プリント基板の歴史：プリント配線から現代のプリント基板まで

プリント基板は、1903年の初期の平面導体特許から始まり、銅箔、スルーホールめっき、多層、表面実装、フレキシブル、高密度相互接続技術へと進化を遂げてきました。現代のプリント回路の創始者として広く知られるのはポール・アイスラーですが、プリント基板の歴史は積み重ねによって築かれてきました。発明家、戦時生産、材料科学、部品パッケージング、自動化、そして業界標準など、あらゆる要素が今日の基板を形作ってきたのです。

その歴史が重要なのは、それぞれの製造技術革新が実用的な問題を解決してきたからだ。プリント導体は、一貫性のない点対点配線に取って代わった。メッキ穴は、反対側の面や内部層を接続した。表面実装は部品サイズを縮小し、自動組み立てを可能にした。フレキシブル回路やリジッドフレキシブル回路は、電子機器を可動式、折り畳み式、あるいはコンパクトに梱包された製品に組み込むことを可能にした。

このガイドでは、これらのマイルストーンをたどり、ベアPCBと組み立て済みPCBAを分離し、タイムラインを現在のインターフェース設計につなげます。ボード、フレキシブルテール、ユーザーインターフェースが1つの製品でどのように組み合わされているかの例については、次のガイドを参照してください。 メンブレンスイッチコネクタのオプション。

プリント基板の歴史を概観する

技術が1年で完全に置き換わるわけではないため、日付が重なり合っています。スルーホール実装は依然として有用であり、片面基板も製造され続けており、現代の製品では、リジッド基板、フレキシブル回路、プリントメンブレン、ディスクリート配線を同一の筐体内に組み合わせることが可能です。

プリント基板とは何ですか？

プリント基板（PCB）は、絶縁構造であり、パターン化された導電性パターンを通して部品を機械的に支持し、電気的に接続します。現代の基板のほとんどは、硬質または柔軟な誘電体上または内部に、銅配線、パッド、プレーン、およびメッキ穴を使用しています。材料の積層構成、厚さ、銅の重量、表面処理、および構造は、用途によって異なります。

その言葉 印刷済み これは歴史的なものです。初期のプロセスでは、導電性インクや耐エッチング性画像を文字通り印刷していました。現代の製造プロセスには、フォトレジストへのイメージング、銅のエッチング、レーザー穴あけ、無電解めっき、電気めっき、ラミネーション、ソルダーマスクコーティング、レジェンド印刷、配線、テスト、検査などが含まれます。完成した導体パターンは、通常の紙へのインク印刷プロセスではない場合でも、プリント配線と呼ばれます。

よく混同される3つの用語は以下のとおりです。

• PCBまたはPWB： 部品を取り付ける前の、むき出しのプリント基板またはプリント配線基板。
• PCBA: はんだ付けまたはその他の方法で電子部品が取り付けられたプリント基板アセンブリ。
• プリントエレクトロニクス： 導電性、抵抗性、誘電体、または半導体材料を、硬質または柔軟な基板上に印刷することによって堆積させることができる、より広範なカテゴリー。

の IEEEのプリント回路の概要 プリント基板（PCB）は、部品の支持体であると同時に、信号と電力の分配構造でもあると説明されています。この機械的および電気的な二重の役割こそが、基板設計を筐体、コネクタ、熱、EMC、組み立て、および保守に関する要件から切り離せない理由です。

現代のプリント基板以前：平面導体とプリント配線

プリント基板は、単一の発明として登場したわけではない。手配線よりも電気的な相互接続をより平坦に、より整然と、そしてより容易に再現できるようにするための度重なる試みから生まれたのである。

1903年、ドイツの発明家アルベルト・ハンソンは、絶縁材料上に敷設された平型導体について記述し、その中には層状相互接続を予見させる構造も含まれていた。 電気ケーブルに関する米国特許 図は、絶縁体で隔てられた積層平型導体を示している。これは現代のFR-4回路基板ではないが、導体を製造可能な平面構造として配置できるという重要な原理を捉えている。

