多層PCB基板とは、3層以上の導電パターン層を持ち、それらの間に絶縁材料を積層したPCBを指します。電子技術が高速、多機能、大容量、携帯型低消費電力の方向へ発展するにつれて、多層PCBの応用はますます広がり、その層数と密度もますます高くなり、対応する構造もますます複雑になっています。多層PCBの生産は、PCB業界全体の中で最も重要な部分となっています。現在、KKPCBの平均層数は8～20層に達し、最大64層まで対応可能であり、内層製造能力と積層能力の点で高いレベルに達しています。多層基板技術の出現はPCB業界の大きな発展であり、PCB技術全体を飛躍的に前進させました。

KKPCBは多層PCB製造と試作を非常に得意としています。一般的な多層PCBの製造プロセスは主に積層技術に基づいています。多層積層はPCB製造における重要なプロセスです。KKPCBは20年以上にわたり多層PCBを製造してきました。長年にわたり、さまざまな業界からあらゆる種類の多層構造を目にしてきました。あらゆる種類の多層に関する質問に答え、あらゆる種類の多層PCBの問題を解決してきました。

1. コア基板の厚さは、多層基板の総厚要件に応じて選択する必要があります。コア基板の厚さは一貫している必要があり、偏差は小さい必要があります。

2. コア基板の全体寸法と有効ユニットの間には一定の距離を設ける必要があります。つまり、有効ユニットから基板の端までの距離は、材料を無駄にしない前提で、できるだけ多くのスペースを確保する必要があります。

3. 位置決め穴の設計。層間の偏差を減らすために、多層基板の位置決め穴の設計に注意を払う必要があります。4層の多層基板では、ドリル加工に使用できる位置決め穴を3つ以上設計するだけで十分です。6層以上の多層基板では、ドリル加工用の位置決め穴を設計するだけでなく、5つ以上の重なり合う位置決めリベット穴と、リベット用のツールプレート用の5つ以上の位置決め穴を設計する必要があります。

4. 内層コア基板にはオープン、ショート、断線、酸化、基板表面の汚れ、残留フィルムがあってはなりません。

5. PCBユーザーの要件を満たし、適切なPPと銅箔の構成を選択します。4層積層の場合、7628、3313または7628+1080、7628+2116などを使用できます。1080または2116は6層以上の多層基板用PPの主な選択肢であり、7628は主に誘電体層の厚さを増やすために使用されます。同時に、PPはミラー効果を確保し、基板の反りを防ぐために、対称的に配置する必要があります。

6. 内層コア基板の前処理プロセス。内層コア基板の処理プロセスには、黒色酸化プロセスとブラウニング処理プロセスが含まれます。酸化処理プロセスは、内層銅箔上に黒色酸化皮膜を形成するもので、黒色酸化皮膜の厚さは0.25～4.50mg/cm2です。ブラウニングプロセス（水平ブラウニング）は、内層銅箔上に有機皮膜を形成するものです。

内層積層処理プロセスの機能は以下の通りです：

a. 内層銅箔と樹脂の表面比率を増加させることで、それらの間の密着性を高めることができます。
b. 溶融樹脂の銅箔への有効な濡れ性が向上し、流動する樹脂が酸化皮膜に十分に浸透し、硬化後に強いグリップ力を発揮できるようになります。
c. 高温での液状樹脂中のジシアンジアミドの分解と銅表面への影響を防ぐことができます。

d. 耐酸性を向上させ、ウェットプロセスにおけるピンクリングを防ぐことができます。

7. 積層パラメータの有機的なマッチング。多層基板の積層パラメータの制御は、主に積層の「温度、圧力、時間」の有機的なマッチングを指します。積層温度、圧力、時間のソフトウェアパラメータをどのように決定するかが、多層積層加工の鍵となる技術です。

