製造性考慮設計(DFM)

Thought Leadership 多層PCB設計: 高電圧PCB向けの基板の製造編集クレジット: Anton_Ivanov / Shutterstock.com オリジナル版の『シュレック』は、私が大好きな映画の1つです。『スター・ウォーズ』といったもう少し歴史のある作品と同じように、この映画に出てくる名言はマニアである友人や兄弟姉妹の間でお気に入りの言葉になっています。特に有名なのは、自分のような怪物は複雑な生き物だということをシュレックがドンキーに説明しているシーンでしょう。「玉ねぎにはいくつも層がある。怪物にもいくつも層がある。わかるかい？玉ねぎにも怪物にもたくさんの層があるんだ」ここでドンキーが指摘したのは、誰もが玉ねぎを好きだとは限らないものの、パフェを嫌いな人はいないということでした。人が層になっているものをどのくらい好むかという点で、私の友人はPCB設計のラボで、多層PCBがパフェと玉ねぎの中間にあると言いました。その複雑性を踏まえると、私はよく多層PCBがパフェよりも玉ねぎに近いと感じます。多層PCBに苦手意識を持たないようにするのに役立つことの1つは、製造の方法やその工程で設計にどのような影響があるのかについて理解することです。高電圧設計の場合は、製造による影響について理解しておくことがさらに重要になります。多層基板の製造方法とは PCB設計を製造業者に送った後は、最終的に完成基板にまとめて搭載されるそれぞれの層が個別に製造されます。銅箔トレースは撮像、エッチングされてからラミネート加工されます。これらの層は、非常に強力な液圧プレスで絶縁材を使って一緒に圧迫され、基板の最上層と最下層が加工されます。中間層は、樹脂を浸透させたファイバーガラスである「プリプレグ（prepreg）」（pre-impregnatedの短縮語）を使って製造されます。プリプレグに含まれる樹脂の割合は、液圧プレスによる基板の圧迫に影響を及ぼします。プリプレグの分量と粘性は用途に応じた最適なものにし、製造中に不具合が発生しないようにしなければなりません。これは、ケーキの最後の層のフロスティングとスポンジを用意することに似ています。プリプレグに含まれる接着剤の割合が多過ぎると、圧迫時に層と層の間からはみ出してしまいます。おいしいフロスティングなら問題ないかもしれませんが、PCBの製造の場合はご想像どおり、厄介でまずいことになります。プリプレグが多過ぎて基板が厚くなると、電圧保護の計算がすべて台無しになってしまうのです。 PCB に含まれる樹脂はケーキのフロスティングのようなもの。分量を間違えると厄介なことになる。樹脂について一般的なPCBの場合、製造業者は低コストでボリュームのあるプリプレグ材を使用する確率が高くなりますが、こうした材料は樹脂の含有量が低く、ガラスが多く含まれます（ガラスは樹脂の浸透に影響を及ぼします）。高電圧の用途向けの場合は、樹脂の割合が高いプリプレグを使って、層のプレス後に隙間が残らないようにしなければなりません。隙間によって絶縁層の効果的な誘電性が変化すると、やはり電圧保護の計画が台無しになってしまいます。ここでの賢い方法は、1080や2113といった高電圧用のプリプレグを選択することです。こうしたプリプレグは、樹脂の含有量が高くて層が薄くなるため、隙間や微泡が残るのを防止してすべての層の密度を高くすることができます。層状になった食べ物で言うと、バクラヴァのようなフレーク状の層は、高電圧下での性能に大きな影響を与えます。これらのプリプレグには含まれるガラスも少ないため、樹脂の浸透もよくなります。コストは上がるものの、その分だけ高電圧下での保護状態も向上します。

