PCB 上のキャスタレーション穴とは何ですか?

PCB製造技術は飛躍的な進歩を遂げてきました。現代の設計者は、顧客のニーズに応えるため、新しいPCBの実装において様々な進歩を遂げてきました。これまでは、PCBの複数の層間の相互接続には、めっきスルーホールやビアが用いられてきました。しかし、これだけではPCB同士の相互接続には不十分でした。

 設計プロセスにおいて、既存のPCBを借用し、それを設計に組み込むことで、特定の機能を実現できることに気付くことがあります。例えば、Wi-Fi接続を含むIoTプロジェクトを作成する場合、Wi-Fi回路を一から設計する必要はありません。ESP32-WROOM-32Eのような既存のモジュールを借用するだけで十分です。しかし、Wi-Fiモジュールを設計にどのように接続するのか疑問に思うかもしれません。そこで、キャスタレーションPCBがこの問題の解決策となります。ESP32-WROOM-32Eは、キャスタレーション技術を採用したPCBモジュールの一例です。この記事では、キャスタレーションPCBについて紹介し、その詳細を解説します。

フィギュア 1: ESP32-WROOM-32E モジュール（キャスタレーションホール付き）

キャスタレーション PCB とは何ですか?

キャスタレーションPCBは、キャスタレーションホールと呼ばれる独自の取り付け穴を備えたPCBです。キャスタレーションホールはPCBの端に配置されています。これらの穴により、設計者は基板間はんだ付けと呼ばれるプロセスを通じて、PCBを別のPCBの上に実装することができます。スルーホールやビアと同様に、キャスタレーションホールにも導電性を向上させるためにメッキが施されています。キャスタレーションホールは通常、半分に割られたスルーホールです。これらの特徴は、表面実装技術を使用する場合に好まれます。

フィギュア 2: PCB 周辺部の城郭状の穴

城郭状の穴により、PCB は次のようなさまざまな利点を獲得し、複数の用途に適したものになります。

·       モジュールをホストPCBに統合: GPRS、GPS、Wi-Fi、Bluetoothなどのさまざまなモジュールにはキャスタレーションホールが備わっており、

·       プロトタイピング プロセス: 城郭状の穴により、設計者やイノベーターは製品のテスト、プロトタイピング、組み立てを簡素化できます。

·       PCB の小型化の可能性: キャスタレーション PCB の登場により、限られた領域に収まるモジュールの開発が可能になり、PCB サイズが縮小されました。

·       PCB の耐久性の向上: 城郭状の穴により PCB の機械構造が改善され、耐久性が向上しました。

·       電気的安定性の向上：キャスタレーションホールを備えたPCBは、電気特性が向上します。メッキされたキャスタレーションホールにより、PCB間の相互接続性が向上し、電気的安定性が向上します。

キャステレーションPCBのキャステレーションの種類

キャスタレーション PCB のキャスタレーションは、フル キャスタレーション、部分キャスタレーション、スタッガード キャスタレーションに分類できます。

完全な城郭

PCBのフルキャスタレーションは、PCBの端面に配置されためっきスルーホールを半分に分割することで形成されます。これにより、完全にめっきされた半円形の穴が形成されます（図2参照）。この完全なめっきは、機械的な堅牢性と電気的導通性を向上させることを目的としています。

完全なキャスタレーションを形成するには、PCBの端近くに完全な穴を開けます。端はフライス加工され、スルーホールの半分はそのまま残されます。最後に、形成された形状全体に銅めっきが施されます。

完全な城郭構造は次の領域で使用されます。

·       PCB エッジのはんだ付け: 設計者や製造業者として、SIM800L セルラー モジュール、ESP32 WI-FI モジュールなどのモジュールをホスト PCB に接続したい場合があり、フル キャステレーションが役に立ちます。

·       接地: 電磁干渉および無線周波数干渉が優先される領域では、完全なキャスタレーションがシールドとして使用されます。

·       電気相互接続: フルキャスタレーションは、電気的連続性を保証することで、スタッカブルボードの製造に適しています。

·       プロトタイピングとテスト: プロジェクトの初期設計段階では、プロトタイプに完全なキャスタレーション技術を採用して、PCB のパフォーマンスをテストしたり、テスト中に役立つ外部 PCB を接続したりするためのテスト ポイントを提供します。

部分的な城郭

部分キャスタレーションは、フルキャスタレーションから派生した構造です。違いは、部分キャスタレーションではU字型の彫刻が完全にめっきされていないことです。また、このタイプのキャスタレーションは深さも浅く、フルキャスタレーションとは異なり、PCBの厚み全体を貫通するわけではありません。

部分的なキャスタレーションは、次のような PCB で使用されます。

·       スペースの制約: 一部の PCB ではスペースが限られているため、完全なキャスタレーションができません。この場合、部分的なキャスタレーションが必要になります。

·       それほど重要でない相互接続：堅牢な機械的接続が重要でない場合に、部分的なキャスタレーションが使用されます。PCBのコストを削減できるため、好まれています。

