よくあるPCB設計問題と実証済み修正策

ソフトウェアシステムの開発と比較すると、電子機器のハードウェア設計とその最適化には、長時間消費と高コストという実践的問題があります。しかし、実際の設計では、エンジニアは高度に原則的な問題に注目しがちですが、プリント基板の動作に大きな影響を与えるのは、繰り返し修正しなければならない些細な詳細エラーです。完璧なPCB生成は不可能ですが、段階的な最適化は可能です。本稿ではまず、回路設計、PCB製造、メンテナンスにおけるいくつかの問題を列挙し、その後、限られたコスト内でカスタムPCBを最適化する使いやすい方法を提供します。

マルチチャネル電源整流LEDの耐電圧保護

廊下公共電気等配分を例に取ります。回路の正常動作を確保するため、マルチチャネル電源を用いて電源モジュール（AC-DCモジュール、パラメータ「Uin=AC85〜264V」）に電力を供給します。マルチチャネル入力で、300Ω1/2Wカーボン抵抗と直列のIN4007整流LEDを絶縁用に使用します。図1はこの製品の回路図です。

理論的には完璧なアイデアですが、実際の使用では深刻な問題があります。スパイク電圧を考慮しない正常状況でも、マルチチャネル電源間の電圧はAC400Vに達し、IN4007の耐電圧は1000Vに達します。適切な部品が選ばれている、はずですよね？しかし現実は、耐電圧問題で短絡破裂が頻繁に起き、製品全体がスクラップになります。もちろん、部品の低品質とLEDの経年劣化も問題に寄与していることは否定できません。しかし、高品質LEDやより高い耐電圧のLEDに交換しても、問題は残ります。

保証期間内の早期疲労品質問題とスループット収率（TPY）の存在を考慮すると、部品が100% TPYに達することはほぼ不可能です。この回路では、24個の整流LEDが必要で、スクラップ率は2.4%〜7.2%の範囲です。この品質のPCBでは、顧客ニーズを完全に満たすことはできません。実は、この問題を処理する簡単な方法があります。各ループにIN4007をさらに1つ直列に追加するだけで、この問題は容易に解決します。このとき回路電圧は0.7V低下しますが、出力に影響はありません。わずかなコスト増で耐電圧値が2倍になり、エラー発生率を0.5%に低減できます。

ミニチュアリレーの頻繁動作による電磁干渉の解決策

PCB上のミニチュアリレーが高電流を遮断する際にアーク放電が発生するため、電磁干渉がもたらされます。この干渉はCPUの正常動作に影響し（頻繁なリセットを引き起こす）、デコーダとドライバが誤った信号と指令を出力し、部品実装のエラーを招きます。これらすべての影響が不良品と事故を引き起こします。この問題を解決するには、CPUの耐干渉能力向上と干渉源低減の2側面から検討できます。

1. CPUの耐干渉能力向上。高耐干渉CPUを搭載する必要があります。CPU選定にも実験とテストが必要です。たとえば、90C52RC SCMは理想的な選択です。このタイプのCPUは20kV耐静電気能力と4kV耐高速パルス・電磁能力を備えます。
2. 干渉源の低減
   • リレー駆動増幅器は、コイルが遮断状態にある際の逆起電力による干渉を効果的に低減できます。
   • RC吸収回路をリレー接点間に並列接続し、ノイズ干渉を速やかに吸収。
   • 基板を銅張りにする。銅張りはリレー干渉の大幅な低減に役立ちます。
   • リレーを慎重に選定。同仕様リレーでもコイル電力の異なる選択肢があります。基本原則は、コイル電力が大きいほどリレー接点のオン/オフ動作が速くなり、接点間のアーク放電時間が短くなり、電磁干渉時間が短くなることです。

パッド剥離の改善

PCBがメンテナンス中の場合、分解とはんだ付けは避けられません。経年劣化したPCBやパッドが小さすぎるPCBでは、部品をPCBから分解する際、ピンパッドの剥離とはんだ付け層の穴壁剥離が常に発生します。

1. ピンパッド剥離の場合、同じルート上の近くのパッドを短い線で接続できます。線は距離と保持電流量に応じて選択。短距離なら切り捨てた廃ピンやピンヘッダをはんだ付け用に使用；長距離なら外部絶縁層付き銅線を使用し、他部品の線やピンとの接続によるショートを防止。この場所でパッド剥離が常に起きるなら、ここでのPCB設計が不合理であると判明し、パッド設計を最適化すべきです。パッドを使用可能スペース内で長円形または水滴形に設計し、短く太い銅張り線を追加してPCB材料への吸着能力を高めます。
2. 穴壁のはんだ付け層剥離の場合、原因はプレート穴が小さいことです。部品をPCBから分解すると、プレート穴壁のはんだ層が一緒に剥がれます。したがって、設計時にパッド穴サイズをピンより0.3〜0.5mm大きくすることを推奨します。パッド穴壁のはんだ層が剥がれた場合、この方法を試せます。新部品のピンをはんだコーティング前に取り付け、はんだ層を少し厚くします。次にピンはんだ付け。ピン上のはんだ層がPCB上のパッドを容易にはんだ付けできます。

脆弱部品の交換

電子部品を使用する限り、一部は脆弱になり、交換が必要になります。これらの部品のメンテナンス通常方法ははんだ付けで、多くの時間を消費し、作業効率に強く影響します。脆弱部品にベースを追加するか、プラグや挿入列で接続することを推奨します。この方法でエンジニアは多くの時間と労力を節約できます。

PCB設計と最適化は複雑なプロセスで、設計図面と些細な詳細の両方が必要です。各詳細を最適化することで、PCB製造プロセスの時間消費とコストを削減できます。

PCBプロジェクトをPCBCartと相談し、設計ファイルを無料でDFMチェック！

PCBCartをPCB製造業者として選ぶと、生産前にあなたのPCBファイルで無料DFMチェックを実施します。可能なPCB問題が検出された場合、解決のためにご連絡します！この手順は、最終回路基板があなたの設計通りに正確に動作することを保証します！DFMチェックを活用したいですか？以下のボタンをクリックしてPCB価格の見積もりと注文を送信してください。すぐにご連絡いたします！

参考リソース

• 究極のプリント基板設計ガイド
• PCBCartが提供するフル機能PCB製造サービス
• PCB製造以外に、PCBCartは高度なターンキーPCB実装サービスも提供
• クイックPCB実装見積もりと生産のためのPCB設計ファイル要件