1925年、アメリカの発明家チャールズ・デュカスは、支持体表面に導電性パターンを施し、電気めっきによって金属を積層することで電気回路を形成する特許を出願した。 指導者たちはオープンだ。 導電層を回路の形状に印刷する工程が明確に記述されている。これは、グラフィック複製、導電性材料、回路製造を結びつけた初期の事例である。

他の発明家や製造業者は、金属溶射、成形導体、プレス加工配線、セラミック基板、および関連する組み立て方法を模索した。これらのアプローチは、いずれも同じ産業上の問題への対応策であった。すなわち、ポイントツーポイント配線は熟練した労働力を必要とし、広いスペースを占有し、組み立てごとに異なる可能性があった。

プリント基板を発明したのは誰ですか？

ポール・アイスラーは、現代のプリント基板を発明した人物として最も広く知られている。 より正確に言うと、ハンソン、デュカスらが初期の概念を確立し、一方アイスラーは後の減法型プリント基板製造に酷似した実用的な銅箔プロセスを開発した、ということである。

アイスラーはオーストリア生まれのエンジニアで、イギリスで働いていた。1930年代、彼はラジオ内部の密集した手配線による「鳥の巣」のような配線を、絶縁ベース上に再現可能な導体パターンで置き換えることを試みた。彼の研究は、印刷技術と銅箔、耐腐食性画像、そして不要な金属の化学的除去を組み合わせたものだった。

鍵 アイスラーとストロングの特許は1943年に出願された。 金属箔に抵抗パターンを印刷し、エッチングによって露出した箔を除去し、残った導体パターンを絶縁支持体に転写または固定する工程について説明している。用語や例は現代の製造工程図とは異なるが、印刷・レジスト・エッチングという基本的な流れは理解できる。

帰属の判断は、以下の3つの理由から依然として微妙な問題である。

1. 初期の特許には、アイスラー以前にこの概念の一部が記載されていた。
2. プリント配線は、ヨーロッパ、アメリカ、その他の地域で並行して行われた研究開発によって発展した。
3. 特許、実験室での試作品、製造可能なプロセス、そして大規模な商業的普及は、それぞれ異なるマイルストーンである。

SEO対策の要約としては、「ポール・アイスラーはプリント基板を発明した」という表現は理解できます。しかし、技術史的な観点から言えば、「ポール・アイスラーは現代のプリント回路の発明者として広く認められている」という表現の方がより正確です。

第二次世界大戦と生産への移行

プリント配線は第二次世界大戦中に戦略的価値を高めた。軍用電子機器には、大量生産可能な小型で再現性の高いアセンブリが必要だったからである。プリント回路は近接信管プログラムや関連機器に使用された。これらは戦後の民生用プリント基板と全く同じものではなかったが、戦時中の研究によって、パターン化された相互接続が単なる実験の域を超えて実用化できることを証明した。

この変化は、電気的性能だけでなく、製造面にも大きな影響を与えた。制御された導体パターンにより、手作業による配線作業が削減され、組立品の品質がより均一になり、機械化された部品配置と半田付けの基盤が構築された。図面、アートワーク、検査、および工程管理は、製品定義の一部となった。

戦後、その知識は商用エレクトロニクス分野へと広まった。ラジオ、テレビ、計測機器、電気通信、そしてコンピューターといった分野で、再現性の高い回路への需要が高まった。メーカー各社は、銅張積層板、フォトイメージング、エッチング、穴あけ、はんだ付け、保護コーティングといった技術を改良していった。こうして、基板は特殊な製造実験の場ではなく、電子製品の標準的なプラットフォームへと徐々に定着していった。

