3分でわかる技術の超キホン プリント基板加工機の仕組みと方式

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プリント基板加工機の仕組みと方式

電子機器の小型化が進む中、組み込まれるプリント基板にも微細化・複雑化が求められています。
そのため、加工に用いるプリント基板加工機に対しても、より高い精度・品質が要求され、その種類も多様化しています。

本記事では、プリント基板加工機の種類や仕組みに加え、方式の違いによるスルーホール(貫通穴)、ブラインドホール(非貫通穴)といった専門的な用途に至るまで解説していきます。

1.プリント基板とは?

スマートフォンやタブレットなど、あらゆる電子機器に搭載され、コンデンサや抵抗と同様にその機能を支えているのがプリント基板です。
ここではプリント基板の特徴や種類、製造工程について解説していきます。
 

(1)プリント基板の特徴・種類

プリント基板は一般的に板状のものが多く、絶縁体である基板の表面や内部に銅箔による回路パターンが形成されています。
電子部品をはんだ付けすることで電子回路としての機能を果たし、様々な機器に組み込まれています。

プリント基板には片面のみに電子部品が実装された「片面基板」や、両面に電子部品が実装された「両面基板」、内部にも基板層を形成し複数の基板を接着させた「多層基板」など、いくつかの種類があります。
 

(2)一般的なプリント基板の製造工程

プリント基板の製造には、薬剤によって基板の不要部分を溶解する「エッチング加工」という方法が主に使用されています。

ここでは、エッチング加工を使用した一般的なプリント基板の製造工程について解説します。
例として、多層基板の製造フローを下記にまとめました。
 

① 切断

基板素材を任意の寸法に切断します。
 

② 内層基板パターン形成(エッチング加工
  • ドライフィルムレジストと呼ばれる感光性のフィルムを基板に貼り付けます。
  • 回路パターンが印刷されたマスク(型)を上から重ね、紫外線を照射することで「露光」と呼ばれる焼き付けを行います。
  • 焼き付け後は特殊な溶剤の中に入れ、不要なドライフィルムを除去します。これを「現像」と呼びます。
  • 不要な銅箔部分をエッチング液によって溶解します。その後、回路パターンに焼き付けたドライフィルムも除去します。

エッチング加工による回路パターン形成
 

③ 積層プレス

回路パターンの形成が終わった内部基板と外層基板を、積層プレス機などを用いて接着します。
 

④ 穴あけ

スルーホールと呼ばれる貫通穴やブラインドホールと呼ばれる非貫通穴を加工します。また、取り付け穴などの加工もここで行います。なお、スルーホール及びブラインドホールについては後項で詳しく解説します。
 

⑤ スルーホールメッキ

内層基板と外層基板の電気的接続のため、スルーホール内に銅メッキを施します。
 

⑥ 外層基板パターン形成(エッチング加工)

内層基板と同様に外層基板に回路パターンを形成します。
 

⑦ ソルダーレジスト

「ソルダーレジスト」と呼ばれるインクでプリント基板表面を覆い、回路パターンを保護します。熱や埃、湿気から基板を守ることはもちろん、基板実装時の余計な箇所へのハンダ付着を防ぐ目的があります。
 

⑧ 表面処理

ハンダメッキや金メッキなど、防サビを目的とした表面処理を行います。
 

⑨ シルク印刷

型名やメーカー名、実装時のガイドとなるシンボルマークなどをシルク印刷します。
 

⑩ 外形加工

ルーター加工機などを用いて基板の不要な部分を切断します。
 

⑪ 検査

専用の検査機器を用いて基板の導通チェックを行います。

このように、エッチング加工を使用したプリント基板の製造には数多くの工程を要します。大量生産には適しているものの、廃液処理など難点もあるため、少量生産には向いていません。
 

2.プリント基板加工機とは?

プリント基板加工機とは、プリント基板を製造するための設備を指した非常に広いくくりの言葉で、大きく分けると以下の2つの意味で使われています。
 

(1)プリント基板穴あけ機

プリント基板の製造に使用される、穴あけ加工用の工作機械を総括して「プリント基板加工機」と呼びます。
ほとんどが大量生産を目的とした大型機械で、複数の基板を一度に高精度で加工することができます。

また、穴あけ加工機の他に、外形加工機などプリント基板の機械的加工に用いる工作機械全体を「プリント基板加工機」と呼ぶ場合もあります。
 

(2)少量生産用プリント基板加工機

CADなど各種設計ソフトで作成したデータを用いて、プリント基板の切断や回路パターンの作成、穴あけなどを自動で行うことができる機械のことです。

エッチング加工を使用せず、簡単にプリント基板を製作することができますが、A4やA3といった小型のものが多く、研究開発や試作品の製作といった少量生産に向いています。

