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初心者向けの PCB のスルーホール設計ガイドライン

スルーホール技術は、コンポーネントのリード線がドリル穴を通過し、強力な接続を実現するためにはんだ付けされる PCB アセンブリ方法です。この記事では、めっきタイプとめっきなしタイプを含むスルーホールとは何か、および PCB 設計でどのように機能するかを学びます。また、穴のサイズ、パッド、環状リングなどの主要な設計要素と、組み立てプロセスについても理解できます。さらに、スルーホール技術を使用する利点、制限、コンポーネント、アプリケーション、設計ガイドラインについても学びます。

カタログ

図 1. スルーホールはんだ付け例

PCBのスルーホールとは何ですか?

PCB のスルーホールは、コンポーネントのリード線が基板を通過して所定の位置にはんだ付けできるようにするドリル穴です。これらの穴は PCB 製造中に作成され、コンポーネントを基板にしっかりと接続するように設計されています。リード線を穴に挿入すると、はんだが塗布されて電気的接続と強力な機械的結合の両方が形成されます。この方法により、応力や振動が加わってもコンポーネントがしっかりと固定された状態が保たれます。スルーホール PCB 設計は、耐久性と信頼性が必要なアプリケーションで広く使用されています。図に示すように、リードは基板を貫通し、反対側にはんだ付けされて接続が完了します。

PCB のスルーホールの種類

図 2. スルーホールの種類 (PTH 対 NPTH)

1. メッキスルーホール (PTH)

メッキ スルー ホール (PTH) は、内壁に沿って銅の薄い層が堆積された穴です。この銅メッキにより、電気信号が穴を通過し、PCB のさまざまな層を接続できるようになります。PTH は、多層基板に垂直方向の電気経路を作成するために不可欠です。また、コンポーネントのリード線をはんだ付けするための信頼性の高い表面も提供します。

メッキプロセスにより、銅と穴壁との強力な接着が確保され、導電性と耐久性が向上します。これらの穴は、PCB 構造の電気的接続と機械的安定性の両方をサポートします。PTH は通常、コンポーネントのリード線と層間接続に使用されます。一貫した導電性により、ほとんどの PCB 設計に適しています。

2. 非メッキスルーホール (NPTH)

非メッキスルーホール (NPTH) は、内部に導電性銅層のない穴です。これらの穴は電気信号を伝えず、機械的な目的にのみ使用されます。通常、ハードウェアや位置合わせ機能を取り付けるためのスペースを提供するために穴が開けられます。NPTH は、アセンブリ内での PCB の正確な位置決めに役立ちます。

メッキがないため内面は非導電性です。これにより、層間の意図しない電気接続が防止されます。NPTH は、物理的なサポートが必要なネジ、スタンドオフ、またはコネクタによく使用されます。それらの役割は、PCB 設計内の純粋に構造的なものです。

スルーホールパッドの設計と寸法

図 3. スルーホールパッドの寸法と構造

• 穴サイズ（ドリル径）

穴のサイズは、コンポーネントのリード線が挿入されるドリル開口部の直径を定義します。コンポーネントや PCB を損傷することなく簡単に挿入できるように、リード線の直径よりわずかに大きい必要があります。穴のサイズを適切に設定すると、はんだの流れが良好になり、組み立て中の機械的ストレスが防止されます。穴が大きすぎると、はんだ接合が弱くなる可能性があり、穴が小さすぎると挿入が困難になる可能性があります。

• パッド（ランド）サイズ

パッドは、PCB 表面の穴を囲む銅の領域です。これは、コンポーネントのリード線を基板にはんだ接合する表面を提供します。パッドが大きいと、特に高応力のアプリケーションではんだ付け性と機械的強度が向上します。ただし、効率的なレイアウトを維持するには、利用可能な基板スペースとのバランスを取る必要があります。

• アニュラーリング

環状リングは、穴の端とパッドの端の間の銅の幅です。これは、信頼性の高い電気的および機械的接続を確保するために重要です。穴あけや製造変動時のブレークアウトを避けるために、最小限の環状リングが必要です。環状リングを増やすことで耐久性が向上し、接続不良のリスクが軽減されます。

