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プリント基板

プリント基板(プリントきばん)とは、正式にはプリント配線板と言い、集積回路、抵抗器、コンデンサー等の電子部品を実装し、その部品間を接続して電子回路を構成する配線を形成した板状またはフィルム状の部品である。英文では printed wiring board (PWB) または printed circuit board (PCB) と表記される。

主に、基材に対して絶縁性のある樹脂を含浸した基板上に、銅箔など導電体で回路(パターン)配線を構成する。広義にはプリント基板に電子部品を実装した状態も含むが、区別のために実装済基板のことはユニット、ボード、モジュール、パッケージ等の別名をあてることも多い。

但し「PCB」は、有害物質「ポリ塩化ビフェニル」の略語PCBとの混同を避け、おおむねPWBと表記される事が多い。一方、PWBを「電子部品がはんだ付けされておらず、配線(wire)だけの状態のもの」(ベアボード)、PCBを「電子部品がはんだ付けされて、回路(circuit)として動作するようになったもの」として使い分けているケースもある。

他の呼称としては、プリント配線板、プリント配線基板、プリント回路基板、あるいは単に回路基板などがある。エレクトロニクス実装学会ではプリント配線板またはプリント回路板を正式名称としている。[1] (註:「基盤」と表記するのは間違い)


分類
大きな分類として、絶縁体基材に柔軟性のある材料を用いたフレキシブル基板と、柔軟性のない材料を用いたリジッド基板、硬質な材料とフレキシブルな材料とを複合したリジッドフレキシブル基板などに分けられる。フレキシブル基板は薄くて柔軟性があることから、機器に組み込む際に自由度が高く、小型の電子機器などに使われている。また、コネクタ間を配線するためのフィルム状配線材もフレキシブル基板と呼ばれることがある。
単にプリント基板と呼ぶ場合にはリジッド基板を指すことがほとんどであるので、ここではリジッド基板のより詳細な分類を記す。


絶縁体の種別によるもの
紙フェノール基板
紙にフェノール樹脂を含浸させたもの。別名ベークライト基板(ベーク基板)。安価で加工性が良いので、プレスによる打ち抜きで民生機器用基板を大量生産するに使われる。反面、機械的強度が低く、反りも生じやすい。通常片面基板として利用される。
紙エポキシ基板
紙にエポキシ樹脂を含浸させたもの。紙フェノールとガラスエポキシの中間的な特徴を持つ。通常片面基板として利用される。
ガラスコンポジット基板
切り揃えたガラス繊維を重ねて、エポキシ樹脂を含浸させたもの。安価な両面基板として利用される。
ガラスエポキシ基板
ガラス繊維製の布(クロス)を重ねたものに、エポキシ樹脂を含浸させたもの。電気的特性・機械的特性ともに優れているが、高価である。近年は需要の増加により、価格は下がる傾向にある。
表面実装用基板として最も一般的に使われている。両面基板以上の多層基板に利用される。

テフロン基板
絶縁材にテフロンを用いたもの。高周波特性が良好なためUHF、SHF帯の回路に用いられるが、非常に高価である。

アルミナ基板
グリーンシートと呼ばれるアルミナ(酸化アルミニウム)にタングステンなどでパターンを形成/積層したものを焼成して製造するファインセラミックスの一種。色は白や灰色などがある。高周波特性や熱伝導に優れるため、主にUHF、SHF帯のパワー回路で使用される事が多い。

コンポジット基板
ガラスエポキシ基板を中心として両面には紙エポキシ基板を形成したもの。ガラスエポキシ基板のみに比べて加工しやすく、価格が安い。

構造
片面基板
片面のみにパターンがあるもの。1層基板。

両面基板
両面にパターンがあるもの。2層基板。

多層基板
ウエハース状に絶縁体とパターンを積み重ねたもの。部品の実装密度が上がり、回路結線が複雑になると両面では回路配線を収容しきれないため層を増やすことで対応する。表面以外の層は直視できないため保守性は劣る。このため4層基板の場合、目視しやすくするため、内側の2層(内層)を電源層およびグラウンド層として用い、信号線は表面の2層(外層)に配置する場合が多い。高密度実装が要求される機器では6層や8層の基板もしばしば採用されるが、各層を平等に扱う場合と4層で収容し切れなかった信号配線を追加層に順次収容するように使う場合とがある。内層のある層を電源層やグラウンド層として使うことが多い。高性能コンピュータなどでは数十層におよぶ場合もある。
多層板の種類は大きく分類すると、スルーホールで層間の回路を接続する貫通多層板、IVHを内蔵するIVH多層基板、ビルドアップ工法により作製されるビルドアップ基板に分けられる。貫通多層板はパソコン用マザーボードなどに使用される。多層基板はビルドアップ工法など、特別な装置や工程を必要とするため、専門メーカーによって製造される。片面基板・両面基板は特別な工程は必要としないため、電子工作愛好家が自家製作するための材料も市販されている。

