多層PCBは、絶縁性の誘電体で隔てられた3層以上の導電性銅層を1枚の基板に積層・接合したものです。層数が指すのは銅層であり、プリプレグ、コア材、ソルダーマスクは含みません。層数だけでは、基板がリジッドかフレキシブルか、厚さがどれくらいか、またどの程度の性能を発揮するかは分かりません。
構造を選ぶ際は、信号、リターンパス、配線スペース、製造上の制約を比較する必要があります。以下の架空の計測用基板では、同じ要件を2層、4層、6層の各案に当てはめ、未決定の項目が分かるようにしています。リジッド基板の機械的構造や材料の選択については、 リジッドPCB構造ガイド.
要点
- 層数、機械的構造、完成時の厚さは、それぞれ別の仕様です。
- 設計が要件を満たす場合、2層基板も選択肢になります。4層や6層では、銅層や配線を割り当てる別の方法が可能です。
- 実際の形状と電源分配ネットワークを踏まえ、リターンパス、基準プレーンの連続性、層間遷移を確認してください。
- コストは基板全体の構成によって決まります。銅層を追加しても、必ず積層プレスの工程が増えるとは限りません。
- この例は架空のものです。すべての候補案と必要な人による設計レビューは、未確定のままです。
多層PCBとは？
片面PCBは銅層が1層、両面PCBは2層です。多層基板は銅層が3層以上あります。偶数層が一般的ですが、奇数層も可能です。設計によって、各層は信号、電源、グラウンドに使用されます。
層数は電気的な構造を表し、リジッド、フレックス、リジッドフレックスは機械的な構造を表します。多層基板は、これらのいずれの機械的形態にもできます。完成時の厚さは実際の銅層と誘電体の構成によって決まるため、層数だけでは厚さは分かりません。
この フレックスPCB構造ガイド では、フレキシブル材料と機械設計について解説しています。
2層・4層・6層PCBの違いとは？
以下の例は、標準的な構成例ではなく、考えられる層の割り当てを比較したものです。基準プレーンとは、信号のリターン電流経路となる銅領域です。その有用性は、その領域の形状と連続性によって異なります。小さな画面では、表を横にスクロールするとすべての列を確認できます。
層数の比較
| 候補案 | 銅層の役割の例 | 配線と基準に関する考慮事項 | 製造上の考慮事項 | 検討する場面 |
|---|---|---|---|---|
| 2層 | 必要に応じて両面に信号用とグラウンド用の銅箔を配置 | 配線によって利用可能なグラウンド銅箔が分断される場合があります。重要なリターンパスをそれぞれ確認してください。 | 内部銅層はありません。実際の複雑さは、形状や公差にも左右されます。 | 部品配置、配線、電気的要件が両面で満たせる可能性がある場合。 |
| 4層 | 信号 / グラウンド / 電源 / 信号 | 外層の2層を信号用にし、内層の銅箔を基準や電源に利用できます。電源プレーンの基準と層間遷移を確認してください。 | 内層の位置合わせが必要です。材料と厚さの選択は引き続き検討事項です。 | 2層レイアウトと比較して、内部のグラウンド領域や電源領域を設ける利点がある場合。 |
| 6層 | 信号 / グラウンド / 信号 / 電源 / グラウンド / 信号 | 信号層を追加する案により、配線の選択肢が増えます。そのリターン電流は、隣接する両方のプレーンを経由することがあります。 | 内部銅層が増えるため、それに適した構造と位置合わせの計画が必要です。 | 配線や基準に関する要件から、信号層の追加を検討する場合。 |
層数を増やしても、放射の低減、インピーダンス制御、小型化が保証されるわけではありません。実際の配線、電気的特性、その他の要件を満たせば、2層設計でも問題なく機能する場合があります。3つの候補案すべてについて、レイアウトと製造のレビューが必要です。
多層基板の製造方法
多層基板は、パターン形成した銅箔と絶縁材料を組み合わせ、設計上必要な箇所に層間接続用のめっきを施して作られます。
銅箔、コア材、プリプレグ
銅箔は配線、パッド、プレーンを形成します。 コア材 は硬化済みの積層板で、多くの場合、両面に銅箔が付いた状態で供給されます。 プリプレグ は、半硬化樹脂を含浸させた補強材で、積層プレス時に各層を接合します。コア材、プリプレグ、銅箔の数と配置は、選択した構造によって異なります。スタックアップ図には、それらの順序と基板製造に必要な仕様を記載します。
ビアによる選択層間の接続
