信頼性の高いPCB製造のための必須設計要素

電子製品が必ず保持する部品として、プリント基板（PCB）は電子製品の機能実装において鍵となる役割を果たし、これがPCB設計の突出した重要性をもたらします。PCB設計性能は電子製品の機能とコストを直接決定するためです。優れたPCB設計は、電子製品を多くの問題から遠ざけ、製品がスムーズに製造され、実用アプリケーションのすべての要求を満たせることを保証します。

PCB設計に寄与する全要素の中で、Design for Manufacture（DFM：製造向け設計）は間違いなく必須の要素です。DFMはPCB設計とPCB製造をリンクさせ、電子製品のライフサイクル全体を通じて問題を早期に露見させ、適時に解決できるからです。PCB設計段階で電子製品の製造性を考慮するとPCB設計の複雑性が増すという通説があります。電子製品設計のライフサイクルにおいて、DFMは電子製品を自動製造にスムーズに参入させ、製造プロセスでの人件費削減だけでなく、製造リードタイムを効果的に短縮し、最終電子製品の適時完了を保証できます。

PCB製造性

製造向け設計は、製造性とPCB設計が結合されることで、高効率製造、高品質、低コストをもたらす鍵となる要素です。PCB製造性研究は広範囲にわたり、一般にPCB製造とPCB組立に分類されます。

・PCB製造

PCB製造に関しては、以下の側面を考慮すべきです：PCBサイズ、PCB形状、技術レール、フィデューシャルマーク。これらの側面がPCB設計段階で十分考慮されない場合、製造されたPCB基板が自動チップマウンターで受け入れられない可能性があり、追加処理措置が必要になります。さらに悪いことに、一部の基板は自動製造に参入できず、手動半田付けに頼らざるを得ません。その結果、製造期間が延長し、人件費も上昇します。

a. PCBサイズ

各チップマウンターには独自の要求PCBサイズがあり、各マウンターのパラメータに応じて異なります。例えば、PCBCartのチップマウンターが受け入れる最大PCBサイズは500mm×450mm、最小は30mm×30mmです。これは30mm×30mmより小さいPCB基板組立を扱えないことを意味せず、より小さいサイズが必要な場合はパネル化で対応できます。チップマウンターは、サイズが大きすぎるか小さすぎるPCB基板を受け入れず、手動実装のみに依存することになり、人件費上昇と生産期間の制御不能を招きます。したがって、PCB設計段階では、自動実装製造が設定するPCBサイズ要件を十分考慮し、有効範囲内で制御する必要があります。

下図はEDAソフトウェアで完成したPCBパネル設計ファイルを示します。5×2パネルとして、各正方形ユニットが単一基板で、サイズは50mm×20mmです。各単一ユニット間の接続はVカット/Vスコアリング技術で実現。この画像では、全体の正方形がパネル最終サイズ100mm×100mmを表示。前述のパネルサイズ要件に基づくと、このパネルサイズは許容範囲内に収まることがわかります。

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b. PCB形状

PCBサイズに加え、すべてのチップマウンターはPCB形状についても要求を持ちます。通常のPCB形状は長方形で、長さと幅の比が4:3または5:4が最適です。PCBが不規則な形状を持つ場合、SMT組立前に追加措置が必要となり、コスト増を招きます。これを防ぐため、PCB設計段階でPCBを通常形状に設計し、SMT要件を満たす必要があります。しかし、実際の状況ではこれは困難です。一部の電子製品が形状上不規則でなければならない場合、スタンプホールとブリッジを用いて最終PCB形状を通常形状にします。組立後、余分な部分をPCBから除去でき、自動実装要件とスペースの両方を満たせます。

