PCB設計の基礎知識

PCB 設計の基礎知識 プリント回路基板 (PCB) は、ほぼすべての種類の電子機器に使用されます。 あるデバイスに電子部品がある場合、それらはさまざまなサイズの PCB にも組み込まれています。 さまざまな小さな部品を固定することに加えて、PCB の主な機能は上部部品間の電気接続を提供することです。 電子機器がますます複雑になるにつれて、ますます多くの部品が必要になり、PCB 上のラインと部品はますます集約されます。

ベアボード (部品が何もない状態) は、「プリント配線板 (PWB)」とも呼ばれます。 ボード自体のベースプレートは、曲がりにくい絶縁・断熱材を使用しています。 表面に見える小さな回路材料は銅箔です。 もともとは基板全体に銅箔が張られていたのですが、製造工程で一部がエッチングされ、残った部分が小さなネットワーク回路になりました。

これらの線は導体パターンまたは配線と呼ばれ、PCB 上の部品に回路接続を提供するために使用されます。 PCB上の部品を固定するために、ピンを配線に直接はんだ付けします。 最も基本的な基板（単板）は、片面に部品が集中し、反対面に配線が集中しています。 このように、ピンが基板を貫通して反対側に届くように、基板に穴を開ける必要があるため、部品のピンは反対側で溶接されます。 このため、PCB の表面と裏面はそれぞれ部品面とはんだ面と呼ばれます。

製造後に取り外したり取り付けたりできる PCB 上の部品がある場合、部品を取り付けるときにソケットが使用されます。 ソケットが基板に直接溶接されているため、自由に部品を分解できます。 以下は、パーツ (ここでは CPU と呼びます) をソケットに簡単に挿入したり、ソケットから取り外したりできる ZIF (Zero Insertion Force) ソケットです。 ソケットの横にある固定棒は、部品を挿入した後に固定できます。

2 つの PCB を相互に接続する場合、通常、一般に「ゴールデン フィンガー」と呼ばれるエッジ コネクタを使用します。 ゴールド フィンガーには、実際には PCB 配線の一部である裸の銅パッドが多数含まれています。 通常、接続するときは、一方の PCB のゴールデン フィンガーを他方の PCB の適切なスロット (一般に拡張スロット スロットと呼ばれます) に挿入します。

ディスプレイ カード、サウンド カード、またはその他の同様のインターフェイス カードなどのコンピューターでは、ゴールデン フィンガーによってマザーボードに接続されます。 PCB 上の緑または茶色はソルダー マスクの色です。 この層は絶縁保護層であり、銅線を保護し、部品が間違った場所に溶接されるのを防ぎます。

シルク スクリーンの層がはんだマスクに印刷されます。 通常、ボード上の各パーツの位置を示すために、文字や記号 (ほとんどが白) が印刷されます。 スクリーン印刷面はアイコン面とも呼ばれます。

最も基本的な PCB では、部品が片側に集中し、ワイヤが反対側に集中していることを先ほど述べました。 ワイヤが片側にしか現れないため、この PCB は片面と呼ばれます。 単一のパネルの設計回路には多くの厳しい制限があるため（片側しかなく、配線が交差できず、別のパスを回らなければならないため）、初期の回路のみがそのようなボードを使用します。 両面基板は、両面に配線を施した回路基板です。 ただし、2 本のワイヤを使用する場合は、それらの間に適切な回路接続が必要です。 この回路間の「架け橋」を下穴（ビア）と呼びます。

パイロット ホールは、PCB 上の金属で充填またはコーティングされた小さな穴で、両側のワイヤで接続できます。 両面基板は単板の2倍の面積があり、千鳥配線（反対側に巻き付け可能）が可能なため、単板より複雑な回路に適しています。 .

配線できる面積を増やすために、多層基板はより多くの片面または両面配線基板を使用します。 多層基板は両面基板を数枚使用し、各基板間に絶縁層を挟み接着（プレス）する。 基板の層数は、いくつかの独立した配線層を表します。 通常、層の数は偶数で、最外層の 2 つの層が含まれます。 ほとんどのマザーボードは 4 ～ 8 層構造ですが、技術的には 100 層近くの PCB を実現できます。 大規模なスーパーコンピュータのほとんどは、多層メインボードを使用しています。 しかし、そのようなコンピュータは、すでに多くの通常のコンピュータのクラスタに置き換えられるため、超多層基板は徐々に廃止されてきました。 PCB 内の層は密接に結合されているため、通常、実際の数を確認するのは容易ではありません。 ただし、マザーボードを注意深く観察すると、見える場合があります。

先ほどのガイド穴（ビア）を両面基板に適用する場合、基板全体を貫通する必要があります。 ただし、多層基板では、一部の回路のみを接続したい場合、下穴が他の層の回路スペースを無駄にする可能性があります。 埋め込みビアとブラインド ビアは、数層しか貫通しないため、この問題を回避できます。 ブラインド ホールは、基板全体を貫通することなく、内部 PCB と表面 PCB の複数の層を接続するために使用されます。 埋め込まれた穴は内部の PCB にのみ接続されているため、表面からは見えません。 多層PCBでは、層全体がアース線と電源に直接接続されています。 したがって、各層を信号層、電源層、またはグランド層に分類します。

PCB 上の部品に異なる電源が必要な場合、そのような PCB には通常、電源層と配線層が 2 層以上あります。 部品実装技術 プラグイン実装技術では、基板の片面に部品を配置し、反対面でピンを溶接します。 この技術は「Through Hole Technology (THT)」パッケージングと呼ばれます。 このタイプのパーツは多くのスペースを占有し、ジョイント ピンごとにドリルで穴を開ける必要があります。 そのため、ピンは実際には両側でスペースを取り、はんだ接合部は比較的大きくなります。 一方、THT 部品は、SMT (Surface Mounted Technology) 部品よりも PCB との接続が良好です。 これについては後で説明します。

たとえば、フラット ケーブル ソケットや同様のインターフェイスは耐圧性が求められるため、通常は THT パッケージになっています。

表面実装技術 (SMT) は表面実装技術 (SMT) 部品を使用し、ピンは部品と同じ側で溶接されます。 この技術では、各ピンを溶接する必要はありませんが、PCB にドリルで穴を開けます。

表面接着部品は両面溶接も可能です。 SMTはTHT部品よりも小さいです。 THT 部品を使用した PCB と比較して、SMT 技術を使用した PCB ははるかに高密度です。 SMTパッケージ部品もTHTより安価です。 したがって、今日の PCB のほとんどが SMT であることは驚くべきことではありません。 部品のはんだ接合部とピンが非常に小さいため、手動溶接を使用することは非常に困難です。 しかし、現在の組み立てが完全に自動化されていることを考えると、この問題のほとんどは部品の修理時にのみ発生します。