1. 銅箔

機能： PCB上の導電パターンを形成します。
説明： 銅箔はPCBの導電層に不可欠な材料であり、信号伝送および基板全体の性能に必要な電気的経路を提供します。

2. コア基板

機能： PCBの構造的骨組みとして機能します。
説明： 回路基板のバックボーンとして機能する両面銅張積層板。コア基板は機械的安定性を提供し、両面または多層PCB製造の基盤として機能します。

3. プリプレグ

機能： 多層PCBにおいてコア基板間の接着剤と絶縁体の両方として機能します。
説明： プリプレグは多層PCB製造に不可欠な材料です。コア基板を互いに接着しながら電気的絶縁を提供します。積層中、プリプレグは強力な層間密着性を確保し、短絡を防ぎ、構造的完全性を維持します。

単層PCBと多層PCBの違い

単層または両面PCBと比較して、多層PCBは電磁両立性（EMC）が大幅に改善され、電気的性能が向上します。

例えば、4層PCBでは、内層はしばしば電源プレーンとグラウンドプレーンとして指定され、以下の利点を提供します：

1. インダクタンスの低減： 電源およびグラウンドトレースのインダクタンスが大幅に低減され、ノイズ電圧が低下します。

2. 高周波デカップリング： 電源プレーンとグラウンドプレーンが大きな分散コンデンサを形成し、電源に優れた高周波デカップリングを提供し、電源ラインのノイズを低減します。

3. 信号ループの最小化： 独立した電源プレーンとグラウンドプレーンは、すべての信号経路のループ面積を最小化し、信号整合性を向上させるのに役立ちます。

4. 業界の小型化傾向： 現代のPCBは、より小さなサイズ、より薄い層、より小さなビア、より高い層数、より細いトレース幅と間隔へと傾向しており、多層設計が不可欠となっています。

5. 高度なエレクトロニクスのサポート： 多くの高精度でハイテクな電子デバイスは、その機能を実現するために多層PCBを必要とします。標準的な両面基板ではこれらの高度な要件を満たすことができません。

結論：多層PCBは現代のエレクトロニクスに不可欠であり、優れたノイズ制御、信号完全性、そしてコンパクトで高密度な回路設計のサポートを提供します。

1. 用途別分類

• 民生用電子機器PCB：テレビ、電子玩具、スマートフォン、その他の民生用デバイスに使用されます。

• 産業用PCB：コンピュータ、計測機器、自動化システム、その他の産業機器に使用されます。

• 軍事・航空宇宙用PCB：防衛および航空宇宙分野における高信頼性アプリケーション向けに設計され、厳格な環境基準と性能基準を満たすことが多いです。

2. 柔軟性／硬さによる分類

• リジッドPCB：従来の電子デバイス向けの堅牢で柔軟性のない基板。

• フレキシブルPCB（フレックス）：コンパクトなスペースや動的なアプリケーションに適合するよう、曲げたり折りたたんだりできます。

• リジッドフレキシブルPCB：リジッド部分とフレキシブル部分の組み合わせで、高密度で複雑なアセンブリに最適です。

3. ビア／穴技術による分類

• ベリードビアPCB：外層に達することなく内層間を接続するビア。

• ブラインドビアPCB：基板全体を貫通することなく外層と内層を接続するビア。

• ブラインドベリード／HDI PCB：ブラインドビアとベリードビアを組み合わせた高密度相互接続PCBで、小型化・高性能回路向け。

• スルーホールPCB：基板の全層を貫通するビアで、一般に部品の実装に使用されます。

4. 基板材料による分類

• FR4（ガラスクロス）PCB：ガラスエポキシ材料をベースとした標準的なリジッド基板。

• セラミック基板PCB：高周波、高温、または高電力アプリケーションに使用されます。

• 金属コアPCB（MCPCB）：LEDおよび電源アプリケーション向けに優れた放熱性を提供します。

前述のように、多層PCBは民生、産業、軍事分野で使用できます。多層PCBはあらゆる目的に使用できます。

多くの業界にとって、多層PCBはさまざまなアプリケーションの第一選択となっています。この選好は、主にすべての技術によるモビリティと機能性の継続的な推進によるものです。多層PCBはこのプロセスにおける合理的なステップであり、サイズを縮小し、より多くの機能を実現できます。その結果、以下を含め、かなり一般的になっています：