• サーマルリリーフとクリアランス (アンチパッド)

サーマル リリーフとは、パッドと銅プレーン間のスポーク状の接続を指し、はんだ付け時の熱の制御に役立ちます。この設計により、広い銅領域への熱放散が低減され、はんだ付けが容易になります。クリアランス、またはアンチパッドは、穴と周囲の銅プレーンとの間の間隔を定義し、短絡を防ぎます。適切な間隔により、製造性を維持しながら電気的絶縁が確保されます。

スルーホール PCB 組み立てプロセス

1. プリント基板の穴あけ

このプロセスは、設計レイアウトで定義された正確な位置で PCB に穴を開けることから始まります。これらの穴は、精度と一貫性を確保するために高速ボール盤を使用して作成されます。適切な穴あけにより、正しい穴径とパッドとの位置合わせが保証されます。きれいな穴のエッジは、めっきやはんだ付けなどの後のステップをサポートするために重要です。この段階での偏差は、最終的な接続品質に影響を与える可能性があります。

2. 穴の準備と洗浄

穴あけ後、穴は清掃され、破片や汚染物質が除去されます。このステップにより、穴の壁が滑らかになり、さらなる加工の準備が整います。洗浄により、導体穴内の銅めっきの密着性が向上します。また、はんだ接合不良や接続の弱さなどの不具合も防ぎます。信頼性の高い PCB パフォーマンスには、きれいな表面が不可欠です。

3. 銅メッキ（PTH用）

めっきされた穴では、銅の薄い層が穴の壁の内側に堆積されます。これにより、PCB の異なる層間に導電パスが形成されます。一貫した電気的性能を確保するには、めっきプロセスは均一でなければなりません。適切なメッキ厚により耐久性と導電性が向上します。このステップは、多層 PCB 機能にとって重要です。

4. コンポーネントの挿入

電子部品は手動または自動機械を使用してドリル穴に挿入されます。リード線は穴を通過し、基板の反対側まで伸びます。適切に配置すると、コンポーネントの正しい位置合わせと間隔が保証されます。安定したはんだ付けを行うには、コンポーネントを PCB 表面と同一平面上に配置する必要があります。このステップでは、最終接続プロセスに向けてボードを準備します。

5. はんだ付け工程

はんだを塗布してコンポーネントのリード線を固定し、電気接続を作成します。一般的な方法には、大量生産用のウェーブはんだ付けと、小規模なバッチまたは修理用の手動はんだ付けが含まれます。はんだが溶けてリードとパッドの周りに流れ、強力な接合が形成されます。適切な温度制御により良好な濡れが保証され、欠陥が回避されます。このステップにより、電気的および機械的結合の両方が最終的に完了します。

6. 検査と試験

はんだ付け後、PCB は検査を受け、コールド ジョイントやブリッジなどの欠陥がないか確認されます。品質を保証するために、目視検査と自動テスト方法が使用されます。電気テストにより、すべての接続が正しく機能することが確認されます。欠陥がある場合は、理事会が承認する前に修正されます。このステップにより、さまざまなアプリケーションにおける信頼性とパフォーマンスが保証されます。

スルーホール技術の長所と短所

スルーホール技術の利点

• コンポーネントの強力な機械的結合

・過酷な環境における高い信頼性

• 熱的および機械的ストレス下でのパフォーマンスの向上

• 高電力および高電圧アプリケーションに最適

• 手作業での組み立てと修理が簡単

• 大型または重量のあるコンポーネントの安全な接続

スルーホール技術の欠点

• 穴が大きいため、より多くの PCB スペースが必要

• ボード上のコンポーネント密度を制限する

• 自動化された方法と比較して組み立てに時間がかかる

• 穴あけの製造コストが高くなる

• 非常にコンパクトな設計には適していません

• 重量とボードサイズの増加

スルーホールと表面実装技術 (SMT)