ビルドアップ基板
逐次積層法により一層づつ層を積み上げ、レーザー加工などにより直径100μm程度の微細な層間接続ビアを形成した、配線密度の高い多層配線板。IBMが開発した、感光性樹脂にフォトリソグラフィで穴明けを行うSLC(Surface Laminar Circuit)基板が先鞭をつけたとされる。海外ではMICROVIAと呼ばれることが多い。携帯電話やデジタルカメラなど実装密度が高く、薄型化が要求される携帯機器への採用が進んでいる。代表的な製品としては松下電子部品のALIVHやイビデンのFVSS、日本シイエムケイのPPBUほか多くの企業で様々な方式がある。ビルドアップ基板は一層づつ積層を行うため層数が増えれば増えるほど、リードタイムが伸び製造コストがかかる欠点があるが、この問題を克服するために大日本印刷のB2itなど一括積層法の開発、実用化されている。

プリント板に関する技術
(エッチング)レジスト
プリント基板の製造工程において、基板を覆うように塗布あるいは貼付される物質、またはそうして形成された層のこと。役割としては、エッチング工程において、配線として残したい部分の銅に薬剤が接触しないようにする。かつてはポリアミドフィルムを貼付した後ドリルで穴を開けるなどしていたが、最近では感光性の組成物(フォトレジスト)を塗布して、パターン露光、現像(→フォトリソグラフィ)により、必要な部分のみを残す方法が主流である。エッチング工程の前に穴あけおよびスルーホールめっきを施している場合は、パターンを形成する部分とスルーホールめっきを保護するために両者をレジストで覆う必要があり、これをテンティング法と呼ぶ。テンティング法の代わりに、はんだでエッチングレジストとして使用するはんだ剥離法という工法もある。はんだ剥離法はエッチング後にはんだを剥離するが、従来は剥離しないでその上にソルダーレジストを塗布することがあった。しかし凹凸が発生することや応力などによりソルダーレジストが剥がれやすいため、最近は一般的ではない。

ソルダーレジスト
はんだ付けが必要な部分だけを銅箔として露出し、はんだ付けが不要な部分にはんだが付かないようにプリント板上に形成する熱硬化性エポキシ樹脂皮膜のこと。プリント板製造工程の最終段階で施工される。日本では主に緑色もしくは黄緑色のものが使われるが、海外生産品では青色や赤色その他の色も使われている。従来は緑色の顔料に塩素や臭素などの難燃性材料が含まれていたが、環境への対応としてこれらが不要な青色のレジストを用いた環境調和型(ハロゲンフリー)のレジストが開発された。プリント配線板を焼却した際にダイオキシンなどが発生しにくいため、環境調和型プリント配線板基材と共に採用例が増えている。現在では緑色レジストでも塩素、臭素を含まないものが開発されている。なお、青色のレジストを使っていても環境調和型(ハロゲンフリー)とは限らないので注意が必要である。

永久レジスト
フルアディティブ、パートリーアディティブ工法などでは、銅パターンを形成したくない部分にレジストを形成し、電解めっきまたは無電解めっきでレジストのない部分にのみめっきを析出させる。このときのレジストはめっきレジストとして機能すると共にそれ以降は剥離せずにそのままソルダーレジストとして使用するため永久レジストと呼ぶことがある。

層間接続
スルーホール
プリント板の各層を接続するための板に垂直に穿った穴の内側に導体をめっきにより形成したもの。実装用の穴は通常層間の接続を兼ねるが、それ以外の場所でも必要ならスルーホールを設けて接続する。この層間接続専用のスルーホールをビア (via) と呼ぶ。めっきによるスルーホール作成技術が確立する以前は、はとめ(鳩目)を用いていた。

IVH(Interstitial Via Hole)
通常のビアは基板を貫通するが、IVHは特定の層間のみを接続するビアである。それ以外の層にはビアが現れないため、集積度を向上させることができる。BVH(Blind via Hole)またはBH(Buried Hole)などと呼ぶこともある。IVHの形成方法はドリルによる穴開け、レーザー加工、エッチング加工が代表的。基板業界ではIVH多層基板といえばドリルによる穴開けタイプのことを指すことが多く、ビルドアップ基板とは区別される場合が多い。

スルーホール実装(穴挿入部品実装)
スルーホールに部品リード(足)を通して部品を実装する方式。ラジアル部品、アキシャル部品、DIP、PGA、ZIPなどのパッケージはこの方式で実装するための形態である。

表面実装
表面実装技術 (Surface Mounting Technology, SMT) 。プリント板に実装用の穴を設けるのではなく、パッド上に部品を載せ実装面だけのはんだ付けで部品を実装する技術。パッドの上にクリーム状のはんだを塗布し、部品を載せた後、温風や赤外線で基板全体を加熱してはんだ付けする方法をリフローはんだと呼ぶ。他に、接着剤で基板に部品を貼りつけ、加熱して溶かしたはんだの槽に基板を浸してはんだ付けする方法をフローはんだと呼ぶ。フローはんだは端子が狭ピッチ化したICの実装が困難であるなどの欠点もあるが、リード部品を同時にはんだ付けできるため、リフロー・フロー工程を適宜組合わせて用いたり、工程に適した基板設計が行なわれる。1990年代以降の高密度実装の技術では主流である。表面実装用部品を (Surface Mounting Device, SMD) と呼ぶ。代表的なSMDとしてチップ部品、IC、LSIのSOP、QFP、BGAなどのパッケージがある。