• 民生用電子機器：民生用電子機器はスマートフォンや電子レンジなどの幅広い用語です。これらの民生用電子機器製品はそれぞれPCBを含んでいますが、機能を高めサイズを縮小するために、標準的な単層PCBの代わりに多層PCBを使用するものがますます増えています。
• コンピュータエレクトロニクス：サーバーからマザーボードまで、すべてが多層PCBを使用しており、主に省スペースと高機能性のためです。これらのアプリケーションでは、性能はPCBの最も基本的な特性の一つです。
• 通信：通信機器は通常、信号伝送、GPS、衛星アプリケーションなど、さまざまな一般的な用途で多層PCBを使用しています。主な理由はその耐久性と機能性です。
• 産業用：多層PCBはいくつかの産業用途で普及しており、最も注目すべきは産業制御です。産業用コンピュータから制御システムまで、多層PCBは製造および産業用途全体で機械を動作させるために使用され、その耐久性と小型サイズに貢献しています。
• 医療機器：電子製品は医療業界でますます重要な部分となっており、治療から診断まで業界のあらゆる角落で役割を果たしています。単層の代替品と比較して、多層PCBはその小型サイズ、軽量、強力な機能により医療業界で特に人気があります。これらの利点により、多層PCBは現代のX線装置、心臓モニター、CATスキャン装置、医療検査機器に使用されています。
• 軍事・国防：多層PCBは耐久性、機能性、軽量性の点で好まれ、軍事アプリケーションでますます注目されている高速回路で非常に有用です。防衛産業が高度にコンパクトなエンジニアリングへと移行するにつれて、より小さな多層PCBが他のコンポーネントが既存の機能を実行するためのより多くのスペースを残すため、これらも好まれています。
• 自動車：現代の自動車では、特に電気自動車の台頭により、自動車は電子部品にますます依存しています。GPSや車載コンピュータから、電子デバイスで制御されるヘッドライトスイッチやエンジンセンサーまで、適切なタイプのコンポーネントを使用することが車両設計でますます重要になっています。多層PCBは高い機能性と相対的な耐熱性を備えているため、自動車の内部環境に非常に適しています。
• 航空宇宙：車やジェット機と同様に、KKPCBは現代のエレクトロニクスに大きく依存しており、そのすべてが非常に精密でなければなりません。地上で使用されるコンピュータからコックピットで使用されるコンピュータまで、航空宇宙PCBのアプリケーションは信頼性が高くなければなりません。この場合、多層PCBは理想的なソリューションであり、熱や外部応力が接続を損傷するのを防ぐ十分な保護層を備え、フレキシブル材料で作ることができます。そのより高い品質と機能性も航空宇宙業界でのこの有用性に貢献しており、航空宇宙企業は人員と機器の安全を確保するために最高の材料を使用することを好みます。
• さらにあります！多層PCBは、科学・研究業界を含むさまざまな他の業界で使用されており、家電製品や安全分野でも使用されています。警報システムや光ファイバセンサーから原子加速器や気象分析装置まで、すべてのデバイスが多層PCBを使用しており、このPCBフォーマットによって節約されるスペースと重量を最大限に活用しています。

KKPCBは、電子製造業界でプロフェッショナルPCBサプライヤーとして広く知られています。当社は多層PCB、HDI PCBセグメントで長年の経験を持っています。KKPCBはさらに製品範囲を拡大し、リジッド、リジッドフレキシブル、HDI、任意層、フレックス、大型、埋め込み、RF、LED、バックプレーン、金属基板、セラミック基板、IC構造、高周波、厚銅を含みます。高品質と高信頼性。

