およびシールド環境での制御された差動ペア配線によって可能になる質的に異なる電気的性能によって実現されます。

多層基板の製造方法

多層製造は、個々の両面内層コアから始まり、それぞれが独立した両面基板のように処理されます (イメージング、エッチング、検査)。次に、内層を精密位置合わせピンを使用して位置合わせし、加熱した油圧プレスでプリプレグ (事前含浸ガラス繊維エポキシ) 接着層とともに積層します。 170 ～ 200°C および 250 ～ 400 psi 。ラミネート後、外層が処理され、穴あけと PTH メッキがすべての層を接続して、基板が完成します。

高品質の多層製造における層間の位置合わせ精度は通常、 ±75～100μm ビア ドリルの位置がすべての内部層の銅パッドと一致するようにします。レーザーで穴開けされたマイクロビアを使用した高度な製造により、内部での位置合わせが実現されます。 ±25μm HDI (高密度相互接続) ボード用。

電源プレーンとグランドプレーン: コアとなる多層の利点

内部層を固体銅の電源プレーンとグランド プレーン専用にすることで、2 層設計では再現できない 3 つの重要な利点が得られます。

• 制御されたインピーダンスルーティング: グランドプレーンが直接隣接している外層の信号トレース（通常は 0.1 ～ 0.2 mm の間隔 ) 計算可能な特性インピーダンスを持つ明確に定義された伝送線路を形成します。標準の 4 層基板上の 50Ω マイクロストリップには、約 0.2～0.3mm 誘電体の厚さに応じて、2 層設計では不可能な精度で達成および計算が可能です。
• 配電ネットワーク (PDN) のパフォーマンス: 固体銅の電源プレーンは、ボード上のすべてのコンポーネントに同時に低インピーダンスの電力供給を提供し、電源ノイズ (Vdd リップル) と電力供給パスのインダクタンスを低減します。これは、スイッチング イベント中に大きな過渡電流が流れる高速デジタル IC にとって重要です。
• EMIシールド: 内部グランドプレーンは信号層間の電磁シールドとして機能し、隣接する配線層間のクロストークを低減し、放射を制限します。 4 層基板は通常、10 ～ 15 dB 低い放射 EMI を実現します。 高周波における同等の 2 層設計よりも優れており、これが FCC または CE 認証の合否を分けることがよくあります。

一般的な構成のためのレイヤースタックアップ戦略

多層スタックアップ内の信号層、電源層、グランド層の配置によって、基板の電気的性能が決まります。スタックアップ設計が不十分だと、追加の層の利点が無効になります。優れたスタックアップ設計により、最小限の層数内で信号の完全性と PDN パフォーマンスが最大化されます。

高度な多層設計におけるブラインドビアと埋め込みビア

多層基板の標準スルーホール ビアは、接続されていない層も含め、通過するすべての層のパッドおよびアンチパッド スペースを消費します。ファインピッチ BGA コンポーネントを使用した高密度設計 ( 0.4～0.5mmピッチ )、スルーホールビアは配線スペースを過剰に消費します。ブラインド ビア (外側層のみを内側層に接続) および埋め込みビア (外側表面に到達せずに内側層を接続) により、スルーホール ビアでは実現できない BGA 下のファンアウト配線が可能になります。これらのテクノロジーにより、 製造コストの 30 ～ 80% しかし、最新の高密度プロセッサとメモリのルーティングには不可欠です。

多層 PCB を必要とするアプリケーション

• スマートフォンおよびタブレット: HDI 構造、ファインピッチ BGA、および USB 3.x、MIPI、および PCIe インターフェイス用の制御されたインピーダンス差動ペアを備えた 6 ～ 10 層のボード
• サーバーおよびネットワーク機器: マルチギガビット SerDes レーン、DDR5 メモリ インターフェイス、および PCIe Gen4/Gen5 接続をルーティングする 8 ～ 16 層のボード
• 自動車用ADASおよびECU: EMC 準拠と高速センサー インターフェイス ルーティングを必要とするセーフティ クリティカル システムの 6 ～ 12 層ボード
• 5G 基地局と RF 電子機器: 同じスタックアップに低損失 RF 層と標準 FR4 デジタル層を備えた混合ラミネート多層基板
• 航空宇宙および防衛電子機器: 拡張温度範囲ラミネートを備えた IPC クラス 3 規格に準拠した信頼性の高い多層ボード

