PWBとは？プリント配線板の基本構造と用途
PWB(プリント配線板)は、電子部品を物理的かつ電気的に接続するための基板です。
主に絶縁性の基材上に銅箔を配列し、回路パターンを形成しています。
多層構造を持つものもあり、複雑な電子回路の実装が可能です。
スマートフォン、コンピュータ、自動車の電子機器など幅広い分野で使用され、信頼性の高い電子製品の基盤として不可欠です。
PWBの概要
PWB(プリント配線板)とは、電子部品を物理的かつ電気的に接続するために使用される基板のことです。
主にエレクトロニクス製品において、回路の配線を効率的かつ高度に整備するために不可欠な部材として広く利用されています。
PWBは、その構造が複雑で高密度な回路を実現できることから、スマートフォン、コンピュータ、自動車、医療機器など、さまざまな分野で欠かせない存在となっています。
PWBは、その名の通り配線がプリント(印刷)方式で行われており、銅箔などの導電性材料を用いて基板上に回路パターンを形成します。
このため、従来の手作業による配線に比べて製造精度が高く、大量生産に適しています。
また、設計の自由度が高く、複雑な回路配置や多層構造を容易に実現できる点も特徴です。
プリント配線板の基本構造
プリント配線板(PWB)の基本構造は、主に以下の要素で構成されています：
- 基板(サブストレート)：
- PWBの基盤となる部分で、通常は絶縁性の材料が使用されます。代表的な材料としては、FR-4(ガラスエポキシ樹脂)、CEM1やCEM3などがあります。基板の厚さや材質は、使用される電子部品や装置の要求に応じて選定されます。
- 導電層：
- 基板上に配置された銅箔などの導電性材料で、回路パターンを形成します。シングルサイド、ダブルサイド、多層構造など、用途に応じて層数が異なります。導電層は、エッチングやレーザー描画などの方法で所定のパターンに加工されます。
- 絶縁層：
- 多層PWBの場合、各導電層の間に絶縁層が挟まれます。これにより、異なる導電層間での電気的な絶縁が確保され、複雑な回路構成が可能となります。絶縁層には、エポキシ樹脂やポリイミドなどの材料が用いられます。
- はんだめっき層：
- 電子部品の実装に備えて、導電層の表面に錫やはんだなどのはんだめっきが施されます。これにより、部品のはんだ付けが容易になり、信頼性の高い接続が実現します。
- 表面処理：
- 防錆やはんだ付け性の向上を目的として、ピアノ級メッキ(HASL)、無鉛めっき(ENIG)、スルーホールめっき(OSP)などの表面処理が施されます。適切な表面処理は、製品の品質や耐久性に大きく影響します。
多層PWBの構造
多層PWBは、シングルサイドやダブルサイドPWBの層を積み重ね、内部に絶縁層を挟むことで構成されます。
一般的には、3層から数十層に及ぶこともあり、以下のような構造を持ちます：
- 内部層(Inner Layers)：
- 電源供給層やグラウンド層、信号層として機能します。内部層は、複数の信号線が交差しないように慎重に配置され、電磁干渉(EMI)の抑制や信号品質の向上が図られます。
- 表面層(Outer Layers)：
- 主に部品の実装や外部との接続を担当します。部品配置の自由度が高く、配線も柔軟に設計できます。
表層と裏層
- 表層(Top Layer)：
- 主に電子部品の実装に使用され、重要な信号や電源ラインが配置されます。
- 裏層(Bottom Layer)：
- 外部接続や補助的な信号ラインが配置されることが多く、表層と同様に重要な役割を果たします。
PWBの主要な用途
プリント配線板(PWB)は、電子機器の心臓部として、幅広い用途で利用されています。
主な用途は以下の通りです：
- 消費者電子機器：
- スマートフォン、タブレット、テレビ、ゲーム機などの日常的に使用される電子製品において、PWBは回路基板として不可欠です。これらの製品では、高密度な回路配置と小型化が求められるため、多層PWBが多用されます。
- コンピュータおよび周辺機器：
- デスクトップPC、ノートパソコン、サーバー、プリンター、ハードディスクドライブなど、高性能な電子部品が多数搭載される機器において、PWBは高速信号の伝送や安定した電源供給を実現します。
- 自動車電子機器：
- 車載用電子機器(エンジン制御ユニット、車載ナビゲーションシステム、安全装置など)において、耐熱性や耐振動性が求められるため、専用のPWBが使用されます。最近では自動運転技術の進展に伴い、より高度なPWBが求められています。
- 医療機器：
- 医療用画像装置、診断機器、治療機器など、高精度かつ信頼性の高いPWBが必要とされます。無菌環境や高耐久性が求められる医療分野では、専用の材料や技術が用いられます。