多層PCBの設計には、高性能、信号完全性、長期的な信頼性を確保するために、慎重な計画と細部への注意が必要です。以下は、多層PCB設計を成功させるための重要な考慮事項です。

1. 層スタックアップの計画

• スタックアップは、信号層、電源層、グラウンド層がどのように配置されるかを定義します。
• 適切に計画されたスタックアップは、クロストーク、電磁干渉（EMI）、ノイズを低減し、信号完全性を向上させます。
• 不適切なスタックアップや不適切な層構成は、タイミングの不具合、信号の歪み、断続的な動作を引き起こす可能性があります。

2. 材料の選択

• 適切な基板と銅箔の選択は重要です。
• 適切な誘電率、熱性能、機械的安定性を備えた材料は、信頼性の高い信号伝送と堅牢な動作を保証します。
• 不適切な材料の選択は、エミッションを増加させ、性能を低下させ、PCBを環境ノイズの影響を受けやすくする可能性があります。

3. 信号完全性とEMI制御

• グラウンドプレーンと電源プレーンの適切な配置は、ループ面積を最小化し、インダクタンスを低減します。
• 高速信号には、インピーダンス制御されたトレースと、クロストークや反射を低減するための慎重なルーティングが必要です。
• 多層基板は、電源とグラウンド専用のプレーンを可能にし、分散コンデンサとして機能して高周波デカップリングを改善します。

4. 設計のベストプラクティス

• ビア数を最小限に抑え、信号経路をできるだけ短く直接的に保つ。
• 反りを防ぎ、機械的安定性を確保するために、一貫した層対称性を維持する。
• 干渉を低減するために、可能な場合はアナログ信号とデジタル信号を分離する。
• 熱管理、特に高電力または高密度アプリケーションのための計画。

多層PCBの設計には、高性能、信号完全性、長期的な信頼性を確保するための慎重な計画が必要です。適切な設計により、ノイズ、電磁干渉（EMI）、クロストークを低減しながら、スペースと機能性を最適化します。

