PCB を設計する前に、回路設計者は PCB ショップを見学し、PCB 製造の要求について製造業者と直接コミュニケーションを取ることをお勧めします。これは、設計者が設計段階で不必要なエラーを犯すのを防ぐのに役立ちます。しかし、PCB 製造の問い合わせを海外のサプライヤーにアウトソーシングする企業が増えるにつれ、これは現実的ではなくなりました。このため、PCB 基板の製造工程を正しく理解していただくためにこの記事を紹介します。これにより、回路設計者や PCB 業界に初めて携わる人々に、プリント基板がどのように製造されるのかを明確に理解してもらい、不必要な間違いを避けることができれば幸いです。

PCB 製造プロセスのステップ

ステップ 1: 設計と出力

回路基板は、設計者が PCB 設計ソフトウェアを使用して作成した PCB レイアウトと厳密に互換性がある必要があります。一般的に使用される PCB 設計ソフトウェアには、Altium Designer、OrCAD、Pads、KiCad、Eagle などが含まれます。 注: PCB の製造前に、設計者は回路設計に使用した PCB 設計ソフトウェアのバージョンを契約製造業者に通知する必要があります。これにより、不一致によって引き起こされる問題を回避できます。

PCB 設計の生産が承認されると、設計者はその設計をメーカーがサポートする形式にエクスポートします。最も頻繁に使用されるプログラムは拡張ガーバーと呼ばれます。 1980 年代のベビーフードの広告キャンペーンでは美しい赤ちゃんが求められ、このソフトウェアは美しくデザインされた子孫を生み出します。ガーバーは IX274X という名前でも呼ばれます。

PCB 業界は、完璧な出力フォーマットとして拡張ガーバーを誕生させました。 PCB 設計ソフトウェアが異なれば、異なるガーバー ファイル生成手順が必要になる場合があります。それらはすべて、銅トラッキング レイヤー、ドリル図面、開口部、コンポーネント表記、その他のオプションを含む包括的な重要な情報をエンコードします。この時点で、PCB 設計のあらゆる側面がチェックされます。ソフトウェアは設計上で監視アルゴリズムを実行し、エラーが検出されないことを保証します。設計者はまた、トラック幅、基板エッジの間隔、トレースと穴の間隔、穴のサイズに関する要素に関して計画を検討します。

徹底的な検査の後、設計者は生産のために PCB ファイルを PC 基板ハウスに転送します。製造プロセス中に設計が最小公差の要件を満たしていることを確認するために、ほぼすべての PCB 製造工場は回路基板の製造前に製造設計 (DFM) チェックを実行します。

ステップ 2: ファイルからフィルムへ

PCB 印刷は、設計者が PCB 回路図ファイルを出力し、メーカーが DFM チェックを実施した後に開始されます。メーカーは、プロッターと呼ばれる特殊なプリンターを使用して、PCB の写真フィルムを作成し、回路基板を印刷します。メーカーはフィルムを使用して PCB を画像化します。レーザー プリンターですが、標準的なレーザー ジェット プリンターではありません。プロッタは、非常に正確な印刷技術を使用して、PCB 設計の非常に詳細なフィルムを提供します。

最終製品は、黒インクで PCB の写真ネガが印刷されたプラスチック シートになります。 PCB の内層では、黒のインクが PCB の導電性銅部分を表します。画像の残りの透明な部分は、非導電性材料の領域を示しています。外側の層は逆のパターンに従います。銅の場合は透明ですが、黒はエッチングで除去される領域を指します。プロッターは自動的にフィルムを現像し、フィルムは不要な接触を防ぐために安全に保管されます。

PCB およびソルダーマスクの各層には、独自の透明および黒色のフィルム シートが適用されます。 2 層 PCB には、層用に 2 枚、ソルダー マスク用に 2 枚の合計 4 枚のシートが必要です。重要なのは、すべてのフィルムが互いに完全に対応している必要があることです。調和して使用すると、PCB の位置合わせが計画されます。

すべてのフィルムを完璧に位置合わせするには、すべてのフィルムに位置合わせ用の穴を開ける必要があります。穴の精度は、フィルムを置くテーブルを調整することによって決まります。テーブルの微調整によって最適な一致が得られると、穴が開けられます。この穴は、イメージング プロセスの次のステップで位置合わせピンにはめ込まれます。

ステップ 3: 内側の層を印刷する: 銅はどこへ行くのか?

