プリント基板とは(英語表記: printed circuit board、略称:PCB) 

プリント基板(PCB)は、電子機器において電子部品を取り付け、配線を行うための基板です。一般的には、絶縁性のある基板材料(通常はファィバーグラス製等)に、導電性の銅箔を載せた構造を持っています。 

1.概要 

プリント基板(PCB)は電子機器の中で非常に重要な役割を果たしています。部品を固定するための基盤として機能し、電子部品間を配線することで信号や電力を提供しています。近年実装密度が高くなり多くの場合、複数の層(レイヤ)から構成されており、それぞれの層には導電性のパターン(トレース)があり、これらのトレースが電子部品間を電気的に接続しています。 

プリント基板(PCB)は一般的には専用のCAD(Computer-Aided Design)ソフトウェアを使用してデザインしています。設計者は、部品の配置・トレースの経路・電源プレーン・接地プレーンなどを定義し、完成したデザインはファイル形式で作成されオンラインで製造工場に送られて製造されます。 

・プリント基板(PCB)について主な役割について説明いたします。 

①電子部品の固定と配置: プリント基板(PCB)は電子部品を固定し、正確な位置に配置するための基盤として役目をもっています。電子部品は、プリント基板(PCB)上の導電性のパッドやはんだ付け用の穴に取り付けられます。これにより、部品同士の接続と安定性を確保しています。 

(*)パット:チップ部品をハンダ付けする主に四角形状をしたものです。 

(*)半田付け用の穴:デスクリート部品をハンダ付けする基板の表面から裏面につながっている穴(スルホール)です。 

②電気的な接続: プリント基板(PCB)上の導電性のトレース(布線)は、電子部品間の電気的な接続を提供しています。トレースは、電気信号や電力を部品間で伝送するために使用されます。複数の層からなるPCBでは、内層(内部の層)も電気的な接続に使用します。 

③電気回路の形成: プリント基板(PCB)は、導電性のトレースと部品を組み合わせて、電気回路を形成します。トレースは、回路の各部分を接続し、電流の流れや信号の経路を制御します。複雑な回路を効率的に実装するための基盤として、プリント基板(PCB)は重要な役割を果たします。 

④部品の保護と絶縁: プリント基板(PCB)は、電子部品を物理的に保護する役割も果たします。部品は基板上に取り付けられる為、外部からの機械的なダメージや環境からの保護を受けることができます。また、PCBの絶縁材料によって、回路の異なるセクションが電気的に絶縁され、互いが干渉しないようにしています。 

2.プリント基板(PCB)の種類について 

さまざまな種類のプリント基板が存在しますが、代表的な種類について説明します。 

★基板の構造の違いについて説明いたします。 

2-1 片面基板(Single-sided PCB): 片面基板は、一方の側面にのみ導線と電子部品が配置されている基板です。もっとも単純な構造であり、低コストで製造されるため、一般的な電子機器や簡単な回路に使用されます。 

2-2 両面基板(Double-sided PCB): 両面基板は、両側に導線と電子部品が配置されている基板です。片面基板よりも複雑な回路を設計できますが、製造コストはやや高くなります。 

2-3 多層基板(Multi-layer PCB): 多層基板は、複数の層(一般的には4層以上)のプリント基板です。内部の各層には導線が存在し、層間を電気的に接続するための導通孔(ビア)があります。多層基板は高密度な回路を実現し、信号伝達や電力供給の性能を向上させることができます。高性能な電子機器や複雑な回路に使用されます。 

(*)ビア:多層基板で各層間を接続する貫通の導通ようの穴(筒)のことです。 

通常は一番の層から下の層まで貫通の穴(筒)ですが。各層間のみを接続するビアを使用したものをビルドアップ基板と言います。 

多層基板+ビルドアップ基板を用いることで実装密度は一段と向上しています。 

3.プリント基板(PCB)の素材について 

★ここからは基板材料の違いについて説明いたします。 

これらは一般的なプリント基板基材の種類ですが、特定の要件や応用によってはさらに多くのバリエーションが存在します。また、最新の技術の進展に伴い、より高密度な回路や特殊な素材を使用した基板も開発されている様です。 