1. レイヤースタックアップ計画

• スタックアップは、信号層、電源層、グラウンド層の配置を定義します。

• 適切に計画されたスタックアップは、クロストーク、EMI、ノイズを低減し、信号完全性を向上させます。

• 不適切なスタックアップや不適切な層構成は、タイミングのグリッチ、信号の歪み、断続的な動作を引き起こす可能性があります。

スタック設計ガイドライン：

1. グラウンドプレーンの配置：シールドと表面配線の基準を提供するために、コンポーネント層の直下にグラウンドプレーンを配置します。

2. 信号層の隣接：すべての信号層は、可能な限りグラウンドプレーンに隣接させる必要があります。

3. 裏面同士の信号層を避ける：2つの信号層を直接隣接させないようにします。

4. 電源-グラウンドのペアリング：インダクタンスとノイズを低減するために、主電源プレーンを対応するグラウンドプレーンにできるだけ近づけて配置します。

5. 対称性：反りや機械的応力を防ぐために、誘電体層の厚さ、銅箔の厚さ、層の形状の対称性を維持します。

6. バランスの取れた分布：電気的および機械的安定性のために、大きな銅プレーンと回路層の分布が対称であることを確認します。

有効性：

• 両面PCBと比較して、適切に設計された4層PCBは放射を約15 dB低減できます。

• 適切なスタックアップは、低インダクタンスの分配ネットワークを提供し、高速性能を向上させます。

2. 材料の選択

• 誘電率、熱性能、機械的安定性のために、適切な基板と銅箔を選択します。

• 不適切な材料の選択は、EMIを増加させ、信号完全性を低下させ、PCBを外部ノイズに対して脆弱にする可能性があります。

3. 信号完全性とEMI制御

• グラウンドプレーンと電源プレーンの適切な配置は、ループ面積とインダクタンスを最小化します。

• 高速信号には、クロストークと反射を低減するために制御されたインピーダンスのトレースと慎重な配線が必要です。

• 多層基板は、電源とグラウンド用の専用プレーンを可能にし、高周波デカップリング用の分散コンデンサとして機能します。

4. 設計のベストプラクティス

• ビア数を最小限に抑え、信号経路を短く直接的に保ちます。

• 可能な限りアナログ信号とデジタル信号を分離します。

• 高電力または高密度レイアウトでは熱管理を計画します。

• 機械的応力と反りを防ぐために層の対称性を維持します。

4層PCBラミネーション

ラミネーションは多層PCB製造における重要なプロセスであり、銅と誘電体材料の複数の層が熱と圧力の下で結合され、堅牢で信頼性の高いPCBを形成します。適切なラミネーションは、機械的安定性、信号完全性、および一貫した電気的性能を確保します。

典型的な4層PCB構造

1. トップ層（信号層）：コンポーネントの配線と信号トレース。

2. 内層1（グラウンドプレーン）：信号用のシールドと基準プレーンを提供します。

3. 内層2（電源プレーン）：電力を効率的に分配し、ノイズを低減します。

4. ボトム層（信号層）：信号とコンポーネント用の追加配線。

主な利点

• 電磁両立性（EMC）の向上：放射とクロストークを低減します。

• 低インダクタンス電力分配：高周波性能と信号完全性を向上させます。

• コンパクト設計：現代のエレクトロニクスの小型化と高機能化をサポートします。

• 機械的安定性：対称的なラミネーションは反りを低減し、長期的な信頼性を確保します。

適切に設計された4層ラミネーションは、民生用エレクトロニクス、産業制御、医療機器、自動車、航空宇宙、軍事分野にわたる高性能アプリケーションに不可欠です。

4層PCBスタック

4層のPCBは通常、均等に積み重ねられて見られます。つまり、中央にプレーンがある均等に配置された4つの層です。これにより基板は対称になりますが、EMCには役立ちません。

さらに、もう一つの一般的な間違いは、プレーンを大きな誘電体層に密結合させ、中央と信号の間にプレーンを配置することです。これは確かに良好な層間容量を生み出しますが、信号完全性、クロストーク、EMCにも役立ちません。だからこそ、私たちは2層で4層PCBを使用することを選びました。

コンデンサのEMC性能を向上させるには、信号層を可能な限りプレーンに近づけ（< 10 mil）、電源とグラウンドプレーン間に大きなコア（~ 40 mil）を使用して、全体の基板厚を62 milに維持するのが良いです。プレーン結合を密に追跡することで、トレース間のクロストークが低減され、インピーダンスを許容可能な値に保つことができます。

6層PCBスタック

6層PCBボードは基本的に4層ボードに、プレーン間に2つの追加信号層を加えたものです。これによりEMIが大幅に改善されます。なぜなら、高速信号用の2つの埋め込み層と、低速信号を配線するための2つの表面層を提供するからです。信号層は隣接するプレーンに非常に近づけて配置し、プレート厚（62 mil）はより厚い中央コアで構成する必要があります。トレースインピーダンス、トレース幅、プリプレグ/コア厚の間には常にトレードオフがあります。差動ペアは高速設計でますます一般的になっています。ノイズは差動モード信号を使用することで低減されます。

6層PCBスタックと8層PCBスタック

EMC性能を向上させるには、6層スタックにさらに2つのプレーンを追加します。プレーン間に隣接する信号層を2つ以上設けないことを推奨します。これはインピーダンスの不連続（信号層のインピーダンス差約20オーム）を生じさせ、これらの信号層間のクロストークを増加させるためです。