前のステップでの膜の作成は、銅の経路の図を描くことを目的としています。今度はフィルム上の図を銅箔に印刷します。

PCB 製造のこのステップでは、実際の PCB を作成する準備をします。 PCB の基本的な形状は、基板材料とも呼ばれるエポキシ樹脂とガラス繊維をコア材料とする積層板で構成されます。ラミネートは、PCB を構成する銅を受け入れるための理想的なボディとして機能します。基板材料は、PCB の頑丈で防塵性のある出発点となります。銅は両面にあらかじめ接着されています。このプロセスでは、銅を削ってフィルムからデザインを明らかにします。

PCB の構築では、清浄度が重要です。銅面ラミネートは洗浄され、除染された環境に送られます。この段階では、ラミネートにほこりの粒子が付着しないことが重要です。誤って汚れが付着すると、回路がショートしたり、開いたままになったりする可能性があります。

次に、クリーンなパネルにフォトレジストと呼ばれる感光性フィルムの層が塗布されます。フォトレジストは、紫外線にさらされると硬化する光反応性化学薬品の層で構成されています。これにより、写真フィルムとフォトレジストが正確に一致することが保証されます。フィルムはピンに取り付けられ、ラミネート パネル上の所定の位置に保持されます。

フィルムと基板を並べて紫外線を照射します。光はフィルムの透明な部分を通過し、その下の銅上のフォトレジストを硬化させます。プロッターの黒いインクにより、硬化する予定のない領域に光が届かなくなり、これらの領域は除去される予定です。

基板の準備が完了したら、アルカリ溶液で洗浄し、硬化せずに残っ​​たフォトレジストを除去します。最終的な高圧洗浄により、表面に残ったものをすべて取り除きます。その後、基板を乾燥させます。

製品は、最終的な形状に残ることになる銅領域を適切に覆うレジストとともに現れます。技術者はボードを検査して、この段階でエラーが発生しないことを確認します。この時点で存在するすべてのレジストは、完成した PCB に現れる銅を示しています。

この手順は、2 層以上のボードにのみ適用されます。シンプルな 2 層基板の場合は、穴あけ作業に進みます。多層基板にはさらに多くの手順が必要です。

ステップ 4: 不要な銅を除去する

フォトレジストが除去され、硬化したレジストが保持したい銅を覆うと、基板は次の段階、つまり不要な銅の除去に進みます。アルカリ溶液でレジストを除去したのと同じように、より強力な化学処理により余分な銅が除去されます。銅溶剤溶液バスは、露出した銅をすべて除去します。一方、目的の銅はフォトレジストの硬化層の下で完全に保護されたままになります。

すべての銅板が同じように作られているわけではありません。一部の重い基板では、より多量の銅溶剤とさまざまな長さの露出が必要になります。余談ですが、銅基板が重い場合は、トラックの間隔にさらに注意を払う必要があります。ほとんどの標準 PCB は同様の仕様に依存しています。

溶剤によって不要な銅が除去されたので、望ましい銅を保護している硬化したレジストを洗い流す必要があります。別の溶媒がこの役割を果たします。基板は、PCB に必要な銅基板のみで輝きます。

ステップ 5: 層の位置合わせと光学検査

すべてのレイヤーがきれいで準備ができたら、すべてのレイヤーが揃っていることを確認するために位置合わせパンチが必要になります。位置合わせ穴は、内側のレイヤーを外側のレイヤーに位置合わせします。技術者は、光学パンチと呼ばれる機械に層を配置します。これにより、正確な対応が可能になり、位置合わせ穴が正確に開けられます。

レイヤーを一度一緒に配置すると、内側のレイヤーで発生したエラーを修正することはできません。別の機械がパネルの自動光学検査を実行し、欠陥がまったくないことを確認します。メーカーが提供したガーバー社のオリジナルデザインがモデルとなります。マシンはレーザー センサーを使用してレイヤーをスキャンし、デジタル画像と元のガーバー ファイルを電子的に比較します。