スルーホールビアは基板全体を貫通します。 ブラインドビア 外層を内層に接続する一方、 埋め込みビアは どちらの表面にも達することなく、内層同士を接続します。 Siemensによる2025年のブラインドビアと埋め込みビアの解説では、 これらの構造と、製造上生じ得るトレードオフについて説明しています。
内層を通過するめっきバレルが、その銅箔に自動的に接続されるわけではありません。接続する層は、パッドとクリアランスによって決まります。ビアの層間範囲は、基板メーカーの製造プロセスと設計ルールを考慮して選んでください。 PCBビアガイド では選択肢を解説し、 HDI PCBガイド ではビルドアップ構造とマイクロビア構造を取り上げています。
4層PCBスタックアップと6層スタックアップの読み方
スタックアップは基板の一方の表面からもう一方の表面まで順に確認し、各銅層の用途を定めます。次の2つの例は、想定される役割を示したもので、完成済みの製造用スタックアップではありません。プレーンの形状、誘電体の構成、接続については、引き続き設計が必要です。
4層PCBスタックアップ
候補の1つは L1 信号 / L2 グランド / L3 電源 / L4 信号です。L2グランドが連続しており、形状が適切であれば、L1信号の近接リファレンスとして利用できます。L4信号はL3電源に隣接します。そのリターンパスは、電源銅箔の連続性や形状、電源分配ネットワークによって異なります。 Alteraの電源層とグランド層に関するガイダンス 電源層またはグランド層をリファレンスとして使用する方法を説明し、電源銅箔の不連続に注意が必要な理由を解説しています。
信号が層を切り替えると、リファレンスも変わる場合があります。電源ネットワークやデカップリングの配置とインピーダンスを含め、関連するリファレンス領域間でリターン電流がどのように移行するかを評価してください。 Eric Bogatinによるリファレンスプレーンの切り替えに関する解説 では、プレーン間の接続とコンデンサのインピーダンスが重要な理由を説明しています。コンデンサがあるだけでは、切り替えが適切であるとは判断できません。電源プレーンの隙間や孤立した領域にも注意が必要です。
Analog Devicesによる2022年のミックスドシグナル基板レイアウトガイダンス では、高性能データ収集向けの4層構成例とリターンパスに関する考慮事項を解説しています。参考情報として有用ですが、普遍的な最小層数を示すものではありません。
6層PCBスタックアップ
もう1つの候補は L1 信号 / L2 グランド / L3 信号 / L4 電源 / L5 グランド / L6 信号です。実際の銅箔と形状が適切であれば、L1とL6は隣接するグランド層をリファレンスとして利用できます。L3はL2グランド層とL4電源層に挟まれているため、形状や電源分配ネットワークによっては、両方のプレーンが電磁界やリターン電流に関与することがあります。
層名だけで連続性が確保されると考えず、各信号と各層間遷移の経路を確認してください。機械面および製造面の確認として、スタックアップの対称性と銅箔分布について基板メーカーに相談してください。ただし、対称であるだけで反りが防げるわけではありません。インピーダンス制御が必要な場合は、 インピーダンス制御PCBガイド で仕様と検証について解説しています。
具体例：小型計測基板の層構成を選ぶ
この学習用の例では、架空の同一要件を3つの候補すべてで比較します。実在する顧客の基板、測定結果、または完了済みの設計レビューを示すものではありません。
要件と前提条件を定める
剛性のあるミックスドシグナル基板が、 55 × 40 mm の外形に収まり、 0～100 Hzの範囲で0～2 Vのセンサー信号をサンプリングし、 with a 16ビットのアナログ・デジタル変換器を搭載し、 クロック周波数1 MHzのシリアル・ペリフェラル・インターフェース（SPI）で通信すると仮定します。この演習では、変換器入力に換算した二乗平均平方根（RMS）ノイズを、公称0～100 Hzの測定帯域内で最大 1 mV とします。センサーコネクタと変換器は同じ側に配置でき、SPIコネクタは基板の反対側の端に配置すると仮定します。暫定的な完成基板厚は 1.6 mmとし、筐体およびコネクタとの適合性を踏まえて調整します。これらの値は架空の設計目標であり、特定製品の測定値や要件ではありません。
