PCB製造成功のための7つの必須ポイント

ご存知だろうか？世界で設計されるPCBの約半分は不良品だ。製造フェーズを通過できない。そして市場に出たものの30%はリリース後に故障する。

なぜこれほど多くのPCBが製造段階で失敗するのか？

回路基板製造プロセス中に私たちが見落としている、シンプルで微細なディテールがある。この細部への無知が、あまりに高いコストを招くのだ。

数十億ドルのミス

約5年前、ゼネラルモーターズは41億ドルのミスを犯した。ある車種のイグニッションキーにPCB設計の欠陥があり、エンジニアが見落としていたのだ。

このPCBミスにより、GMは該当車種すべてをリコールし、数十億ドルで購入者に補償しなければならなかった。また、多数の訴訟に対応するため高額な弁護士を雇う羽目になった。

考えてみてほしい：完璧に機能する百万ドルの車が、イグニッションキー一つで台無しにされたのだ！たったイグニッションキーで！なんという無駄だろう？

GMは孤立したケースか？違う。数年後、サムスンが史上53億ドルのPCB設計ミスを犯した。続いてマクドナルドも、フィットネスデバイスのPCB設計欠陥で3300万ドルの損失を出した。

今回は、PCB製造時に注意すべき7つの一般的な領域を見ていく。

サーマルパッドの「スターブド（熱不足）」に注意

サーマルは、パッドとプレーンを相互接続するパッド周りの微細なトレースだ。名前の通り、主な役割は熱循環にある。主な設計目的は、ヒートシンクからヒートシンクへ効率的に熱を放散させることだ。サーマルは、はんだ付け時に大量の熱が使われるため、はんだ付け時にも重要だ。

しかし、WellPCBではパッドに関心を持つ人が少ない。ワンストップサービスと高品質製品を提供。必要な書類を送れば即座に見積もり！何を待っている？10年のPCB製造実績。その結果、サーマル相互接続の重要性を（時折）無視してしまう。そうすると、パッドとプレーンの間にボイドが生じ、不完全なサーマル相互接続が生まれる。

このような欠陥を「サーマルスターブド（熱不足）」相互接続と呼ぶ。

サーマルスターブドは、ほとんどのPCBにおける熱関連トラブルの根本原因だ。回路が熱ストレス下にある時や、はんだ付け時の熱伝達率を低下させる。

熱循環が減少した結果、サーマルパッドが奇妙にはんだ付けされたり、リフローに時間がかかったりする。この不要な遅延は、組み立てプロセスを遅らせたり、動作中に過熱の危険があるガジェットを生み出したりする。

サーマルスターブドは、PCB設計段階またはWellPCBのいずれかで発生する。ワンストップサービスと高品質製品を提供。必要な書類を送れば即座に見積もり！何を待っている？10年のPCB製造実績。

一般的なPCB設計ツールではスターブドサーマルを検出できない。しかし、経験豊富な適切なPCBサービスプロバイダーなら、様々なPCB製造会社がそのような欠陥の特定と修正を支援してくれる。

アシッドトラップは回避可能

「アシッドトラップ」とは、回路設計における鋭角のことを指す。エッチング工程中、これらの角度が不必要に過剰な酸をトラップするため、この用語を用いる。トラップされた酸は蓄積し、必要以上に長く曲がり角のエッジに留まる。

この停滞した酸は、必要以上に回路を構成する材料を食べてしまう。酸腐食の結果、PCB接続の一部が弱くなったり欠陥が生じたりする。ライフサポートデバイスでは、このような欠陥が致命的になる可能性がある。

ほとんどのアシッドトラップは製造中に発生する。PCB設計者として、アシッドトラップは多くの場合あなたの責任ではない。あなたがそれらを作るわけではない、ただし設計することはある。直接の責任ではないものの、発生を最小限に抑える高い権限をあなたは持っていることを自覚すべきだ。

あなたのPCBはあなたのビジネスだ。したがって、ほとんどのPCB設計者はアシッドトラップを回避するよう訓練されている。しかし、時に失敗することもある。特に「自動生成」機能を持つシンプルなPCB設計アプリケーションを使用する場合だ。

PCB設計を常にダブルチェックすれば、アシッドトラップを排除できる可能性が高い。万一見逃しても、製造前にDFMツールで我々が支援できる。

スリバー（細片）

スリバーは、PCB製造のエッチング工程で生成される銅またはソルダーマスクの薄い楔状片だ。通常、長く細い銅やソルダーマスクのストリップがエッチングされ、完全に溶解する前に剥離・飛散すると発生する。