機械に矛盾が見つかった場合は、技術者が評価できるように比較結果がモニターに表示されます。層が検査に合格すると、PCB 生産の最終段階に進みます。

ステップ 6: レイヤーアップと結合

この段階では、回路基板の形が形成されます。すべての別々の層が結合を待っています。レイヤーの準備ができて確認できたら、あとはそれらを融合するだけです。外層は基材と結合する必要があります。このプロセスは、レイヤーアップとボンディングという 2 つのステップで行われます。

外層の材料は、エポキシ樹脂があらかじめ含浸されたガラス繊維のシートで構成されています。これの略称はプリプレグと呼ばれます。薄い銅箔は、銅トレースのエッチングを含む元の基板の上部と下部も覆います。今度はそれらを一緒にサンドイッチします。

接合は金属クランプを備えた重い鋼製テーブル上で行われます。層はテーブルに取り付けられたピンにしっかりとフィットします。アライメント中のズレを防ぐために、すべてがぴったりとフィットする必要があります。

技術者は、まず位置合わせ盆地の上にプリプレグ層を配置します。基板層は、銅シートを配置する前にプリプレグ上にフィットします。さらにプリプレグのシートが銅層の上に置かれます。最後に、アルミ箔と銅のプレスプレートを重ねて完成です。これでプレスの準備が整いました。

作業全体は、ボンディングプレスコンピューターによって実行される自動ルーチンを受けます。コンピューターは、スタックを加熱するプロセス、圧力を加えるポイント、制御された速度でスタックをいつ冷却するかを調整します。

次に、ある程度の解凍が行われます。すべての層が PCB の素晴らしいサンドイッチ状に一体成形されているため、技術者は多層 PCB 製品を開梱するだけです。拘束ピンを取り外して上部のプレッシャープレートを廃棄するだけの簡単な作業です。 PCB の良さは、アルミニウム プレス プレートの殻の内側から勝利をもたらします。プロセスに含まれる銅箔はそのまま残り、PCB の外層を構成します。

ステップ 7: ドリル

最後に、スタックボードに穴を開けます。銅接続ビアホールやリード線など、今後登場する予定のすべてのコンポーネントは、精密なドリル穴の精度に依存しています。穴は髪の毛ほどの幅で開けられます。髪の毛の平均直径は 150 ミクロンであるのに対し、ドリルの直径は 100 ミクロンに達します。

ドリルターゲットの位置を見つけるために、X 線ロケーターが適切なドリルターゲットスポットを特定します。次に、一連のより具体的な穴のスタックを固定するために、適切な位置合わせ穴が開けられます。

穴あけの前に、技術者は緩衝材の板をドリルターゲットの下に置き、きれいな穴が開けられるようにします。出口の素材は、ドリルの出口での不必要な引き裂きを防ぎます。

コンピューターはドリルのあらゆる微細な動きを制御します。機械の動作を決定する製品がコンピューターに依存するのは当然のことです。コンピュータ駆動の機械は、元の設計の穴あけファイルを使用して、穴あけに適切なスポットを特定します。

ドリルは 150,000 rpm で回転するエア駆動スピンドルを使用します。この速度では、穴あけはあっという間に終わると思われるかもしれませんが、開けなければならない穴はたくさんあります。平均的な PCB には、100 をはるかに超えるボアの無傷の箇所が含まれています。穴あけ中は、それぞれがドリルで特別な瞬間を必要とするため、時間がかかります。この穴には、後でビアと PCB の機械的取り付け穴が収容されます。これらの部品の最終的な取り付けは、めっき後に行われます。

穴あけが完了した後、生産パネルの端を覆う追加の銅がプロファイリング ツールによって除去されます。

ステップ 8: メッキと銅の蒸着

穴あけ後、パネルはメッキに移ります。このプロセスでは、化学蒸着を使用してさまざまな層を融合させます。徹底的に洗浄した後、パネルは一連の化学浴にさらされます。浴中に、化学蒸着プロセスにより、パネルの表面に銅の薄い層（厚さ約 1 ミクロン）が蒸着されます。銅は新しく開けられた穴に入ります。