一般的なプリント基板(PCB)材料についていくつかを紹介いたします。 

3-1 柔軟基板(Flexible PCB): 柔軟基板は、フレキシブルな素材(一般的にはポリイミドやポリエステル)で作られた曲げ可能な基板の基材です。曲げや折り畳みに耐えることができるため、制約のあるスペースや可動部分が多い電子機器に使用されます。 

*特徴: 

・柔軟性があり折り曲げることができる。 

・曲げるためには多層化は向いていない。 

・機械的強度が弱く、重い部品を実装する際には支えが必要となる。 

使用用途:折り曲げる必要がある個所や可動部との接続。複数のリジッド基板を接続するハーネスケーブルの代わりに使用されることもあります。 

身近のものでは、パソコンや携帯(スマホ)電話等に使用されています。 

3-2 紙フェノール基板 

 紙フェノール基板は紙機材にフェノール樹脂を含侵した材料をしようして製造した基板の基材です。プリント基板の機材の中では歴史が古いと言われています。 

*規格:FR-1(ANSI・NEMA規格) 

*特徴:(利点) 

・価格が安い。 

・切断や穴あけ加工において、ガラスエポキシ基板で必要となる特殊な工具が必要ないため、加工性が高い。 

特徴:(欠点) 

・耐久性が低いため、反りが生じやすい。 

・耐熱性が悪い。 

・吸湿性が悪い。 

・電気的特性が悪い。 

→高周波特性が悪い。絶縁抵抗が低い(高導電率である)。 

・機械的特性が悪い。 

・難燃性が低い。 

・銅メッキが不向きで、銅メッキによるスルーホールを形成できない。 

使用用途:片面基板、民生機器など大量使用されコスト要求の厳しい製品に使用されます。 

3-3 紙エポキシ基板 

紙基材にエポキシ樹脂を含侵させた基材で製造したプリント基板の基材です。 

紙フェノールとガラスエポキシ基板の中間的な特性を持っています。 

*規格:FR-3(ANSI・NEMA規格) 

*特徴:紙フェノール基板と比較すると、耐熱性、吸湿性、電気的特性に優れていますが、ガラスエポキシ基板には劣ります。 

使用用途:片面基板で、絶縁抵抗性吸水性は紙フェノール基板より優れているために「高電圧回路」「耐吸水性を要求する回路」などに使用される事が多いです。 

3-4 ガラスエポキシ基板 

ガラス布(ガラス繊維(グラス・ファイバとも呼ばれる)を布状に編んだガラス織布)にエポキシ樹脂を含侵させた材料で製造したプリント基板の基材です。 

現在一番よく使用されている基材です、両面基板を含めた多層基板のほとんどはこのガラスエポキシ基板が使用されています。基板厚みの薄い(0.2mm~0.4mm)のものから、通使われている(1.6~2.0mm)まで幅広い分野で使用されています。 

*規格:一般的耐熱性:FR-4(ANSI・NEMA規格) 

    高耐熱性  :FR-5(ANSI・NEMA規格) 

*特徴:(利点) 

・温度・湿度に対する寸法変化が小さい。 

・硬いため、耐久性が高い。 

・電気的特性が良い。 

・高周波特性が良い。 

・絶縁抵抗が高い(低誘電率である)。 

・機械的特性が高い。 

・難燃性が高い。 

・耐吸湿性が高い。 

特徴:(欠点) 

・加工性が悪い。 

・専用の工具や機械を使わないと加工ができない。 

・コストが高い(紙フェノール基板の2〜3倍程度と言われている) 

使用用途: 

難燃性・導電率・耐久性が良いため、高信頼性や耐高周波性が求められる回路等に使われます。 

片面基板・両面基板を含めた多層基板用途とされています。 

3-5 金属ベース基板 

アルミを材料としたプリント基板の基材です。 

特徴(利点) 

・熱伝導性が高い 

特徴(欠点) 

・製造コストが高くなります。 

使用用途: 

熱伝導率が高いため、電源基板・パワー部品搭載基板・大型モータの制御回路・LED搭載基板など高い放熱性が要求さられる用途で使用されています。 

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