変換器のフルスケール範囲が2 Vなら、理想的な16ビットのコード幅は約2 V / 65,536、すなわち変換器入力で約30.5マイクロボルトです。この場合、同じ入力に換算した割り当てノイズ1 mV RMSは、約33コード幅 RMSに相当します。コード幅は電圧の区間であり、RMSノイズは指定された帯域内のノイズの大きさを表します。ノイズの割り当ては、実際に必要な測定分解能と精度に照らして判断する必要があります。この比較だけでは、有効分解能や測定結果は確定しません。センサー信号の範囲が0～2 Vであっても、それだけで変換器のフルスケール範囲が決まるわけではありません。
実際の部品選定、センサーインピーダンス、電源ノイズ、エッジの立ち上がり時間と立ち下がり時間、部品の配置、信号の配線経路と長さ、プレーン形状、配線密度、温度、利用可能な製造スタックアップ、コネクタの公差、試験要件は不明です。ノイズ目標を試験する前に、測定条件、帯域幅、動作条件を指定してください。変換器の分解能だけでは測定精度は決まらず、SPIのクロック周波数だけではエッジ速度やインピーダンス制御の要否は決まりません。
候補を比較する
各行では、上記と同じ外形、センサー信号、ノイズ目標、インターフェース、暫定厚を適用しています。銅箔の役割とリターンパスは検討用の案であり、基板が配線可能であることや試験に合格することを示すものではありません。画面が小さい場合は、表を横にスクロールしてすべての列を確認してください。
具体例の比較
| 候補となる銅層構成とその役割 | 考えられるリターン経路 | 配線と未確認事項 | 考えられる製造上のトレードオフ | 承認 |
|---|---|---|---|---|
| 2層： L1：信号とグラウンド銅箔。L2：可能な限りグラウンドとし、必要に応じて信号を配線 | リターン経路は、回路全体と周波数に依存するインピーダンスによって決まります。配線やビアによってグラウンド銅箔が分断されることがあります[cite: 2]。 | 適切なグラウンド経路を確保しながら、センサーとSPIの配線が収まるかを確認し、1 mV RMSのノイズ目標を定義して検証します[cite: 2]。 | 内層銅箔はありません。微細な形状や厳しい公差が製造や見積もりに影響する場合があります[cite: 2]。 | 保留中[cite: 2] |
| 4層： L1 信号 / L2 グランド / L3 電源 / L4 信号 | L1はL2を参照面にできます。L4はL3を参照面にできます。層間遷移には、電源分配ネットワークを通る適切な経路が必要です[cite: 2]。 | センサー配線を連続したL2上のL1に配置できるか、SPI配線が収まるか、ノイズ、L4のリターン経路、厚さが要件を満たすかを確認します[cite: 2]。 | 内層の位置合わせと、目標の1.6 mmを満たす構造を検討する必要があります[cite: 2]。 | 保留中[cite: 2] |
| 6層： L1 信号 / L2 グランド / L3 信号 / L4 電源 / L5 グランド / L6 信号 | L1とL6はグラウンドに隣接しています。L3はグラウンドと電源の間にあり、そのリターン経路には両方が関わる場合があります[cite: 2]。 | SPIなどの配線に追加層が必要かを確認し、そのうえでL3、層間遷移、厚さ、および同じノイズ目標を評価します[cite: 2]。 | 内層銅箔が増え、位置合わせの要件も加わることで、構造やコストに影響する場合があります。利用可能な製造プロセスを確認してください[cite: 2]。 | 保留中[cite: 2] |
センサーとコンバーターをL2のグラウンド領域上にあるL1に配置し、ほかの配線には残りのスペースを使える可能性があるため、暫定的に4層案を評価対象として進めます。独立した電源層も、評価すべき要素です。これはレイアウト上の仮説であり、ノイズ目標やほかの要件を満たす証拠ではありません。実際のレイアウトが同じ電気的・機械的要件を満たすなら、2層案も引き続き有効です。配線や参照面の要件から追加の信号層が妥当で、適切な構造が利用可能な場合は、6層案を検討してください。
レビューの決定を記録する
前提が意図せず承認扱いになるのを防ぐため、簡潔な決定記録を作成します。
- 要件： 上記の架空の外形、センサー信号、ノイズ目標、コンバーター、SPIクロック、および暫定的な厚さは、すべての候補に適用されます。ほかの性能限界と試験方法は未定義です。
- 候補とその根拠： グラウンド、電源、および配線を評価するため、暫定的に4層案を継続検討します。2層案と6層案も代替案として残します。
- ステータスとレビュアーの役割： 設計レビューと承認は 3つの候補すべてについて保留中です。想定されるレビュアーの役割には、基板設計者、電気またはシグナルインテグリティのレビュアー、機械エンジニア、および基板製造業者が含まれます。この例では、レビュアーはまだ任命されていません。