1950年代と1960年代：めっき穴、多層基板、規格

片面基板は配線を簡素化するものの、配線経路に制限があった。設計者はジャンパー線を追加したり両面を使用したりすることはできたが、両面間の確実な電気接続は依然として必要だった。スルーホールめっき技術は、ドリル穴の壁に導電性材料を析出させることでこの問題を解決した。めっきされた穴は、部品接続、ビア、またはその両方として機能することができた。

穴によって層間を接続できるようになると、メーカーは複数のパターン化された銅と誘電体の層を積層して1枚の基板にすることができるようになった。多層構造により配線密度が向上し、電源と接地の分配がより体系的になった。しかし同時に、穴と壁面の被覆不良、樹脂のにじみ、位置ずれ、積層ボイド、熱応力といった新たな故障リスクも生じ、より厳密な材料およびプロセス管理が必要となった。

業界には共通の言語と承認基準も必要だった。1957年、米国のプリント基板メーカー6社がプリント回路協会を設立した。 IPCの歴史 本書は、設計ガイドライン、ラウンドロビンテスト、市場統計、はんだ付け性、多層基板、そして最初のIPC規格に関する協会の初期の取り組みを記録している。1960年代に初めて発行されたIPC-A-600は、ベアボードの許容性に関する主要な視覚的参考資料となった。

集積回路はこうした変化を加速させた。デュアルインラインパッケージなどのパッケージは、多数のリード線を規則的なグリッド状に配置することで、自動挿入とPCBレイアウトを簡素化した。1枚の基板に搭載できる機能は増えたが、相互接続の数も増加した。PCB設計は、部品ライブラリ、間隔ルール、層計画、アートワーク作成、製造性を考慮した設計レビューなどを含む専門分野となった。

スルーホール技術から表面実装技術へ

スルーホール技術は、部品のリード線をドリルで開けた穴に通し、反対側で半田付けする技術です。堅牢なリード付き部品、アクセスしやすいプロトタイプ、機械的な保持が必要なコネクタや電源部品などに適しています。一方、穴あけ加工が必要なこと、基板面積を消費すること、部品のリード線と穴によって複数の層における配線が制限されることなどが欠点です。

表面実装技術（SMT）は、基板表面のパッド上に部品の端子を配置する技術です。初期の表面実装パッケージは特殊な用途で登場し、部品、実装装置、はんだペースト、リフロープロセス、検査、設計ツールなどが成熟するにつれて、1970年代から1980年代にかけて普及が進みました。

SMT（表面実装技術）の登場によって、スルーホール技術が廃れたわけではない。変圧器、大型電解コンデンサ、端子、スイッチ、機械的負荷がかかるコネクタなどは、依然としてスルーホールまたは圧入式接続を採用している。電気的機能と機械的機能が異なる場合、複数の技術を組み合わせることは一般的である。

CAD、HDI、そして最新の多層基板

初期のレイアウトは、テープ、パッド、フィルム、写真縮小などを用いて拡大して描かれていた。コンピュータ支援設計（CAD）は徐々に手作業による図面作成に取って代わった。設計者は、物理的なマスターを再構築することなく、回路図の取得、フットプリントの割り当て、接続の配線、クリアランスの確認、製造データの生成、基板の修正を行うことができるようになった。

層数、ピン数、クロック周波数、パッケージ密度が増加するにつれて、電子設計の自動化の重要性が高まってきました。現代の基板設計には、インピーダンス制御、差動ペア、リターンパス、電源インテグリティ、サーマルビア、部品のエスケープルーティング、電磁両立性、テストアクセス、パネル化、およびアセンブリ制約などが含まれます。PCBはもはや単なる配線の代替品ではなく、信号、電力、熱、および機械的性能を考慮した設計部品となっています。