 

3.プリント基板加工機の方式

プリント基板加工機の方式は、切削加工タイプレーザー加工タイプに分かれます。
それぞれにメリットやデメリットがあるため、用途に応じて適切な方式を選択することが重要です。
 

(1)切削加工タイプ

切削加工タイプはドリルなどの工具を高速回転させて基板を削り加工していくもので、穴あけ加工や外形加工、回路パターン形成など、様々な加工に用いられます。

切削加工のメリットとしては導入に当たっての初期コストがレーザー加工よりも安価なことや、次項で解説するスルーホールの加工精度が安定していることなどが挙げられます。
 

(2)レーザー加工タイプ

レーザー加工タイプは、レーザー光を照射することで基板を溶解し加工するもので、切削加工タイプと比較するとより高速で安定した加工が可能です。

しかし加工径や加工深さなど、条件によっては切削加工よりも加工速度が落ちてしまう場合もあります。またレーザー加工は導入に当たっての初期コストが高いこともデメリットといえます。

さらに、レーザー加工機には基板の穴あけ加工に特化したものが多く、用途としては次項で解説するブラインドホールの加工を主な目的として使用されています。
 

(3)穴あけ加工における方式の比較

① スルーホールとブラインドホール

多層基板の穴あけ加工において、切削加工とレーザー加工を使い分ける大きな要因に、「スルーホール」と「ブラインドホール」の加工があります。

多層プリント基板の断面

図2のように、多層基板には「スルーホール」と呼ばれる「貫通穴」や、ブラインドホールと呼ばれる「非貫通穴」が存在します。

スルーホール」とは、内面が銅メッキされていて、電気的に導通のある穴のことで、電子部品の挿入や、層間の回路パターン接続を目的としています。

一方、「ブラインドホール」は、基板表面と内層の回路パターンのみを接続する非貫通穴のことです。スルーホールと違い、必要な層のみを接続することで多くの層や基板表面を有効に使用することができます。
 

② 切削加工とレーザー加工の用途

超硬ドリルを使用したドリル穴あけ加工は、耐摩耗性に優れ、穴品質も安定していることから、スルーホールの加工に適しています。

また、生産性は穴あけ速度とドリルの耐久性によって大きく変動しますが、現在はドリル穴あけ機とドリルの進歩により、穴径0.1mm以上の加工であればコスト面を加味しても切削加工が有効といえます。

一方で、切削加工の信頼性に課題のある、穴径0.1mm以下の極小径については、加工速度が穴径に左右されないレーザー加工が適しています。ただし、レーザー加工はブラインドホールの加工を目的として開発されてきたため、スルーホールの加工には向いていません。レーザー加工でスルーホールを加工するためには、照射エネルギーを増やす必要がありますが、照射エネルギーを増やすことは、穴品質の劣化を意味します。そのため、スルーホール加工の際には切削加工に頼らざるを得ないのが現状といえます。

このようにプリント基板の加工において、切削加工とレーザー加工の関係は非常に複雑であり、どちらを導入するかは、日々進歩する加工技術によって常に検討を重ねていく必要があります。
 

4.少量生産用プリント基板加工機

最後に、少量生産向けの基板加工機に関して、その仕組みや一般的な基板製造工程との違いについて解説していきます。
 

(1)仕組み・特徴

少量生産用プリント基板加工機は切削加工やレーザー加工によって基板表面の銅箔を除去し、回路パターンを形成する機械です。

エッチング加工を使用した一般的なプリント基板の製造は、大量生産には向いているものの、マスク(型)の製作や、廃液の処理工程などデメリットも多く存在します。

そのため、少量生産にはエッチング加工に代わり、管理が比較的容易な基板加工機による加工が使用されるようになりました。

また、1台で穴あけや外形加工などを含めた全ての基板加工を自動で行うことができるのも大きな特徴です。
 

(2)一般的なプリント基板製造工程との違い

少量生産用プリント基板加工機を使用した基板製造では、エッチング加工が不要となり、穴あけ加工や回路パターン形成、外形加工といった一連の加工を自動で行うことができます。

また、スルーホールメッキシルク印刷を施すことも可能であり、1台でプリント基板製造に関わるすべての工程に対応することが可能です。

基板を1枚ずつ製作するため、大量生産には不向きですが、電子機器の開発など、試作基板を1枚製作する場面においては非常に有効な機械といえます。

 

(アイアール技術者教育研究所 M・M)

 

【関連コラム】プリント基板の構造・材質とパターン形成プロセス」はこちら

 


《参考文献・サイト》


 

 

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