特徴	スルーホール テクノロジー (THT)	表面実装 テクノロジー（SMT）
取付方法	挿入されたリード ドリル穴に挿入します (通常 Ø ~0.6 ～ 1.2 mm)	コンポーネント パッドに直接はんだ付け（穴なし）
プリント基板の穴 要件	はい（機械式） 穴あけが必要です）	穴あけ不要
機械式 強さ	ハイプル 強度 (リードの場合は通常 >50 N)	強度が低い (パッドのサイズに応じて約 10 ～ 30 N)
コンポーネントのサイズ	通常は 3 ～ 10 本体サイズmm	通常 0.2 ～ 5 mm (例: 0201 ～ 1206 パッケージ)
基板密度	～5～20 成分/cm2	~20～100+ 成分/cm2
組立方法	ウェーブはんだ付け または手はんだ付け	リフローはんだ付け (自動オーブン ~230 ～ 260°C)
生産速度	～200～500 コンポーネント/分 (ウェーブプロセス)	～10,000～50,000 コンポーネント/時間 (ピックアンドプレイス)
修理可能性	簡単マニュアル 基本的なツールでの置き換え	熱風が必要 またはリワークステーション
電気 パフォーマンス	まで適合 ～100MHz（代表値）	GHzレベルをサポート 高速信号
熱 パフォーマンス	より良い熱 リード線による損失 (通常約 1 ～ 3 W)	限定的、依存性 パッド/プレーン上 (通常約 0.1 ～ 1 W)
振動 抵抗	高い信頼性 10gを超える環境では	中程度 (~5 ～ 10 gははんだ接合部に応じて異なります)
デザイン 柔軟性	限られたルーティング 穴が層をブロックしているため	高配線性 自由（障害物を介さない）
典型的な アプリケーション	電源、 産業用、自動車用モジュール	スマートフォン、 ラップトップ、小型電子機器
製造業 複雑さ	中（手動+ メカニカルステップ)	高度な自動化、 しかし合理化されたプロセス

スルーホール技術を使用した部品

図 4. PCB 上のスルーホール コンポーネント

• 抵抗器（スルーホールタイプ） - スルーホール抵抗器には、確実に取り付けるために PCB 穴を通過する長いリードが付いています。これらのコンポーネントは取り付けが簡単で、安定した電気的性能を提供します。物理的な構造により、小型フォーマットと比較して優れた放熱が可能になります。これらはプロトタイピングや一般的な回路設計に広く使用されています。

• コンデンサ (ラジアルおよびアキシャル) - スルーホール コンデンサには、ラジアル リード構成とアキシャル リード構成があります。これらの設計により、特に電源回路において PCB にしっかりと取り付けることができます。これらは、フィルタリングおよびエネルギー貯蔵アプリケーションにおいて信頼性の高いパフォーマンスを提供します。より大きなサイズは、より高い静電容量値をサポートします。

• コネクタ - コネクタはスルーホール取り付けを使用して、強力な機械的サポートを確保します。これは、繰り返し抜き差しされる部品にとって重要です。はんだ付けされたリードは機械的ストレスに対して耐久性を提供します。長期間の使用でも安定した電気接続を維持します。

• トランスとインダクター - これらのコンポーネントは、そのサイズと重量により、多くの場合、スルーホール取り付けが必要になります。強力なはんだ接合は、PCB 上の重いコンポーネントをサポートするのに役立ちます。これらは、電源および信号フィルタリング回路で一般的に使用されます。これらの設計は、スルーホール接続の安定性の恩恵を受けています。

• ダイオードおよびトランジスタ（リード付きタイプ） - リード付きダイオードとトランジスタは信頼性を高めるためにスルーホール方式で実装されています。これらのリードにより、簡単に配置し、確実なはんだ付けが可能になります。これらのコンポーネントは、電源回路や制御回路でよく使用されます。さまざまな条件下で一貫した電気的性能を提供します。

• スイッチとリレー - スイッチやリレーなどの機械部品は、安定性を確保するためにスルーホール取り付けに依存しています。その操作には物理的な動きが含まれるため、強力な PCB の取り付けが必要です。リード線は電気的接続と構造的サポートの両方を提供します。これらは、制御およびスイッチングアプリケーションで一般的に使用されます。