高密度相互接続（HDI）は、1990年代に量産規模で開発されました。レーザー加工によるマイクロビア、微細な導体構造、連続積層、ビア・イン・パッド構造、そして薄い誘電体層によって、ファインピッチパッケージから接続部を解放することが可能になりました。HDIは小型のモバイル機器やコンピューティング製品を実現しましたが、同時に、材料の精密な選定、位置合わせ、めっき、画像処理、そして信頼性試験への依存度を高めました。

現代の建築オプションには以下が含まれます。

• 単層、二層、多層の硬質プリント基板。
• ポリイミドまたはその他の柔軟な誘電体上に銅を用いて作製されたフレキシブルプリント回路。
• 剛性部品部分と一体化されたフレキシブル部分を組み合わせたリジッドフレキシブル回路。
• 放熱用途向けのメタルコア基板および熱管理機能付き基板。
• 誘電特性と損失を制御するために選定された高周波用積層材。
• マイクロビアと順次積層された層を有するHDI構造。
• 特殊な設計に組み込まれた受動構造または能動構造。

「先進的」だからといって、必ずしも「優れている」とは限りません。豊富な機能を備えた2層基板は、不要なHDIスタックよりも製造、検査、修理、認証が容易な場合があります。最適な構造とは、電気的、機械的、環境的、規制的、量産性、ライフサイクルに関する要件を満たす最もシンプルな構造です。

プリント基板製造はどのように進化してきたのか

基本的な減法加工の工程は、今でもアイスラーの洞察に似ている。つまり、残すべき銅を保護し、残すべきでない銅を除去するということだ。現代の製造工程では、より多くの制御が加えられ、減法加工、半加法加工、加法加工の工程が組み合わされる場合もある。

一般的な多層基板の製造工程には、以下のものが含まれます。

1. エンジニアリングレビュー： 積層構造、材料、インピーダンス、ドリルサイズ、環状リング、銅間隔、パネル化、および製造データを確認してください。
2. 内層イメージングとエッチング： 導体パターンを銅被覆コアに転写し、レジストを現像し、不要な銅をエッチング除去し、残りの部分を検査する。
3. ラミネート加工： プリプレグと銅箔を用いて内層を整列させ、その後、制御された熱と圧力下で積層体をプレスする。
4. 掘削： 機械加工またはレーザー加工を用いて、貫通孔、盲穴または埋設構造、および工具加工部を形成する。
5. デスミアと金属蒸着： 穴の壁面を準備し、最初の導電層を形成し、銅を電気めっきして必要な厚さにします。
6. 外層のパターニングとエッチング： 外部トレース、パッド、およびプレーンを定義します。
7. ソルダーマスクとマーキング： 選択した銅を保護し、部品のランドを開放し、必要に応じて識別情報を追加する。
8. 表面仕上げ: 露出したパッドに、はんだ付け性、接触性能、またはワイヤボンディングのために、指定された仕上げを施す。
9. プロファイリングと検査： パネルの配線またはスコアリングを行い、目視および自動検査を行い、電気的テストを実施する。
10. 組み立てと検証： PCBAにソルダペーストを印刷し、部品を配置し、リフローまたはウェーブソルダリングを行い、必要に応じて洗浄し、検査し、プログラミングし、機能テストを行う。

すべての基板がすべての工程を経るわけではありません。片面フェノール基板、フレキシブル回路基板、厚銅基板、RFラミネート基板、リジッドフレキシブル積層基板、または積層プロセスにはそれぞれ独自の製造工程があります。一般的なインターネット上のフローチャートではなく、図面、製造に関する注記、管理された積層構造、材料仕様、および適用される受入基準によって製品が定義されるべきです。

現代のインターフェースにおけるPCB、FPC、およびプリントPET回路

プリント基板の歴史は今やヒューマンマシンインターフェースと交差している。キーパッドやコントロールパネルには、機械式またはドーム型接点を備えた硬質基板、銅製のフレキシブルプリント回路、スクリーン印刷されたPET膜回路、あるいはこれらのハイブリッド構造が用いられることがある。目に見えるオーバーレイと電子コントローラは、その下の回路技術が異なっていても、似たような外観をしている場合がある。