- 未完了の検証： デバイス要件とエッジ時間、実際の部品配置と配線形状、リターン経路と電源ネットワークの解析、利用可能なスタックアップ、厚さとコネクターの公差、および合意済みの試験を確認してください。配線によって必要なリターン経路が分断される場合、または要件を満たさない場合は、候補を修正してください。
- ノイズ試験計画： 候補を比較する前に、センサー入力条件または代表的なソースインピーダンス、動作条件、サンプリング、およびフィルタリングについて合意します。公称帯域に整合する実用上の低域周波数限界または観測時間、低速ドリフトの扱い、および実効測定帯域幅を定義してください。センサーおよび試験機器のノイズをどう扱うかを含め、基板に割り当てるノイズ予算に含めるノイズ源を指定します。その帯域におけるコンバーター入力換算のRMSノイズの計算方法を定義してください。例の割り当て上限に対して、1 mV RMS以下であれば、そのノイズ基準のみを満たします。現時点では測定結果はありません。
- 承認条件： 設計をリリースする前に、責任を負うエンジニアが実際の要件に照らして選定した設計を確認し、予定している基板製造業者が提案された構造を確認する必要があります。
この教育用の例、その層の役割、および図は、公開前に資格を持つ人間のエンジニアが別途レビューする必要があります。そのレビューは保留中であり、実際の基板製造を承認するものではありません。
多層PCBの製造：内層から検査まで
一般的なリジッド多層基板の製造では、まず内層回路を形成して積層を接合し、その後、外層回路と接続部を作成します。工程の順序や検査箇所は、設計や製造業者によって異なります。フレックス基板やリジッドフレックス基板では、柔軟なボンドプライやカバーレイを使用することがあり、材料と設計に応じた工程が用いられます。
- 内層を準備する。 必要な内層の銅箔パターンを露光・エッチングし、基板内部に封入する前に検査します。
- 位置合わせして積層する。 コア材、プリプレグ、および外層銅箔を配置し、各層の位置を合わせ、熱と圧力を加えて積層を接合します。
- 穴あけと金属化を行う。 指定された穴を加工し、設計された接続を実現するため、該当する穴の内壁にめっきを施します。
- 外層回路を形成する。 工程に応じて外層銅箔を露光、めっき、エッチングし、その後、ソルダーマスクと指定された表面仕上げを施します。
- 外形加工、検査、試験を行う。 基板の外形を加工し、注文内容に合意された検査と電気試験を実施します。
Eurocircuits’の位置合わせガイド レイヤーと穴加工部の位置合わせが重要な理由を説明しています。その 製造検査工程 は、あるメーカーの工程における検査ポイントを示すものであり、他のサプライヤーの許容差や試験範囲を定めるものではありません。
一部のブラインド構造や埋め込み構造では、段階的な加工と逐次積層が必要です。また、複数の銅層を1回の積層サイクルでまとめて加工することもできるため、層数を増やしても必ずサイクルが追加されるわけではありません。合意したオープン／ショートテストでは、その試験範囲内の導通と絶縁を確認しますが、信号品質、熱性能、製品認定のすべてを保証するものではありません。部品実装では部品を追加するため、対象範囲は別になります。 産業用PCB製造ガイド では、より広範な工程について説明しています。
リリース前の多層PCB設計チェック項目
製造データをリリースする前に、実際のレイアウトと予定する積層構成を併せて確認します。
- リファレンスと配線の遷移： 重要な信号の周辺、ギャップ、層変更部、および関連する電源ネットの経路について、銅箔の連続性を確認します。実際の形状に基づいて、プレーン分割部を横切る配線を解析します。
- 材料と形状： 積層板、誘電体間隔、銅箔の要件、仕上がり厚さについて、製造業者と確認します。インピーダンス制御が必要な場合は、対象ネット、目標値、許容差を指定し、検証方法について合意します。
- 銅箔と位置合わせ： 予定する製造工程に照らして、層の対称性、銅箔の分布、パッド、クリアランス、位置合わせ許容差を確認します。
- ビアと穴： 穴の種類、サイズ、層間範囲、意図する接続が、積層構成およびサプライヤーの規則に適合しているか確認します。
- 機械的な適合性： 外形、厚さの許容差、取り付け部、コネクタが、筐体および実装要件に適合しているか確認します。
- 受け入れ基準： 検査および電気試験の範囲に加え、製品に必要な熱、環境、機能の各試験について合意します。
