よくあるPCB不具合への迅速対応ガイド

エンジニアの誰もが自分のPCB（プリント基板）に欠陥が発生することを望みません。しかし、環境面、PCB基板の不適切な適用、あるいは純粋な事故などにより、よく見られるPCB設計問題が特定困難な場合があります。したがって、エンジニアはPCBへの事故を防ぐべきですが、それ以上に、それらの問題に直面したときに即座に対策を講じることが重要です。

不具合#1：PCBショート

PCBショートは基板故障の最も一般的な問題の一つで、多くの原因があります。重要度と緊急度の順に原因を議論し、緊急対策を提示します。

• 緊急対策#1. PCBショートの最も主要な原因は、パッドの不適切な設計です。パッドによるショートを防ぐには、パッド形状を円ではなく楕円に設計し、ポイント間の距離を広げてショートを回避します。
• 緊急対策#2. 部品の不適切な配置方向もPCBショートの原因になります。この場合、部品配置方向を正しく調整してショートを防ぎます。
• 緊急対策#3. 別の原因は、SMT（表面実装技術）部品のピン曲がりです。これを効果的に解決するには、はんだ接合部を回路から2mm離す必要があります。
• その他の原因。 上記主要原因以外にも、基板穴が大きすぎる、はんだ付け温度が低すぎる、基板のはんだ付け性が悪い、ソルダーマスクが機能しない、基板表面の汚染など、見逃せない原因があります。

不具合#2：PCB上の黒ずみや粒子状のはんだ接合部

• 緊急対策#1. PCB上の黒ずみや粒子状のはんだ接合部は、主に溶融スズの汚染と酸化物の多量な混入によって生じ、はんだ接合部を非常にもろくさせます。
• 緊急対策#2. 別の原因は、PCBA製造で使用されるはんだペーストです。はんだペーストに不純物が多く含まれている場合、はんだ接合部は色が暗くなったり粒子状になったりします。この場合、はんだペーストを変更するか、純スズを適用すべきです。

不具合#3：PCB上の金黄色のはんだ接合部

• 緊急対策. 一般に、正常なはんだ接合部は銀灰色を呈します。PCB上のはんだ接合部が金黄色になる場合、主に温度が高すぎることが原因です。この問題を解決するには、炉内温度を下げる必要があります。

不具合#4：性能不良のPCB

適切に設計されたPCBが製造後に性能不良を示す場合、その多くは環境が原因です。

• 緊急対策#1. 基板故障の最初の環境原因は、極端な温度または不確実な温度変化です。また、高湿度や高振動も基板の性能不良や故障を招きます。例えば、温度変化によりPCBが変形し、はんだ接合部が破壊される可能性があります。
• 緊急対策#2. 空気中の水分により銅が酸化または腐食され、露出した銅配線、はんだ接合部、パッド、部品が正常に機能しなくなる可能性があります。
• 緊急対策#3. 基板と部品が大量のほこりで覆われている場合、空気の流れと冷却が影響を受け、PCBが過熱して劣化します。

不具合#5：PCBオープン

• 緊急対策. 配線が切断される、またはハンダペーストが部品配線ではなくパッドのみに残っている場合、オープンが発生する可能性があります。また、製造プロセスやはんだ付けプロセス中にもオープンが生じることがあります。配線断線の原因は、基板変形、落下、機械的変形です。同様に、化学的原因や湿気によりハンダや金属部品が摩耗し、部品配線が断線することがあります。

不具合#6：部品の緩みや位置ズレ

• 緊急対策. リフローはんだ付けプロセスでは、小さな部品が溶融はんだ上で浮遊し、ターゲットのはんだ接合部から完全に離れることがあります。PCB上の部品の緩みや位置ズレは、基板支持不足、不適切なリフローはんだ付け設定、はんだペースト、操作エラーに起因する可能性があります。

不具合#7：はんだ付け欠陥

• 緊急対策#1. 外部干渉により固化前のはんだが動き続けることがあり、これはコールドはんだ付けに似ています。この欠陥は再加熱による修正で克服でき、はんだ接合部は冷却時に外部干渉から遠ざけるべきです。
• 緊急対策#2. コールドはんだ付けもよくある主要なはんだ付け欠陥です。はんだが正しく溶けないときに発生し、表面が粗くなり信頼性のない接続になります。過剰なはんだが完全に溶けないこともコールドはんだ付けの原因です。この欠陥を克服する緊急対策は、接続を再加熱して過剰なはんだを除去することです。
• 緊急対策#3. はんだ付けで遭遇する3つ目の欠陥はブリッジングで、はんだが接合して2本の配線を接続してしまう現象です。ブリッジングは予期せぬ接続、ショート、部品故障、大電流流通時の配線焼損を引き起こす可能性があります。
• 緊急対策#4. PCBはんだ付けにおける4つ目の欠陥は、ピンやリードの濡れ性不足で、はんだの過不足が原因です。また、過熱や粗いはんだ付けによりパッドが浮き上がることがあります。

参考リソース
・鉛とはんだフリーはんだ接合部の信頼性比較
・ボールグリッドアレイ（BGA）はんだ接合部の品質管理における効果的対策
・フローはんだ付けとリフローはんだ付けの比較
・PCBAにおける鉛はんだ付けと鉛フリーはんだ付け製造手順の比較