スルーホール技術の応用

1. パワーエレクトロニクスシステム

スルーホール技術は、高電流と高電圧が存在する電源回路で使用されます。強力な接続により、故障することなく電気的ストレスに対処できます。厳しい環境下でも安定した動作をサポートします。このため、電源やコンバータに適しています。

2. 産業機器

産業用システムは、振動や温度変化などの過酷な条件で動作することがよくあります。スルーホールコンポーネントは、長期信頼性に必要な強度を提供します。運用時の接続障害のリスクを軽減します。これにより、産業オートメーションにおける一貫したパフォーマンスが保証されます。

3. カーエレクトロニクス

自動車システムには、耐久性と耐振動性のある PCB 接続が必要です。スルーホール技術により、一定の動きの下でも信頼性を維持できます。制御ユニットや安全システムに使用されます。これにより、システム全体の安定性と安全性が向上します。

4. 航空宇宙および防衛システム

信頼性の高い環境では、強力でフェールセーフな PCB 接続が必要です。スルーホール技術は厳しい信頼性基準を満たしています。温度や圧力の変化などの極端な条件下でも優れた性能を発揮します。これにより、ミッションクリティカルなシステムに適しています。

5. プロトタイピングとテスト

取り扱いが簡単なため、プロトタイピングにはスルーホール コンポーネントがよく使用されます。テスト中にコンポーネントを素早く挿入および交換できます。これにより、回路の変更とデバッグが簡素化されます。開発環境や教育環境で広く使用されています。

6. 頑丈な設備

機械的ストレスを受ける機器は、スルーホール PCB 設計の恩恵を受けます。強力なはんだ接合により、時間が経ってもコンポーネントが緩むのを防ぎます。過酷な用途でも耐久性を確保します。安心の長期運用をサポートします。

スルーホール設計ガイドライン

• 適切な穴とリードのフィットを選択してください

ドリル穴の直径がコンポーネントのリード サイズよりわずかに大きいことを確認してください。これにより、PCB やコンポーネントを損傷することなくスムーズに挿入できます。適切にフィットすると、はんだの流れと接合の信頼性が向上します。一貫性を維持するために、公差が厳しすぎたり緩すぎたりしないようにしてください。

• 適切な穴の間隔を維持する

電気的短絡や機械的干渉を防ぐために、穴の間に十分な間隔をあけてください。適切な間隔により、穴あけやはんだ付け時の製造性も向上します。これにより、コンポーネントを混雑することなく配置できるようになります。良好な間隔で確実な組立・検査をサポートします。

• 広い銅線エリアにはサーマル リリーフを使用する

パッドを大きな銅プレーンに接続する場合は、サーマル リリーフ パターンを適用します。これにより、はんだ付け時の熱を制御し、はんだ接合不良を防ぎます。はんだ付け性が向上し、熱応力が軽減されます。バランスの取れた熱分布により、一貫した結果が保証されます。

• レイヤーが適切に配置されていることを確認する

信頼性の高い接続には、PCB 層全体で穴を正確に位置合わせすることが不可欠です。位置がずれていると、接合部が弱くなったり、回路が断線したりする可能性があります。適切な設計により、すべての層がメッキ穴を通じて正しく接続されます。これにより、一貫した電気的パフォーマンスがサポートされます。

• 製造可能性を考慮する

標準の PCB プロセスを使用して簡単に製造できる穴とレイアウトを設計します。コストが増加する、小さすぎる穴や複雑な配置は避けてください。簡素化された設計により、歩留まりが向上し、欠陥が減少します。これにより、効率的でコスト効率の高い生産が保証されます。

結論

スルーホール技術は、高応力、高出力、信頼性が重要視される用途で優れた性能を発揮する、強力で耐久性のある接続を提供します。メッキされた穴とメッキされていない穴は、異なる電気的および機械的役割を果たし、適切なパッド設計と組み立てプロセスにより一貫した性能が保証されます。表面実装方式に比べてより多くのスペースとより多くの製造労力が必要になりますが、特定の使用例では依然として重要です。構造、プロセス、設計のベスト プラクティスを理解することは、信頼性が高く長期にわたる PCB パフォーマンスを保証するのに役立ちます。