直接比較: 片面 PCB、両面 PCB、多層 PCB

設計に適した PCB タイプを選択する方法

PCB タイプ選択の決定枠組みは、一連の設計制約を優先順位に従って処理する必要があります。コストの最適化は、機能要件が満たされていることが確認された後にのみ有効です。コストを節約するために片面基板を選択し、その後配線が不可能であることが判明すると、最初の節約よりも多くの時間と費用が無駄になります。

1. 信号周波数要件を評価します。 ボード上のいずれかの信号が上記で動作する場合 100MHz 、または、インターフェース (USB 2.0/3.x、HDMI、PCIe、DDR メモリ、RF トレース) で制御されたインピーダンスが必要な場合は、グランド プレーン基準を備えた多層ボードが必要です。この 1 つの基準により、最新のデジタル設計の大部分では片面基板と両面基板が除外されます。
2. コンポーネント数とパッケージングを評価します。 設計にピッチ 0.8 mm 未満の BGA、QFN、またはファインピッチ CSP コンポーネントが含まれている場合、ファンアウト配線にはほぼ常に少なくとも 4 層の基板が必要です。ピッチが 0.5 mm 未満の BGA コンポーネントでは、通常、層数に関係なく、ブラインド/埋め込みビアを備えた HDI が必要です。
3. EMC 要件を確認します。 上記のクロックまたはスイッチング周波数が存在する場合、FCC Part 15 クラス B、CE、または自動車 EMC 認証を必要とする設計 30MHz 使用するフィルタリング手法に関係なく、ほとんどの場合、2 層設計よりも適切なグランド プレーンを備えた多層基板の方が確実に認証に合格します。
4. ルーティングの複雑さを評価します。 2 層基板上で予備的なコンポーネントの配置と配線を試みた結果、5 ～ 10% を超える未配線の接続が発生する場合、または重要な信号に対して過剰な配線長の妥協が必要な場合は、2 層レイアウトをさらに繰り返すよりも 4 層基板に移行する方が経済的です。
5. 量とコストの目標を確認します。 機能要件が満たされていることを確認した後でのみ、層数の決定にコストがかかります。機能要件が片面または両面ボードによって真に満たされる大量の汎用製品の場合、コスト上の利点が大きく、最適化する価値があります。

レイヤー数のアップグレードが見た目よりも経済的である場合

よくある誤解は、より少ないレイヤー数を選択すると、常にプロジェクトの総コストが削減されるということです。実際には、層数が少なすぎる高密度設計の配線に費やされる追加のエンジニアリング時間、配線の競合を解決するために必要な基板面積の増加、および認証の失敗による EMC 再テストのコストが、2 層基板と 4 層基板の製造コストの差を超えることがよくあります。 4 層基板のコストは、プロトタイプの数量では 2 層基板の約 2 ～ 2.5 倍になります。 —多くの場合、基板あたり 30 ～ 80 ドルの差が生じますが、EMC テスト サイクルを 1 回回避すると、ラボの費用とエンジニアリング時間が 5,000 ～ 20,000 ドル節約されます。

基板タイプ別の PCB 設計ルールと最小フィーチャ サイズ

各 PCB タイプで達成可能な最小フィーチャ サイズを理解すると、設計者は、プロトタイプの遅延や予期せぬコスト増加の一般的な原因である、選択した製造業者の能力を超える寸法の指定を避けることができます。

レイアウトを最終決定する前に、選択した製造業者に特定の設計ルールを必ず確認してください。製造業者の能力はさまざまであり、確認なしに上記の絶対最小値に合わせて設計すると、歩留まりの問題やそれに伴うコストのペナルティが発生するリスクが高まります。 実際的なアプローチは、製造業者が指定した最小値の 130 ～ 150% を目標にすることです。 重要ではないトレースとスペースについては、本当に必要な領域にのみ最小限のルールの機能を確保します。