このステップの前に、穴の内面はパネルの内部を構成するガラス繊維素材を露出させるだけです。銅浴は穴の壁を完全に覆い、またはメッキします。ちなみに、パネル全体に新しい銅の層が追加されます。最も重要なのは、新しい穴が塞がれることです。コンピュータは、浸漬、除去、行列のプロセス全体を制御します。

ステップ 9: 外層イメージング

ステップ 3 では、パネルにフォトレジストを塗布しました。このステップでは、これを再度実行します。ただし、今回は、PCB 設計を使用してパネルの外層をイメージ化します。まず、層の表面に汚染物質が付着するのを防ぐために、無菌室で層を作成し、次にフォトレジストの層をパネルに塗布します。準備されたパネルは黄色の部屋に入ります。 UV 光はフォトレジストに影響を与えます。黄色光の波長には、フォトレジストに影響を与えるほどの UV レベルがありません。

黒インク透明フィルムはピンで固定されており、パネルとの位置ずれを防ぎます。パネルとステンシルを接触させた状態で、発生器から高紫外線を照射し、フォトレジストを硬化させます。次に、パネルは機械に送られ、黒インクの不透明度で保護された未硬化のレジストが除去されます。

このプロセスは、内部層のプロセスの反転として機能します。最後に、外側のプレートは検査を受け、前の段階で不要なフォトレジストがすべて除去されていることを確認します。

ステップ 10: メッキ

メッキ室に戻ります。ステップ 8 で行ったように、パネルに銅の薄い層を電気めっきします。外層フォトレジストステージから露出したパネルの部分には、銅の電気めっきが施されます。最初の銅めっき浴に続いて、通常、パネルには錫めっきが施され、これにより、除去予定の基板上に残ったすべての銅を除去できます。錫は、次のエッチング段階で銅で覆われたままになるパネルのセクションを保護します。エッチングにより、パネルから不要な銅箔が除去されます。

ステップ 11: 最終エッチング

錫は、この段階で目的の銅を保護します。不要な露出した銅と残りのレジスト層の下の銅は除去されます。再度、化学溶液を適用して余分な銅を除去します。一方、この段階では錫が貴重な銅を保護します。

これで、導電領域と接続が適切に確立されました。

ステップ 12: はんだマスクの塗布

はんだマスクを基板の両面に塗布する前に、パネルを洗浄し、エポキシはんだマスクインクで覆います。基板は、はんだマスクのフォト フィルムを通過する UV 光を照射します。覆われた部分は硬化していないため、除去されます。

最後に、基板をオーブンに入れてはんだマスクを硬化させます。

ステップ 13: 表面仕上げ

PCB のはんだ付け性を高めるために、PCB に金または銀を化学メッキします。一部の PCB には、この段階で熱風で平らにされたパッドも取り付けられます。熱風レベリングにより均一なパッ​​ドが得られます。このプロセスにより、表面仕上げが生成されます。 PCBCart は、顧客の特定の要求に応じて複数のタイプの表面仕上げを処理できます。

ステップ 14: シルクスクリーン

ほぼ完成した基板の表面には、PCB に関するすべての重要な情報を示すためにインクジェットで書き込みが行われます。 PCB は最終的に最後のコーティングと硬化の段階に進みます。

ステップ 15: 電気テスト

最終的な予防策として、技術者は PCB の電気テストを実行します。自動化された手順により、PCB の機能と元の設計への適合性が確認されます。 PCBCart では、フライング プローブ テストと呼ばれる電気テストの高度なバージョンを提供しています。これは、移動プローブに依存して、裸の回路基板上の各ネットの電気的性能をテストします。

ステップ 16: プロファイリングと V スコアリング

さて、最後のステップである切断に来ました。オリジナルのパネルからさまざまなボードが切り出されます。使用される方法はルーターまたは V 溝の使用が中心です。ルーターはボードの端に沿って小さなタブを残し、V 字溝はボードの両側に沿って斜めのチャネルをカットします。どちらの方法でも、ボードをパネルから簡単に取り出すことができます。

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