下図は、EDAソフトウェアでプロセスエッジを追加した不規則形状PCBを示します。基板全体サイズは80mm×52mm、正方形領域が実用PCBサイズ。右上コーナー領域サイズは40mm×20mmで、スタンプホールとブリッジによるプロセスエッジです。

c. 技術レール

自動製造の要求を満たすため、PCBに技術レールを配置してPCBを固定する必要があります。

PCB設計段階では、部品とトレースを残さない5mm幅の技術レールを事前に確保すべきです。PCBの短辺側に技術レールを配置するのが一般的ですが、長辺と短辺の比が80%を超える場合は短辺を選択できます。技術レールは組立後に補助生産として除去されます。

d. フィデューシャルマーク

部品実装済みPCBでは、フィデューシャルマークを共通基準点として追加し、各組立装置が部品位置を正確に決定できるようにすべきです。したがって、フィデューシャルマークはSMT製造のベンチマークであり、自動製造に必要不可欠です。

部品には2つのフィデューシャルマーク、PCBには3つのフィデューシャルマークが必要で、PCB基板エッジに配置し全SMT部品をカバーすべきです。フィデューシャルマークと基板エッジの中心距離は少なくとも5mm必要です。両面実装PCBの場合、フィデューシャルマークは両面に必要です。部品が密集しすぎて基板上にフィデューシャルマークを配置できない場合、技術レール上に配置できます。

・PCB組立

PCBA（PCB組立）は、ベアPCB基板に部品を半田付けするプロセスです。自動製造の要件を満たすため、PCB組立は部品パッケージと部品レイアウトにいくつかの要求を設定します。

a. 部品パッケージ

PCBA設計プロセスにおいて、部品パッケージが適切な基準に準拠せず、部品間距離が互いに近すぎる場合、自動実装は実行されません。

部品の最適パッケージを得るため、プロフェッショナルなEDA設計ソフトウェアを使用し、国際部品パッケージ基準と互換性を持たせるべきです。PCB設計プロセスでは、鳥瞰図領域が他領域と重ならないようにすべきで、自動ICマウンターが正確に認識し表面実装を実行できます。

b. 部品レイアウト

部品レイアウトはPCB設計の重要タスクで、その性能はPCBの外観と製造プロセスの複雑さレベルに直接関連します。

部品レイアウトプロセスでは、SMD部品とTHD部品の実装面を決定する必要があります。ここでは、PCB表面を部品A面、裏面を部品B面と設定します。部品レイアウトは実装形態を考慮すべきで、単層単一パッケージ組立、両層単一パッケージ組立、単層混在パッケージ組立、A面混在パッケージとB面単一パッケージ組立、A面THDとB面SMD組立などが含まれます。異なる組立は異なる製造プロセスと技術を要求します。したがって、部品レイアウトの観点から、最適な部品レイアウトを選択し、製造をシンプルかつ容易にし、プロセス全体の製造効率を向上させるべきです。

さらに、部品レイアウト方向、部品間スペーシング、放熱、部品高さも考慮すべきです。

一般的に、部品方向は一貫性を保つべきです。部品レイアウトは最短配線距離の原則に従い、極性マークを持つ部品は極性方向を一貫させ、極性マークのない部品はX軸またはY軸上に整然と配置すべきです。部品高さは最大4mm、部品とPCB搬送方向は90°を維持すべきです。

部品半田付け速度向上と後工程チェックの利便性のため、部品間スペーシングは一貫性を保つべきです。同一ネットワーク内の部品は互いに近接させ、異なるネットワーク間では電圧降下に応じた安全距離を確保。シルクスクリーンとパッドは決して重ならないようにすべきで、重なると部品が実装できません。

PCB実用動作温度と電気部品熱特性により放熱問題を考慮すべきです。部品レイアウトは放熱に焦点を当て、必要に応じてファンやヒートシンクを使用。電力部品には適切なヒートシンクを選択し、熱感受性部品を発熱部品から遠ざけます。高い部品は低い部品の後ろに配置。

PCB DFMに関してはまだ注目すべき詳細が多く、実践で経験を蓄積すべきです。例えば、高速信号PCB設計はインピーダンスに特別な要求があり、実製造前に基板メーカーと議論してインピーダンスと積層情報を決定すべきです。小型で高密度配線のPCB基板製造準備では、最小トレース幅とビア径の製造能力をPCBメーカーと議論し、それらPCBのスムーズな製造を保証すべきです。

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