プリント基板（PCB）とは｜構造・種類・製造プロセス・用途を解説

プリント基板（PCB）の構造・種類・製造プロセスから用途までわかりやすく解説。設計や製造のポイント、最新トレンドも紹介する完全ガイド。

プリント基板とは、電子部品を物理的に支持し、部品間を電気的に接続するために設計された基板のことです。現在ではほとんどのコンピュータや電子機器に組み込まれており、回路を小型化・量産化・信頼化するための基本部品になっています。

構造と材料

一般的なプリント基板は、電気を通さない支持材（基材）に薄い銅箔を貼り付け、必要なパターンだけを残して不要な銅を除去したものです。基材にはガラス繊維と樹脂を組み合わせたFR-4が広く使われています（本文では「グラスファイバー」が使われることが多い）。

• 基材：FR-4（ガラスエポキシ）、紙フェノール、ポリイミド（フレキ用）など。
• 導体：銅箔。厚さ（μm）や銅重量（oz/ft²）で指定されます。
• はんだマスク：銅パターンを覆ってショートや酸化を防ぐ緑や赤のレジスト。
• シルク印刷：部品番号や識別文字を印刷するレイヤ。
• 仕上げ：表面処理（ENIG、HASL、OSPなど）で部品実装性や耐環境性を向上させます。

種類（構造・用途別）

• 単層基板（シングルレイヤ）：片面にのみ配線がある最も単純なタイプ。家電や簡易機器で使用。
• 両面基板（ダブルレイヤ）：表裏両面に配線があり、ビアで接続。中小規模の回路に適する。
• 多層基板（マルチレイヤ）：内部に信号層や電源層を持つ。高密度・高機能の電子機器（PC、スマートフォン、サーバ等）で必須。
• フレキシブル基板（フレキ）：薄いポリイミド等を用い、曲げ可能。可動部分や狭いスペースに有効（本文でも触れた「フレキシブル回路基板」）。
• リジッドフレックス：剛体部とフレキ部を一体化した基板で、信頼性と配線密度を両立。
• 高周波基板（RF/マイクロ波）：誘電率が制御された基材を用い、通信機器や高周波回路に使われる。

配線と部品実装の方式

基板上の部品は主に次の2方式で実装されます。

• スルーホール実装：部品のはめ脚を基板の穴に通して裏面でハンダ付けする方法。機械的強度が必要な部品に使われます。
• 表面実装（SMD）：部品を基板表面に直接はんだ付けする方式で、小型化・高密度実装に適します。現代の量産では主流です。

製造プロセス（主な工程）

代表的な製造フローを簡潔に示します。

• 設計：回路図作成、基板レイアウト（CAD/EDA）。配線幅、クリアランス、インピーダンス設計、部品配置を決定します。
• 基材準備とラミネーション：多層板は内部層を積層・加熱加圧して一体化します。
• 穴あけ（ドリル）：部品取り付け用のスルーホールやビアをドリルで加工。微細なマイクロビアはレーザー加工も使います。
• 銅めっき・導通形成：穴壁に銅をめっきして層間の導通を確立します。
• 露銅・エッチング：不要な銅を化学的に除去して配線パターンを形成。
• はんだマスク塗布：銅パターンを保護し、はんだ付け領域を露出させます。
• 表面仕上げ：部品実装のための仕上げ（ENIG、HASLなど）を施します。
• シルク印刷・検査：識別印刷と電気的・外観検査（AOI、自動光学検査、電気試験）を行います。
• 組立て（実装）：はんだペースト印刷、部品搭載（ピックアンドプレース）、リフローはんだ付けまたは波はんだ。
• 最終検査・テスト：機能試験、環境試験、老化試験などで品質を確認します。

