PCBにおける光造形技術の応用事例及び開発背景

1．PCBにおける光造形技術の応用事例及び開発背景

　プリント基板（PCB）における光造形技術（ステレオリソグラフィー、SLA）は、従来の製造プロセスに革新をもたらし、複雑な形状の基板や部品を迅速かつ高精度で製造するために活用されています。光造形技術は、3Dプリント技術の一つであり、光硬化性樹脂をレーザー光で選択的に硬化させて積層し、三次元の構造体を形成します。これにより、従来の製造技術では不可能だった精密で複雑な形状の部品や基板を短期間で製造することが可能になり、電子機器の性能やデザインの自由度が大幅に向上しています。

図1 JLCPCBにおけるPCB生産ラインイメージ

1.1 応用事例

　PCBにおける光造形技術の具体的な応用事例には、次のようなものがあります。

プロトタイピング：光造形技術は、PCBのプロトタイピングにおいて重要な役割を果たしています。試作段階で迅速に基板を製造し、テストを行うことで、設計ミスを早期に発見し修正することができます。これにより、開発期間を短縮し、コスト削減につながります。特に、高密度配線や複雑な形状の基板では、従来の製造プロセスよりも効率的です。

多層基板の製造：多層PCBの製造において、光造形技術を用いることで、非常に薄い層間を高精度で積層することが可能です。これにより、高性能な電子機器に対応するための小型で複雑な基板設計が可能となり、スマートフォンやタブレット、ウェアラブルデバイスなどのモバイル機器の性能向上に寄与しています。

回路埋め込み型基板：光造形技術を利用して、回路を基板内に埋め込むような設計も可能です。これにより、従来の表面実装型の回路設計に比べて基板全体の厚みを抑えることができるだけでなく、機械的な強度も向上し、基板自体の耐久性が増します。自動車や航空宇宙、医療機器など、厳しい環境下で使用される製品で特に有用です。

微細構造の製造：光造形技術は、微細な構造の作成が得意であるため、センサーやアンテナのような高精度を要するコンポーネントの製造にも適しています。これにより、例えばRFID（無線識別技術）やMEMS（微小電気機械システム）などの分野で、より高度な性能を持つ製品が実現されています。

1.2 開発背景

　光造形技術は、1980年代に3Dプリント技術の一つとして開発されました。当初は、主に試作モデルの製作に用いられていましたが、技術の進化と共に、電子機器や医療機器、航空宇宙産業など、幅広い分野での利用が進みました。

　PCB製造において光造形技術が注目されるようになった背景には、電子機器の小型化・高性能化が大きく影響しています。モバイル機器やIoTデバイス、自動車などの分野では、基板の軽量化や高密度化が求められ、従来のPCB製造プロセスでは限界が見えてきました。光造形技術は、複雑な3D構造や微細な回路パターンを短時間で製造するために非常に適しており、これらの要求に対応するために採用が進んでいます。

1.3 技術要件

　PCBに光造形技術を適用する際には、いくつかの重要な技術要件が求められます。

高解像度：PCBでは、微細な回路パターンを形成する必要があるため、光造形技術においても非常に高い解像度が必要です。レーザー光の照射精度や樹脂の硬化特性は、この解像度に大きく影響を与えるため、高精度の装置が求められます。

材料選択：光造形技術に使用される樹脂は、硬化後に十分な絶縁性能や耐久性を持つ必要があります。PCBは高温や湿度、化学薬品にさらされることが多いため、使用される材料はそれに耐えうる特性を持つことが求められます。また、基板の厚みや柔軟性など、用途に応じた特性を持つ材料が必要です。

積層精度：PCBは通常、複数の層で構成されており、それぞれの層が正確に積層されることが求められます。光造形技術では、この積層精度を高めるために、層ごとの硬化プロセスや積層速度の管理が重要です。

量産適応性：光造形技術は試作段階では非常に有効ですが、量産に対応するためにはプロセスの効率化やコスト削減が必要です。特に、大量生産を前提とした電子機器産業では、1枚あたりの製造コストや製造時間が大きな課題となります。

2．PCBに用いる光造形技術の特徴についての考察

　光造形技術をPCBに応用する際の特徴を考察すると、以下のポイントが特筆されます。

2.1 高精度な微細構造の形成

光造形技術は、非常に高い精度で微細構造を形成できるため、PCBの複雑な回路パターンや多層構造に対して理想的です。従来のPCB製造技術では困難だった複雑な三次元構造や微小なパターンも、この技術を用いることで短期間で製造可能です。これにより、高密度配線を必要とするスマートフォンやIoT機器の性能向上が実現します。

2.2 材料の柔軟性

　光造形技術では、さまざまな種類の光硬化性樹脂を使用することができます。これにより、PCBの用途や環境に応じた最適な材料選定が可能です。特に耐熱性や耐湿性に優れた樹脂を使用することで、過酷な環境下でも信頼性の高いPCBが製造できます。

2.3 カスタマイズの自由度

　光造形技術は、従来のPCB製造プロセスに比べて設計の自由度が高く、デザインのカスタマイズが容易です。これにより、製品ごとの特定の要件に合わせた基板設計が可能となり、製品の差別化や市場投入までのスピードアップが実現します。また、プロトタイプから最終製品まで一貫したプロセスで対応できる点も利点です。

3．PCBにおける光造形技術の今後の技術動向

　今後、PCBにおける光造形技術の技術動向は、以下のような方向で進展すると考えられます。

3.1 高速化と低コスト化

　現在、光造形技術は高精度である反面、製造速度やコスト面で課題があります。しかし、技術の進歩により、レーザーの精度向上や積層速度の最適化が進み、今後は高速かつ低コストでの量産化が可能になると予想されます。これにより、光造形技術を用いたPCBの商業製造が一層普及するでしょう。

3.2 材料の多様化

　光造形技術に使用される材料の開発も今後の重要な技術動向の一つです。特に、環境に優しい材料や、より高い耐熱性・耐湿性を持つ樹脂の開発が進むことで、より広範な用途に対応できるPCBが製造可能となります。また、自己修復機能を持つ材料や、特殊な電気的特性を持つ材料の研究も進んでおり、PCBのさらなる進化が期待されます。

3.3 多層化とさらなる小型化

　光造形技術を用いたPCBは、多層化が容易であり、今後さらに層数を増やした高密度な基板設計が可能になります。また、基板自体の小型化も進み、限られたスペース内での高度な回路設計が可能となるため、ウェアラブルデバイスやIoTデバイスなど、超小型電子機器の開発が加速するでしょう。

4．考察とまとめ

　PCBにおける光造形技術は、その高精度かつ複雑な構造を短期間で製造できる能力により、電子機器の進化に貢献しています。特に、プロトタイピングやカスタマイズ性に優れ、多層化や小型化の要求に応えることができる点が強みです。今後、材料の多様化やプロセスの高速化が進むことで、より多様な用途に対応し、商業製造においても重要な技術となることが期待されます。技術革新に伴い、PCBの設計自由度が広がり、電子機器産業全体に新たな可能性をもたらすことでしょう。