- 通信機器：
- ルーター、スイッチ、基地局、通信衛星など、データの高速伝送と安定性が重要な通信機器にもPWBが使用されます。特に5G通信の普及に伴い、高周波対応のPWBの需要が増えています。
- 産業機器：
- 制御システム、ロボット、計測機器など、厳しい環境下での動作が求められる産業用電子機器においてもPWBは広く活用されています。耐久性や信頼性が特に重視されます。
- 航空宇宙および防衛：
- 航空機、宇宙探査機、ミサイル誘導システムなど、高度な信頼性と耐環境性が求められる分野でも、PWBは重要な役割を果たします。
専門分野別の特徴
- 高周波回路用PWB：
- 高速信号を扱うために、信号の伝送損失を最小限に抑える設計が求められます。材料選定やレイアウト設計に高度な技術が必要です。
- 軍用・航空用PWB：
- 頑丈さや耐環境性が極めて重要であり、特別な材料や製造技術が用いられます。また、セキュリティ面でも高度な対策が施されます。
PWBの製造プロセス
プリント配線板(PWB)の製造プロセスは、設計から最終製品まで多岐にわたる工程を経て行われます。
以下に主な製造ステップを詳述します。
設計(CADデザイン)
製造プロセスの初期段階として、PWBの回路設計が行われます。
専用のCAD(Computer-Aided Design)ソフトウェアを使用し、回路図から基板上の配線パターンが設計されます。
多層PWBの場合、内部層の配置や信号のルーティングも詳細に設計されます。
フォトマスクの作成
設計された回路パターンに基づき、フォトマスク(プリント用のテンプレート)が作成されます。
フォトマスクは、光を透過させる部分と遮断する部分を持ち、感光性レジストの露光時に回路パターンを転写する役割を果たします。
基板の準備
選定された材料(例：FR-4)を基板として準備します。
多層PWBの場合、各層の導電層や絶縁層が積層される前に、個々の層が準備されます。
表面には銅箔が貼り付けられており、回路パターンを形成する前の状態です。
レジスト塗布と露光
基板上に感光性レジストを均一に塗布し、フォトマスクを用いて紫外線などの光で露光します。
露光された部分と未露光の部分が化学的に変化し、後のエッチング工程で不要な銅部分が除去されやすくなります。
エッチング
露光後、基板をエッチング液に浸し、不要な銅部分を溶解します。
これにより、設計された回路パターンのみが基板上に残ります。
エッチング工程は高精度で行われ、微細な配線が正確に形成されます。
ドリリング
回路基板に必要なビア(電気的接続用の穴)やスルーホール(部品取り付け用の穴)をドリリングマシンで穿孔します。
多層PWBでは、各層間を電気的に接続するためのビアが数多く設けられます。
塗装とめっき
穿孔後の穴に樹脂を塗布し、電気的な接続を確保します。
また、はんだめっきや錫めっきなどの表面処理を施し、電子部品の実装準備を整えます。
めっき工程は、導電性の向上や防錆効果を目的としています。
積層(多層PWBの場合)
多層PWBの場合、各層で形成された回路基板を重ね合わせ、高温・高圧下で接着剤や金属ゴムなどを用いて積層します。
積層後、レーザーや機械加工で不要な部分を除去し、最終的な厚みを調整します。
PCB検査
製造されたPWBは、目視検査や自動光学検査(AOI)、X線検査などを通じて品質を確認します。
欠陥や不良がないかを厳密にチェックし、必要に応じて修正や再加工が行われます。
切断と成形
検査を通過したPWBは、必要な形状やサイズに切断されます。
多くの場合、シート状で製造され、最終製品の仕様に合わせて成形されます。
シルク印刷とマーキング
最終的な仕上げとして、部品配置や識別用のマーキングがシルク印刷されます。
これにより、組み立て工程での部品配置が容易になり、製品のトレーサビリティも向上します。
梱包と出荷
完成したPWBは、静電気防止包装や防湿包装などの対策を施し、保護された状態で出荷されます。
輸送中のダメージを防ぐため、適切な梱包が重要です。
環境対策と品質管理
最近のPWB製造では、環境に配慮した製造プロセスが求められています。
リサイクル可能な材料の使用や、有害物質の排出を最小限に抑える技術が導入されています。
また、製造工程全体で厳格な品質管理が行われ、不良品の発生を抑えるとともに、高品質な製品の安定供給が実現されています。
まとめ
この記事では、PWBの基本構造や主要な用途、製造プロセスについて詳しく解説しました。
プリント配線板が電子機器の機能と性能に与える影響について、より明確になったことでしょう。
今後のプロジェクトでは、PWBの設計や選択を慎重に検討する際に、この記事の内容を参考にしてみてください。