設計・製造での重要ポイント

• 信号品質：高周波や高速信号ではインピーダンス制御、層構成、グラウンドプレーン設計が重要です。
• 熱管理：高消費電力部品の放熱経路、スルーホールや金属ヒートシンクの設計が必要です。
• 機械的強度：振動や衝撃に耐えるための固定方法や基板材質の選定。
• 製造公差：最小線幅、ライン間距離、ドリル径などは製造業者の能力に合わせる必要があります。
• 環境・規制：RoHS等の環境規制への対応、フラックスや表面処理の選定。

用途・適用分野

プリント基板は電気を使うほとんどの製品に用いられます。例を挙げると：

• コンピュータやサーバのマザーボード、グラフィックカード
• 携帯電話やスマートフォンのメイン基板
• テレビや家電製品の制御回路
• 自動車（ECU、電装系）、航空宇宙、医療機器、通信インフラ、産業機器、IoTデバイスなど

信頼性と品質管理

基板や実装の信頼性は用途により厳しく求められます。自動車・医療・航空分野では耐熱性、耐振動性、長期信頼性のために材料選択・設計検証・環境試験が必須です。製造では統計的工程管理（SPC）、故障解析（DFMEA）やプロセス監視が行われます。

まとめ（ポイント）

• プリント基板は電子部品を支持・接続するための基盤で、現代の電子機器には不可欠です。
• 材料、層構成、実装方式、製造プロセスの選択が性能・コスト・信頼性に直結します。
• 用途に応じてリジッド、フレキ、マルチレイヤ、高周波基板など多様なタイプが使われます。
• 設計段階から製造・検査を意識した最適化が、量産での品質確保に重要です。

沿革

プリント基板の起源は、1850年代に使われていた電気接続システムである。もともとは、木製の台座に取り付けられた大型の電気部品を金属片や棒で接続していた。その後、金属片はネジ端子に接続された電線に変わり、木の台は金属フレームに変わった。回路が複雑になり、部品点数が増えてくると、小型化が必要になってくる。トーマス・エジソンは、リネン紙に金属を使う方法を実験した。1913年、イギリスのアーサー・ベリーがプリント＆エッチング法の特許を取得した。1925年には、アメリカのチャールズ・デュカスが電気メッキを使った方法を開発した。電線のように電気を通すことができる特殊なインクをステンシル（板や紙に切り抜いた形状）に印刷して、絶縁された表面に直接電気の通り道を作ったのである。この方法は「プリント配線」あるいは「プリント回路」と呼ばれた。

1943年、イギリスで活動していたオーストリア人のポール・アイスラーが、電気を通さない硬いベースに銅箔を貼り付けて、その上に導電パターン（回路）をエッチングする方法で特許を取得した。アイスラーの技術は米軍に注目され、第二次世界大戦では近接信管などの新兵器に採用され始めた。アイスラーのアイデアが大いに役立つようになったのは、トランジスタが登場した1950年代のことである。それまでの真空管などの部品は非常に大きく、従来の実装方法や配線方法では対応できませんでした。しかし、トランジスタが登場すると、部品が非常に小さくなり、接続部分も小さくするためにプリント基板を使う必要が出てきた。

1961年、米国のHazeltine社は、メッキを施したスルーホール技術と、それを使った多層プリント基板の特許を取得した。これにより、部品を密接に配置した、より複雑な基板が可能になった。1970年代には集積回路チップが登場し、これらの部品はすぐにプリント基板の設計や製造技術に取り入れられました。現在のプリント基板は、用途によっては50層にも及ぶことがある。

表面実装技術は1960年代に開発され、1980年代後半に広く普及しました。

手作りの回路基板

質問と回答

Q: プリント回路基板とは何ですか?

Q: 回路基板は何に使われているのですか?

Q: PCBは何からできていますか?

Q: PCBはどのようにして、電気回路のある部品から別の部品へ電気を通すのですか?

Q:フレキシブル回路基板とは何ですか?

Q: リジッドフレックス基板とは何ですか?

Q:電気を使うものの多くには、少なくとも1枚の基板が内蔵されているのでしょうか?

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