の カスタムメンブレンスイッチの構造概要 印刷されたPET、FPC、およびPCBベースのオプションを、オーバーレイ、ドーム、LED、コネクタとどのように統合できるかを示しています。これらは構成の可能性であり、あらゆる環境に適した構造を保証するものではありません。

銅が常に印刷インクより優れていると決めつけるのではなく、要件に基づいて選択すべきです。単純なスイッチマトリックスであれば、複雑な多層FPCのメリットは得られないかもしれません。逆に、LED、微細ピッチ部品、高電流、制御インピーダンス、高密度配線などを搭載した回路は、基本的な印刷メンブレンの実用的な限界を超える可能性があります。

の メンブレンキーパッド設計ガイド 回路、オーバーレイ、触覚要素、テール、筐体、および環境を一体のアセンブリとしてどのように規定するかを説明します。回路がバックプレートに取り付けられている場合、または剛性のある制御構造と組み合わされている場合は、基板単体を評価するのではなく、メンブレンスイッチパネルアセンブリ全体をレビューしてください。

PCBタイムラインから製品設計者が学ぶこと

プリント基板の歴史から得られる最も有益な教訓は、新しい技術が常に勝つということではない。それぞれの技術革新は、労働力、サイズ、接続数、自動化、部品パッケージ、信号性能、熱特性、製品形状といった制約条件に従って行われた。

現代的な建築物を選ぶ際にも、同じ論理を適用してください。

1. 電気需要を定義する。 電圧、電流、接触抵抗、信号速度、インピーダンス、接地、シールド、LE​​D、およびコンポーネント負荷を一覧表示します。
2. 幾何学を定義してください。 基板外形寸法、層数、厚み、曲げ領域、配線出口、コネクタ位置、部品高さ、禁止領域、筐体支持構造を含めてください。
3. 環境を定義する。 温度、湿度、結露、紫外線、洗浄剤、振動、落下、ESD、EMI、粉塵、液体への曝露について明記してください。
4. 製造量を定義してください。 試作品の数量、年間需要、改訂頻度、自動化、工具、供給の継続性などが、適切なプロセスに影響を与える。
5. 検査と受入を定義してください。 該当する図面の改訂版、試験方法、サンプルサイズ、外観上の基準、電気的制限、および必要な記録を明記してください。
6. アセンブリを検証します。 量産を想定した基板、部品、ファームウェア、コネクタ、接着剤、筐体、およびユーザーインターフェースをまとめてテストする。

関連する メンブレンスイッチの品質管理ガイド 完成したインターフェースについて、図面チェック、回路検査、位置合わせ、電気試験、触覚特性、環境評価などを行う。歴史的に見ても、進歩はプロセス制御によってもたらされてきた。現代の認証においても、明確に定義された証拠が依然として重要となる。

PCBの歴史に関するよくある誤解

「一人の人物がプリント基板全体を発明した」

現代のプリント回路の功績はアイスラーに帰せられるべきだが、それ以前の特許や並行開発も重要なアイデアを提供した。プリント回路の歴史は、発明、工業化、材料、設備、規格の連鎖である。

「印刷されているということは、銅板には常にインクで印刷されているということだ」

多くの基板は、イメージングレジストとエッチングされた銅を使用しています。印刷された導電性インクは、メンブレン回路やプリントエレクトロニクスにおいて依然として重要ですが、プリント基板の製造プロセスはそれだけではありません。

「表面実装部品がスルーホール部品に置き換えられました」

SMTは多くの小型アセンブリで主流となっているが、スルーホール、圧入、手はんだ付け、機械的接合は、特定の部品や負荷条件において依然として有用である。

「プリント基板とプリント基板アセンブリは同じものです」

プリント基板（PCB）は、基板上の配線構造のみを指します。プリント基板アセンブリ（PCBA）は、部品が実装され、はんだ接合部が設けられた状態を指します。製造上の欠陥と組み立て上の欠陥には、それぞれ異なる検査証拠が必要です。