次のケースでは、基板の中央に2つのプレーン層が追加されます。これにより中央のプレーン間が密に結合され、各信号プレーンが分離されるため、結合が低減され、クロストークが大幅に増加します。この構成は通常、密な配線によるクロストークが問題となるDDR2およびDDR3設計における高速信号に使用されます。

10層PCBスタック

6つの配線層と4つのプレーンが必要な場合は、10層基板を使用すべきであり、EMCに注意を払う必要があります。

典型的な10層の積層を上に示します。この積層は、信号とリターンプレーンの密結合、高速信号層のシールド、複数のグランドプレーンの存在、および回路基板中央における密結合された電源/グランドの対称性により理想的です。高速信号は通常、プレーン間に埋め込まれた信号層（この場合は層3～4および7～8）に配線されます。ただし、これらの信号を正しく配線するよう注意する必要があります。その他、隣接層間の結合（クロストーク）を避けてください。

12層PCBスタック

12層は、62mil厚のPCBで容易に製造できる最大層数です。時折、62mil厚の基板で14～16層の基板が見られることもありますが、それらを製造できるメーカーはHDI基板を製造できる業者に限られます。上記の12層スタックは、6つの内層にシールドを提供します。

12層PCBスタック &14層PCBスタック

8つの配線（信号）層が必要な場合は、以下の14層積層を使用するために特別な重要なシールドが必要です。層6と9は敏感な信号のアイソレーションを提供し、層3、4および11、12は高速信号のシールドを提供します。

14層PCBスタック & 16層PCBスタック

16層PCBは10層の配線を提供し、通常は極めて高密度な設計に使用されます。通常、EDAアプリケーションで使用される配線技術が設計を完了まで配線できない場合に、16層PCBが見られます。「配線できなければ、層を追加し続ければよい」。これはよく言われることですが、良い慣行ではありません。

基板が配線を完了できない場合、多くの理由が考えられます。配置の不良がよくあります。配線チャネルを開き、ラットネットの交差数を減らし、25milグリッドにビアを配置して配線を可能にし、ルーターを可能な限り支援してください。

16層PCBスタック

製造可能な層数は、実際には多層PCBに限定されません（まずメーカーの機能を確認してください）。もちろん、層数が増えるにつれて、使用される材料の最小厚さに対応するためにPCBの厚さが増加します。アスペクト比（基板厚と最小穴径）も考慮する必要があります。一般的に、100mil材料の厚さは10:1です。例えば、200mil厚の基板では最小穴径は20milです。

技術的なルールは、使用されるSMT部品の最小間隔に基づいており、これは基本的にPCB製造コストを最小化しながら許容される最大の配線、クリアランス、およびスルーホールです。ボールグリッドアレイ（BGA）を使用する複雑な高速設計では、通常4/4mil（配線/ギャップ）および20/8mil（PAD/穴）のビア技術が必要です。ただし、可能であればより小さなサイズを使用すると、コストが削減され製造歩留まりが向上します。

これらのルールが確立されると、必要な特性インピーダンス（Zo）および差動インピーダンスに必要なスタック（Zdiff）が部品のデータシートに従って計算されます。通常、50オームのZoと100オームのZdiffが使用されます。低いインピーダンスはdi/dtを増加させ、吸収電流を大幅に増加させること（PDNに有害）、また高いインピーダンスはより多くのEMIを発生させ、設計が外部の影響を受けやすくなることに留意してください。したがって、適切なZo範囲は50～60オームです。

特定の設計に必要な総層数は、設計の複雑さによって異なります。要因には、BGAから引き出す必要がある信号ネットワークの数、BGAが必要とする電源の数、部品密度、およびパッケージタイプが含まれます。

経験豊富な設計者はしばらくすると理解しますが、十分な層があることを確認することは、基板を自動調整する良い方法です。調整しない場合、ルーターは選択したスタックが配線可能であることを示すために、少なくとも配線の85%を完了する必要があります。最良の結果を得るために、配置を数回再評価する必要があるかもしれません。