プリント基板の基礎入門

基板の製造工程　(1)ドリル

前回は基板製造の流れは簡単にご説明しましたが、今回からは外層加工の工程について少し詳しく説明します。
まず始めに、「ドリル（穴加工）」についてお話したいと思います。

内層回路を形成した状態の基板は「シールド板」と呼ばれます。よくノイズ対策のために使う遮蔽板もそう呼ばれますが、こちらは内層回路が外からは見えないのでそう呼ばれます。

外層の工程はこれに穴をあけるところからスタートします。外形加工の工程でもNCや金型を使って穴加工が可能ですが、スルホールになる穴はこの工程で加工されます。加工するドリルの太さや形状は様々で、筐体への取付穴や楕円形の穴、部品挿入用の穴に経由穴（V/H、バイアホール）など、ドリル径でφ10mm超からφ0.5mm前後まで多くの種類があります。加工される基板の厚さも、薄いもので　0.2mm、厚いもので2.4mmやそれ以上とバリエーション豊富な上、位置の精度が厳しく、多くの基板は0.2mm（200μm）ずれると不良になってしまいます。高密度品では数10μmレベルの精度が求められるほどです。一方、最近では高密度実装やインピーダンスコントロールの都合からより小さい穴加工用に新たな材料や形状のものも開発されています。

ところで、ここで基板の穴径と板の厚さの相関についてお話しておきたいと思います。なぜかと言いますと、穴径はドリル径に左右されるからです。更にその理由は、メッキの工程に関係があります。つまり、板の厚さに比べて穴径が小さいと穴の奥までメッキ液が届かないからなのです。そのため、穴径を小さくしたり板厚を厚くする場合には注意が必要です。

穴径/板厚の数字を「アスペクト比」と言いますが、アスペクト比の許容数値はメーカーによって異なりますので、予め営業担当者に確認すると良いでしょう。ちなみに、業界では5.5～8程度が標準です。具体的には、板厚1.6mmであればφ0.3mmの穴であれば大丈夫ですが、これ以下の穴径を採用されるときには念のため確認しておくことをお勧めします。

ドリル加工では基板を何枚か重ねて加工しますが、ドリルビットの径が細くなるほど折れやすくなるため、穴径が小さくなると重ね枚数は減ることになります。

なお、穴の仕上径がφ0.2mmを下回るとドリルでは穴加工ができなくなるため、最近ではレーザービームによる穴加工も増えてきました。この穴は主に非貫通のスルホールに使われますが、詳細についてはビルドアップ基板の説明で触れることにします。

コストダウンのツボ

プリント基板の加工費ではこの工程が一番大きな割合を占めると言われています。本来、作る側の論理では原価に管理費と利益を上乗せして販売したいところですが、プリント基板は単位面積あたりの価格を基本に単価が決められてきたため、残念ながら上記の論理がほとんど通用しなくなってしまいました。そのため、プリント基板という商品は非常に利益率が低い商品になっています。

ただ、お客様の立場では少しでも購入価格を下げる必要があるのも当然です。そこで、今回は穴数・穴径と価格についてお話します。

基板の設計納期が短い場合などは、基板の投入を急ぐ余り穴の数やバリエーションまで目が届かなくなりがちです。

最近では小径スルホールを使っても量産コストを据え置くメーカーが多いようですが、数年前までは、φ0.3mm仕上りの穴があると割増料金を請求するメーカーもありました。1穴ずつ加工するため余りに穴数が多いと実際の加工費が高くつくため、後々のコストダウンが難しくなります。また、小径スルホールを使うとドリルの強度が落ち寿命も短くなって、投入の段階での基板の重ね枚数が少なくなり、これも価格低減が難しくなる要因になります。設計者の方々の苦労を考えると酷なようではありますが、穴の径は極力大きくして頂きたいと思います。ちなみに、メーカーによるばらつきはあるものの、ドリル径がφ0.6mm以上であれば重ね枚数がアップする場合が多いようです。

基板の製造工程について（外層工程）

前回は、多層板の内層工程について説明しました。今回は、内層の回路が完成した（シールド板と呼びます）後の外層工程について説明します。両面板は、内層工程を飛ばしてドリル工程からのスタートになります

この工程も一般的なテンティング工法を参考に説明したいと思います。

ドリル加工

基板材料を投入サイズ（ワークサイズ）に切断します。

パネルメッキ

まず、スルホール内壁の樹脂面に「化学めっき」を施し、次に信頼性確保のために「電気メッキ」を付けます。10～20μの厚さが基本ですが、基板の要求仕様によりメッキ厚は変わります。