「層が多いほど、ボードの性能は向上する」

層数を増やすことで、配線、プレーン、シールド、密度を向上させることができますが、コストと製造工程の複雑さが増します。層数は設計に従うべきであり、品質の証として用いるべきではありません。

よくある質問

プリント基板はいつ発明されたのか？

異論のない単一の日付は存在しない。アルバート・ハンソンは1903年に積層型平面導体について記述し、チャールズ・デュカスは1925年にプリント回路と電気めっき回路の特許を取得し、ポール・アイスラーは1930年代に実用的な現代のプリント回路を開発し、1943年に重要な英国特許出願を行った。

プリント基板を発明したのは誰ですか？

ポール・アイスラーは、箔、レジスト、エッチングに関する研究で後の製造方法を先取りしたことから、現代​​のプリント基板の発明者として広く認められている。それ以前の発明家、例えばアルバート・ハンソンやチャールズ・デュカスなども、重要な先駆的概念を提供していた。

プリント基板はなぜ発明されたのか？

それらは、かさばって手間のかかるポイントツーポイント配線を削減し、電気接続をよりコンパクトで一貫性のあるものにし、反復生産に適したものにした。その後の発展により、配線密度の向上、自動組立、小型部品への対応が進んだ。

最初のプリント基板は何に使われたのか？

アイスラーは無線機器にプリント回路を実演した。プリント配線はその後、近接信管などの用途を含む戦時中の電子機器向けに大量生産され、戦後には商業製品へと展開していった。

プリント基板（PCB）はいつ頃から家電製品に普及し始めたのか？

1950年代から1960年代にかけて、ラジオ、テレビ、計測機器、コンピューターのメーカーが材料の改良と大量生産体制の確立を進めるにつれ、普及が拡大した。普及の時期は、製品、企業、国、コスト構造によって異なった。

表面実装技術はいつ頃から普及し始めたのか？

表面実装技術は、当初は特殊な用途で登場し、1970年代に商業的に拡大し、1980年代には部品、実装装置、はんだペースト、リフロー、検査、CADなどの技術が成熟するにつれて、大量生産される電子機器で広く使用されるようになった。

PCB、PWB、PCBAの違いは何ですか？

PCBとPWBは通常、基板単体またはプリント配線構造を指します。PCBAは、部品が実装された組み立て済み基板を意味します。正確な用語は企業や規格によって異なる場合があるため、購入書類には必要な納品状態を明記する必要があります。

フレキシブルプリント基板はPCBの一種ですか？

はい。フレキシブルプリント基板は、柔軟な誘電体上にパターン化された導体を用いたもので、プリント基板の一種です。材料、曲げ特性、支持構造、部品配置領域、製造管理において、従来の硬質プリント基板とは異なります。

メンブレンスイッチはプリント基板を使用できますか？

はい。メンブレンインターフェースは、別個のプリント基板に接続することも、回路層としてリジッドプリント基板または銅製FPCを組み込むことも可能です。また、PET基板上にスクリーン印刷された導電性インクを使用することもできます。電気負荷、形状、部品、環境、体積、および検証要件に基づいて構造を選択してください。

プロジェクトレビュー

Durakeypadは カスタムメンブレンスイッチメーカーおよびメンブレンキーパッドサプライヤー PCB、FPC、プリントメンブレン回路、グラフィックオーバーレイ、コネクタ、またはバックパネルを組み合わせる可能性のあるOEMインターフェースプロジェクトをサポートします。実際の構造と見積もりレビューについては、 Durakeypadに図面とアプリケーションの要件をお送りください。これには、アートワーク、寸法、回路図またはピン配置、材料、動作環境、洗浄曝露、検証要件、試作品数量、および生産予測が含まれます。