高周波PCB技術 - 固定基板とは

現代の電子産業では、固定基板は重要な支持構造として、電子部品を接続し安定させる役割を果たしている。PCBのコアコンポーネントだけでなく、チップパッケージ、ディスプレイパネル、各種電子機器に広く使用されています。科学技術の急速な発展に伴い、基板を固定する技術は絶えず進化し、伝統的な剛性基板からフレキシブル基板、さらに先進的なガラス基板とセラミックス基板まで、その機能は単純な機械固定から効率的な電気接続と熱管理に拡張された。業界データによると、世界のPCB市場規模は800億ドルを超えており、固定基板はその基礎として、電子製品の信頼性と性能に直接影響を与えている。

固定基板とは、チップ、抵抗、容量などの電子部品を固定するための基材を指す。エポキシ樹脂、ガラス繊維、セラミックスなどの絶縁材料で作られ、表面に銅箔などの導電層を被覆し、回路経路を形成しています。簡単に言えば、基板は電子機器の「骨格」のようなものであり、機械的な支持を提供すると同時に、素子間の電気的相互接続が振動、熱膨張冷却、その他の外部要因によって失効しないことを確保する。

電子工学において、基板の「固定」には2つの意味がある：1つは、基板自体が装置筐体またはフレームに固定されていること、2つ目は、素子が基板に固定されていることです。例えば、チップパッケージの過程で、ウエハチップ（Die）はボンディングプロセスによって基板に固定され、完全な集積回路モジュールを形成する。この固定には機械的強度だけでなく、電気的性質と熱伝導も必要である。ボンディング（Bonding）は半導体製造の重要なステップであり、チップを基板上に安定して配置し、後続の使用中に脱落や短絡を回避する。

基板の材料選択はその固定性能を直接決定する。一般的な材料にはFR-4が含まれており、価格が手頃で機械的強度が高く、大衆電子製品に適している。セラミックス基板は高温に耐え、高出力デバイスに使用される。ガラス基板はディスプレイとハイエンドチップパッケージによく見られ、優れた平坦度と光学性能を提供する。これらの材料は、基板が変形しないように固定中に安定性を維持することを保証します。

図　pcb基板

基板を固定するタイプには以下のものがあります。

剛性基板（Rigid Substrate）：FR-4や金属基板などの硬質材料で作られた最も一般的なタイプです。デスクトップパソコンやカーエレクトロニクスなど、高い安定性が必要なシーンに適した堅牢な固定プラットフォームを提供します。剛性基板の利点は曲げ抵抗力が強いことにあるが、欠点は柔軟性に乏しく、曲面設計に適応できないことである。

フレキシブル基板（Flexible Substrate）：ポリイミド（PI）などの柔軟な材料を採用し、折り曲げ可能で、ウェアラブルデバイスやスマートフォンに広く使用されている。固定プロセスには特殊な接着剤を使用し、曲げたときに部品が脱落しないようにする必要があります。フレキシブル基板の市場成長は急速で、統計によると、2024年の世界フレキシブルPCB市場は150億ドルに達した。

リジッドフレキシブル基板（Rigid-Flex Substrate）：医療機器や航空機器などの複雑な電子システムのための剛性と柔軟性の利点を組み合わせた。これにより、一部の領域でエレメントを固定し、別の部分で動的接続を実現し、空間利用率を大幅に向上させることができます。

ガラス基板（Glass Substrate）：主に液晶表示（LCD）とOLEDパネル、及び先進的なチップパッケージに用いられる。ガラス基板は平坦度が高く、ミクロン級素子を正確に固定することができる。1970年代以降、ガラス基板は簡単な支持から高精度の担体に変化し、より多くのトランジスタ集積をサポートしてきた。

また、LED照明などの高熱用途に使用される金属基板もあり、素子の過熱失効を回避するために急速に熱が放出されることを確保している。

基板を固定するプロセスは、素子固定と基板実装の2段階を含む電子製造のコアである。

まず、部品固定技術は主に結合技術を採用している。従来のボンディングは半田又は導電性ペーストを用いてチップを基板に固定する、先進的な方法は超音波結合とレーザー結合を含み、精度と速度を高める。PCB生産において、SMTは主流である：素子はリフロー溶接によって基板表面に固着され、電気接続の信頼性を確保する。

第2に、基板自体の固定は、ガイドレール、ネジまたはスナップシステムに関する。装置組立において、PCBプレート固定ガイドは、特に自動車および産業用途における振動による変位を防止するために使用される。現代的な設計では、ネジなし固定を強調し、カードスロットや接着剤を利用してプロセスを簡略化し、生産効率を高める。

家電分野では、スマートフォンやタブレットはPCB基板に依存して無数の素子を固定し、高速なデータ転送を実現している。Ansys氏によると、PCBは回路素子を固定するための機械基板であり、ほとんどの現代装置がそれから離れられないという。

自動車電子において、剛性基板はセンサと制御モジュールを固定し、自動運転技術をサポートする。電気自動車電池管理システムは、金属基板固定パワー素子を用いて、熱を管理する。

医療設備、例えば心拍数モニターはフレキシブル基板を採用し、人体の曲面に固定し、快適な体験を提供する。航空宇宙分野ではセラミックス基板が好まれ、極端な環境に耐え、衛星通信の安定を確保している。

また、5GとAI時代には、固定基板はHDI基板などの高密度集積をサポートし、より多層回路を固定し、性能を向上させる。