飛散したスリバーが薬液槽に溶け込み、後で別の基板に意図せず付着することがある。これにより意図しない接続が生じる可能性がある。

時には、PCBセクションを狭すぎたり激しすぎたりして切断することでスリバーが発生する。基板上に残る意図でも、このようなスリバーは部分的または完全に剥離しやすい。このような事象は意図しない回路断線を引き起こし、回路全体を無駄にする可能性がある。スリバーは特定と修正も困難だ。

PCB設計時に最小幅で設計することで、スリバーを回避できる。

十分なプレート・ツー・エッジクリアランスでの設計

銅は最も広く使用されるPCB導電性金属だ。高い導電性と、ほとんどの反応物質に曝露しても不活性でいられる能力から、他の金属より好まれる。裏を返せば、銅は比較的柔らかく腐食しやすい。PCB製造時に銅を他の絶縁材料でメッキし、腐食リスクを最小限に抑える。

それでも、PCBトリミング時に、表面近くの突出した銅層と接続が露出することがある。この露出は、PCBの安定性に相当なリスクをもたらす。

第一に、露出した銅接続が同一基板上の別の部品と偶然接触し、基板の部品をショートさせる可能性がある。あるいは、露出した銅部分が腐食のリスクにさらされる。これら両方が失敗すれば、露出した銅端がPCBハンドラーに感電の危険を及ぼす。

銅プレートと基板エッジの間に適切な距離を保ってPCBを設計し、このようなミスを防ぐ必要がある。この距離は「銅ツーエッジ」または「プレートツーエッジ」と呼ばれることがある。製造前のDFM検査で、このような設計欠陥を特定できる。

メッキ時のボイド（空洞）

ビア作成プロセスでは、スルーホールビア用のスペースを作る必要がある。これらの穴は、PCBの片側から反対側への相互接続を助ける。

スルーホールビア作成時、ファブリケーターはPCBのすべてのセクションを切断して穴を開ける。銅メッキフィルム穴で分離。この行為は、薄い非導電性銅材料層を堆積させる「堆積」プロセスで行われる。さらに数層の銅層を追加して循環を完成させる。

時として、堆積プロセスに不具合が生じる。ボイドや気泡がメッキされる可能性がある。これにより、検出・修理が困難な内部の予期せぬ回路断線が生じる。

このような問題は製造中に発生し、その後製造段階に連鎖する。したがって、適切なツールと人員を備え、このような欠陥を検出できる確立されたPCBメーカーを選ぶ必要がある。

電磁気的問題

電磁両立性（EMC）と電磁干渉（EMI）は、信頼性の高いPCB生産における2大課題だ。EMCは電磁エネルギーの生成、伝播、受信に関わり、EMIはEMCの副作用に関わる。

制御されないEMIは不良PCBを生む可能性がある。初心者のPCB設計者にとって、この2つを区別するのは困難な作業だ。しかし、コンポーネントの90度角配置を最小限にする、グランド面積を増やすなど、いくつかの一般的な設計配慮を採用できる。不確実な場合は、シールドケーブルを使用してEMIを低減することを推奨する。

DFMを回避しない

DFM（Design for Manufacturability：製造しやすい設計）とは、回路基板を規格適合の観点から検査するプロセスを指す用語だ。DFMプロセスでは、設計段階または組み立て段階での潜在的な問題についてPCB設計を分析する。主に、PCBが設定目標に到達できるかをテストする。

機能テストに加え、DFMはPCBがどう壊れるかもテストする。DFMは最悪のシナリオからPCBを評価する。通常のCADソフトウェアでは無視されがちな設計上の欠陥の大半を、PCBのトポロジー評価と膨大なPCB考慮事項データベースとの比較チェックによって特定できる。DFMチェックは、量産前の最終チェックだ。

注意点

PCBメーカーを頻繁に変更すると、PCBプロトタイプが最終生産品と同じように機能しない可能性がある。

PCBメーカーは、生産されるPCB品質を決定する上で重要な役割を果たす。メーカーは、製造前にあなたのオリジナルPCB設計を標準に適合させるよう変更することがある。これらの変更はあなたのメーカーに残る。

したがって、メーカーを変更するとこれらの変更が消える。PCBは単一の信頼できるPCB製造会社から注文することを推奨する。

まとめ

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