ランド
元々、スルーホール実装用部品を挿入する穴の表面周囲に設けた円形や四角形のはんだ付け用の銅箔の呼称であったが、表面実装部品を実装するためのはんだ付け用銅箔もランドと呼ばれることが多くなっている。

パッド(フットプリント)
表面実装部品を実装するための、はんだ付け用銅箔。

自動実装機
プリント配線板に部品を取り付ける自動機械で、部品リールなどから部品を取り出し、部品を搭載し、穴挿入部品の場合はリードの切断、曲げ加工なども同時に行うのが一般的である。また、部分はんだ付けまでを行うものもある。はんだ付けなど一連の工程を受け持つ多数の機械を直列に配列した実装ラインに配置されている。現在、殆どの電子部品は自動実装に対応した仕様で作られ、リール供給または表面実装部品ではトレイ供給、バルク供給などで行われている。

加工法
サブトラクティブ法
全面に銅箔を張られた基板から、不要な部分を取り除いて回路を残す方法。
配線として残したい部分に、シルクスクリーン印刷などで防蝕膜となるインクや塗料を塗布して覆い(マスキング)、金属腐食性のある薬品(銅箔の場合、一般的に塩化第二鉄溶液を用いる)で腐食(エッチング)させて必要な回路を残す方式。プリント基板という名称の語源はここから来ている。
印刷によるマスキングに換えて、フォトレジストを塗布した基板を用いて、配線パターン形状を撮影したマスクフィルムで覆い、感光させてから溶剤で溶かして配線パターン部分を残し、それをエッチングする方式。フォトレジストの特性により、「感光した部分が耐溶解性となる」ものと「初期状態では耐溶解性で、感光した部分が溶解性となる」ものがあり、それに応じてマスクフィルムはネガ・ポジを使い分ける必要がある。この技術は、半導体の製造にも応用されている。
腐食液を適切に処理しないと環境破壊につながるという点や、マスク作成の工程が複雑などの短所がある。
全面が銅箔の基板から、不要な部分を機械的に切削、取り除いて回路を残す方式は、薬品やマスクが不要である。試作などの少量製作の場合に、簡便に回路基板を製作できる。これは手作業でも行えるが、専用の機械を使うほうが便利である。

アディティブ法
絶縁体基板に回路パターンを後から付け加える方法。銅パターンを形成したくない部分にレジスト(めっきレジスト)を形成し、レジストのない部分に電解または無電解めっきを施すことでパターンを形成する。アディティブ法にはフルアディティブ法、パートリーアディティブ法、セミアディティブ法などがある。日立化成、日立エーアイシー、イビデンなどはフルアディティブ法を採用している(なお、これらの企業はサブトラクティブ法による製造も行っている)。
メッキ・電鋳の技術を応用して、回路パターンを析出させて構成するもの。
導電性ポリマーを絶縁基板上に線状に絞り出して塗布し回路を構成するもの。銅箔よりは配線抵抗が大きいため、主にディジタル回路基板の試作に用いられる。

マルチワイヤー
ポリイミドで絶縁被覆した銅線を自動布線機で縦横自由に配線して絶縁多層配線構造を形成するプリント配線板。デジタル回路のバス配線長を等しくしやすいなどの特徴がある。日立化成が採用している。

日本国内の主要メーカー
パナソニックエレクトロニックデバイス (松下電子部品の社名変更および旧 山梨松下電工の合併)
イビデン
日本シイエムケイ
日本サーキット工業(JCI)
日立化成工業
日立エーアイシー
日立プリント板ソリューション (旧日立製作所 神奈川工場(秦野地区))
アイカ工業/アイカ電子
エルナー
ユーアイ電子
アイレックス
沖プリンテッドサーキット
イースタン
協栄産業
三和電子サーキット
トッパン NEC サーキット ソリューションズ(TNCSI) (旧 NEC富山と凸版印刷の合併新会社)
大日本印刷 (旧 大日本印刷と東芝サーキットテクノロジーの合併会社(DTCT)の親会社吸収)
京写
京セラSLCテクノロジー (旧 日本アイビーエム野洲事業所)
キョウデン
シャープ
神光製作所
新神戸電機
双信電機
日本ビクター
東芝ホクト電子
日本メクトロン
日本特殊陶業
富士機工電子
フジクラ
富士通インターコネクトテクノロジーズ (旧 富士通明石工場と旧 富士通長野工場と旧 富士通ベトナム工場)
富士電機システムズ
古河電工
三菱電機
メイコー
山一電機
日本アビオニクス
キヤノン・コンポーネンツ
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