·       フレキシブル回路の信号ポイント: 部分的なキャスタレーションは、弱い信号にアンカー ポイントを提供するため、フレキシブル回路で使用されます。

交互に配置された城郭

スタッガードキャスタレーションは、PCBのエッジに沿って不規則に配置されたスルーホールに半分ずつめっきが施されたものです。彫刻の深さ、高さ、位置が均一な全体キャスタレーションや部分キャスタレーションとは異なり、スタッガードキャスタレーションは類似した特徴の異なるバリエーションを持ちます。キャスタレーションは、全面または部分的にめっきを施すことができます。

交互に配置されたキャスタレーションは次の領域で使用されます。

·       HDI：HDI（高密度相互接続）PCBは、限られた面積に多数の部品を集積しています。これらの多層PCBでは、相互接続面積が限られています。相互接続性を確保するために、スタッガードキャスタレーションが採用されています。

·       ブレークアウト ボード: 交互に配置されたキャスタレーションは、同じボードの強度を損なわずにいつでも接続が必要になる可能性があるモジュラー PCB に採用されています。

キャスタレーションPCB：キャスタレーション構成

PCB の 3 種類のキャスタレーションに加えて、設計者はキャスタレーション PCB で単列、2 列、インターリーブ キャスタレーションの 3 つの構成を使用します。

単列城郭

最も一般的なキャスタレーション構成は単列キャスタレーションで、PCBの端に沿って1列のノッチが配置されています。各キャスタレーションは独立しており、他のPCBとの接続性を高めるために銅メッキが施されています。

単列キャスタレーションは設計が容易で、堅牢な機械的接続、適切な電気特性、はんだ付けしやすい表面、優れたコネクタ互換性を備えています。しかし、単列では接続用のキャスタレーションが限られ、接触面積が限られるなどの制約があり、HDIなどの複雑なPCBには適していません。

二列城郭

ダブルロウキャスタレーションは、PCBのエッジに2層のノッチを平行に配置します。接点数が2倍になり、PCBサイズを維持しながら接続性が向上します。

HDIに適したコンパクトな設計を実現し、ドーターボードとマザーボード、そして多数の通信プロトコルを扱う複雑なデバイスとのインターフェースを実現します。しかし、この構成には、製造コストの高さ、設計の複雑さ、組み立ての難しさといった制約があります。

インターリーブキャスタレーション

インターリーブキャスタレーション構成では、キャスタレーションがPCBの端で2列以上交互に配置されます。つまり、ジグザグパターンの配置となります。これにより、接続面が拡大され、間隔が最大化されます。

インターリーブキャスタレーションは、他の方式に比べて接続面積が広く、配線の柔軟性が高く、信号整合性に優れています。しかし、比較的高価で組み立てが複雑であり、より高度な製造技術が必要となります。

キャスタレーションPCBの設計

キャスタレーション型PCBの製造には、高度な知識、技術、そして設備が必要です。製造に着手する前に、プロジェクトの設計段階で以下の点を考慮する必要があります。

·       仕様：キャスタレーション穴の最小径は0.6mm、最大径は1.2mmです。適用範囲に応じてサイズを選択します。導電性とはんだ付け性を向上させるため、全体に銅メッキを施す必要があります。

·       ショート防止：周囲のキャスタレーションホールは、ショートを防止するためにソルダーマスクで覆われています。ソルダーマスクは基板の外観を向上させる効果もあります。

·       PCB エッジ メッキ: PCB の導電性表面を確保するために、PCB エッジに銅メッキを施す必要があります。

·       マウスバイトを作る：キャスタレーション型PCBの端にはマウスバイトがあります。この小さな穴により、信号の整合性を損なうことなくPCBの着脱が容易になります。

キャスタレーションPCBの用途

キャスタレーション PCB が使用される領域は次のとおりです。

·       テストとプロトタイピング: 製造時には、キャスタレーション PCB を使用してボードをテストし、予想される要件を満たしていることを確認します。

·       IoT デバイスで使用: GPRS、GSM、GPS、Bluetooth、Wi-Fi モジュールなどのデバイスでは、統合を容易にするためにカステルレーション テクノロジが採用されています。

·       電力管理システム: シームレスな接続を必要とする BMS システムでは、カステルレーション PCB テクノロジが採用されています。

キャスタレーションPCBの課題

キャスタレーションPCBには、多くの利点と用途がある一方で、様々な課題も存在します。製造工程は非常に複雑で、取り扱いに十分注意しないとキャスタレーションめっきが損傷する可能性があります。この技術は高電流PCBには適しておらず、キャスタレーションPCBには設計上の制限があります。もう一つの課題ははんだ付けの問題です。はんだ付けが適切でないと、キャスタレーションの穴が塞がれてしまう可能性があります。

結論

キャスタレーションPCBは、現代のエレクトロニクスの世界で確固たる地位を確立しました。その登場により、PBの相互接続が可能になりました。その汎用性により、IoT、組み込みシステム、プロトタイピング、そしてイノベーションにおいて、期待される品質が実現されています。しかし、設計者はキャスタレーションPCB技術を最大限に活用するために、事前の知識を身に付ける必要があります。

趣味家や設計者は、キャスタレーションPCBの電気的・機械的な堅牢性から恩恵を受けています。はんだ付け性、熱伝導性、そして機械的強度に優れているため、より優れた高度なプロジェクトを実現できます。キャスタレーションPCBに関する当社のサービスについては、当社のウェブサイト「PCBASICS」をご覧ください。