露光・現像

基板にドライフィルムを貼り付け、感光させてパターンを焼き付けます。

回路形成

感光しなかったフィルム部分の銅箔をエッチングで落としてパターンを形成します。

レジスト

レジストインクを塗布、現像して不要な部分は基材（銅箔）を露出させます。
インクの塗布方法は、主にスプレーコート・カーテンコート・スクリーンの3通りあります。

シルク印刷

白・黄・黒などのインクをスクリーンで印刷します。

金メッキ

電解・無電解のメッキがあります。

外形加工

基板を納品寸法に加工します。NC（ルーター）で切削する場合と金型によるプレス加工があります。

（Vカット）

Vカットが必要な場合は導通検査前に作業をします。

導通検査

基板毎にチェッカー治具を作る場合と、フライングチェッカーを使う場合があります。

洗浄

表面を洗浄します。

出荷検査

人による目視検査が主ですが、製品によっては抜取による特性検査を実施する場合もあります。

梱包・出荷

コストダウンのツボ

今後の個別工程の説明の中で提示してゆきたいと考えています。

基板の製造工程について（内層工程）

皆さんはプリント基板の製造工程をご覧になったことはありますか？基板のメーカーは大手から中小まで工場の規模も大小さまざまです。基板が使われている商品を考えてみてください。世界に数台しかない機械に使われることもあれば、ゲーム機や携帯電話のように数百万台も販売される機械にも使われています。基板メーカーは、それぞれの得意分野での生産をしているためにこれほどの規模の違いがあるのです。

しかし、ロットや仕様の差はあるものの、基本的な製造方法についてはほぼ統一されています。今回は基板ができあがるまでの工程を多層板のテンティング工法を参考に説明したいと思います。

今回は、多層板の内層工程の説明です。

材料切断

基板材料を投入サイズ（ワークサイズ）に切断します。

フィルムラミネート

基板にドライフィルムを貼り付けます。

露光・現像

感光させてパターンを焼き付けます。

回路形成

感光しなかった部分の銅箔（不要な部分）をエッチングしてパターンを形成します。

黒化処理

酸化させることで銅箔面が粗くなり、プリプレグ（絶縁層、以下PPと呼びます）との密着性が向上します。
表面が黒く変色するため「黒化処理」と呼ばれます。

組み合わせ

パターンを形成した内層材とPP、銅箔を組み合わせます。
組み合わせの方法には、マスラミネーション法（画像による位置合せ）とピンラミネーション法（ピンを使った位置合せ）の2つがあります。
回路がGNDや電源のベタパターンのみで構成されている場合は前者、回路に信号線が含まれる場合は後者の方法を使います。

積層プレス

組み合わせた材料をプレス機によって成型します。

外形加工

外形周囲に残った銅箔を除去します。

コストダウンのツボ

内層の工程は全てのメーカーが保有しているわけではありません。中小メーカーでは大手に加工を依頼している場合があるので、設計の段階で板取りの効率を考えて設計して頂いていれば即効性のあるコストダウンの手法が少ないのが現実です。

今回の工程の中で基板のコストダウンを考えるとすれば、まず、内層パターンの仕様です。内層パターンは外層ほど高密度にすることができない場合があります。設計の都合上同じグリッドで設計したら、製造で内層ショート多発、など笑えないことになる危険性があります。特に、初めて発注される基板メーカーの仕様については予め詳しく調べてください。また、外層の配線密度が高い（ピン間5本以上）場合には、内層のパターン仕様を外層と変える必要もあるかもしれません。要するに、最もコストパフォーマンスの高い基板仕様を選択して頂きたいということです。歩留まりの高い仕様であればコストダウンをメーカーに申し入れることができるかもしれません。

次に注意したいのは、組み合わせの工程です。［図１］と［図２］をご覧ください。どちらも同じ板厚ですが、PP（点線）の枚数が違います。図１では2枚使っているのに対して、図２では1枚になっています。図２の仕様であれば若干のコストダウンの可能性があります。

従来の多層板では、PPの枚数はあまり注目されませんでした。なぜ1枚で済む材料を2枚使用しているのかといえば、材料の標準化を進めるためと考えられますが、最近では材料メーカーの品揃えも豊富になり、このようなコストダウンの手法も注目され始めたようです。

具体的には、「コア材」「PP 」それぞれの厚さをコントロールすることで最も製造コストの安いものを選定します。

但し、この方法には問題点もあります。まず、基板のコストは多層板では変動費の比率が高く、小口品では効果が薄いこと。次に内層（シールド板）の生産を外注委託している場合に層構成を委託先が選択するためにコントロールしずらいことです。

新規に基板を作成する場合には、PPの枚数も量産品では価格に効いてくる場合があります。ただ、試作品と量産品の層構成を変えると基板のインピーダンスが変わってしまう場合があるので、予め層構成（PPや銅箔の厚さ）をご相談ください。私たちは、基板の仕様や用途から最もコストパフォーマンスが高い仕様をご提案することが可能です。