チェックリストの完了時には、層の名称だけでなく、実際のレイアウトとサプライヤーの根拠資料を参照できる状態にします。リリース前に未解決事項と担当者を記録します。
多層PCBのコストを左右する要因
多層PCBのコストは、銅層数だけでなく、構造全体と注文内容によって決まります。
コスト要因
| 要因 | 見積もり時に確認すべき影響の例 |
|---|---|
| 層数と基板面積 | 内層が増えると、材料、画像形成、検査が増える場合があります。基板が大きいと、製造パネルに配置できる枚数が減ることがあります。 |
| 積層板と厚さ | 特殊な積層板や仕上がり厚さの厳しい許容差によって、材料や積層構成の選択肢が限られ、材料費や加工費に影響する場合があります。 |
| ビアの種類と層間範囲 | ブラインドビアや埋め込みビアでは、層間範囲や選択した構造によって、追加の穴あけや段階的な加工が必要になる場合があります。 |
| パターン形状と位置合わせの許容差 | より細い配線、より小さいクリアランス、またはより厳しい層間位置合わせが求められると、サプライヤーの工程によっては、より高度な加工や検査が必要になる場合があります。 |
| 表面処理、検査、試験 | 表面処理によっては、異なる材料や加工が必要です。追加の検査や試験によって、合意した受け入れ項目に必要な作業が増える場合があります。 |
| 数量と希望納期 | 数量が多いと、段取り作業をより多くの基板に分散できます。一方、パネルの利用効率やスケジュール上の制約が見積もりに影響する場合があります。 |
同じ機能要件、数量、表面処理、許容差、試験内容、希望納期を基準に見積もりを比較します。必要に応じて実装費用は別途含めます。ビアの高密度化や層の追加によって製造費用が変わることがありますが、全体としてのトレードオフはプロジェクトごとに異なります。
製造レビューに送付する情報
管理されたファイル改訂版と、何が確定し何が未確定なのかを製造業者が把握するために必要な情報を送付します。
- 銅層のアートワークと識別情報、ドリルデータ、基板外形、スロット。
- 予定する層順、材料、仕上がり厚さと許容差、銅箔の要件。
- ビアの種類と層間範囲、関連するクリアランス、インピーダンス制御の要件。
- 数量、ソルダーマスクと表面処理、検査と電気試験の要件、希望納期。
- 未確定の選択肢、許可される代替品、変更を承認する権限を持つ担当者または役割。
UcamcoのGerberフォーマット概要 では、このフォーマットがPCB画像データと属性をどのように表現するかを説明しています。ただし、それだけで完全なリリース用データ一式が定義されるわけではありません。使用する製造業者が受け付けるフォーマットと補足資料を確認してください。実装には、適切な部品表と配置データも必要です。 Gerber、BOM、CPL、積層構成ガイド では、これらの受け渡し用ファイルについて説明しています。
よくある質問
4層PCBとは何ですか？
4層PCBは、誘電体で隔てられた4層の導電性銅層で構成されています。一般的な構成例では、外層2層を信号層、内層2層をグラウンド層と電源層に使用しますが、実際の役割や材料は設計によって異なります。
4層PCBの価格はいくらですか？
適正な価格を提示するには、基板の仕様と数量を明確にする必要があります。寸法、材料、銅箔、穴、許容差、表面処理、検査内容、希望納期などが価格に影響します。複数の選択肢を比較する際は、同じ要件で見積もりを依頼してください。
すべての多層PCBにブラインドビアまたは埋め込みビアが必要ですか？
いいえ。多層PCBでは、指定した層同士の接続にスルーホールめっきビアを使用できます。ブラインドビアや埋め込みビアは、配線や基板構造上必要な場合に選択できる方法です。ビアの接続範囲と必要な製造工程について、基板メーカーに確認してください。
層数を増やせば、信号品質は自動的に向上しますか？
いいえ。層数を増やすと選択肢は広がりますが、結果はプレーンの連続性、配線形状、リターンパス、層間遷移、電源分配などに左右されます。実際のレイアウトを評価し、各信号に適用される要件を満たしているか確認してください。
基板製造レビューを依頼する
プロジェクトに関するお問い合わせは、こちらをご覧ください PCB製造 基板外形、予定している積層構成、銅箔とビアの要件、数量、希望する検査内容をお知らせください。未確定の項目も明記し、代替案を承認したり注文したりする前に、予定している基板構造に対応可能かどうかをご確認ください。