Thought Leadership PCB回路製品: 修理できるように設計するべきか？自分の手掛けたものを誰かに修理してもらわなければならないとき、私は技術者としての落ち度を感じてしまいます。それが電子機器であれ、たまにしか担当しない木工品であれ、まずは自分で何とかしてみるまでは助けを求めたくありません。ただし、配管となると話は別です。その場合はすぐさま助けを呼ぶことになります。自分が手掛けた製品は自分で修理したい―そんな衝動が働きますが、問題なのは多くの企業がそれを求めていないことです。ケースを空けるために専用のドライバーが必要になったために、ラベルを破いて正式に保証を無効にしたことは数え切れないほどです。しかも、バッテリー交換のためだけにです。ここで専門的なアドバイスを1つお届けしましょう。どうしてもバッテリーを交換したいのに、細長いネジ穴に対してドライバーが小さすぎるとします。この場合は、プラスドライバーと輪ゴムでどうにか対処できることがあります。まず、輪ゴムを細長いネジ穴の上に置きます。不安定な細長いネジ穴にドライバーがしっかりと、はまるまで押し込み、ネジを外します。とはいえ、開けたケースが混乱と後悔の詰まったパンドラの箱に化けてしまったこともあります。LCDモニターは、VCRの焼け焦げたコンデンサーを交換するのとは大違いなのです。自分が手掛けた機器の修理に対してどんな考えを持っていても、製品の設計を開始する前には、消費者による修理について必ず考慮すべきでしょう。消費者が自分で製品を修理できるようにするのか？消費者が自由に修理業者を選べるようにするのか？それとも、企業が提供するサービスや特別に訓練された技術者だけを利用できるようにするのか？では、いろいろな選択肢を比較しながら、関連する法的要件についても見ていきましょう。社内での対応多くの製造業者は、消費者が自分で製品を修理できないようにしたいと考えています。悩ましいところですが、多くの場合にこれにはもっともな理由があります。高電圧、傷つきやすい部品、特許で保護されたコンポーネントは、適切な予防措置がない状態で消費者に機器の分解を許可していない、という明確な理由です。社内ですべての修理を行う場合は、送られてきた修理品や現地での修理に対応する十分に訓練されたスタッフが必要です。一方で、製品が「消耗品」であれば、修理するよりも新しいものに取り換えたほうが安くつく場合もあるでしょう。この場合は故障率を把握して、保証期間中に問題が発生したすべての製品を交換する体制を整備しなければなりません。指定した技術者に修理を委託することもできるでしょう。修理の選択肢を提供する消費者が製品を修理できるものにしたほうが容易な場合もあります。コンポーネントの複雑さによっては、交換部品の販売が新しい収益源になることもあります。私が勤めていた会社では、元のハードウェアの交換と同じくらい独自のバッテリーの交換に対応していました。これは、プリンター用の新しいインクの購入に似ています。いずれにしても説明書は作成する必要があるため、特別に訓練された修理業者を説明書に記載して提供することもできます。ここでは、適切なガイダンスと免責事項も含めておきます。たとえば、エンジン、回転翼、高電圧など、製品の中には安全に扱わないと危険なものがあるからです。警告ラベルが必要なコンポーネントが製品に含まれる場合は、修理ガイドに説明を明記しておきます。オープンな修理については、諸経費を大幅に節約し、長期的にサービスを提供することができます。これは技術者にとってもありがたい話です。法的要件どの方法を採用するかにかかわらず、法的な要件についても考慮する必要があります。「消費者が合法的に所有している製品を自分で修理することは許可されるべき」という指針に基づいて、米国の複数の州で「修理支持」の法律の制定が進められてます。また、海外では修理に対応できないという議論もあります。これは特に、農業や自動車の業界にずっと依存してきた地域経済にとっての強力な動機でしょう。一部の大手企業は、この法案に積極的に反対しています。多くの場合、これは特許を取得できる設計に関して懸念があるからです。また、顧客にメンテナンスサービスを提供するための独占請負契約からの収益を守りたいと考えている企業も数多く存在します。中小企業では、請負契約や売上の競争が激しくなるでしょう。この法案の支持者は、独占的なサービスでなく顧客サービスによって成り立つ市場を期待しています。修理する権利を持つ消費者は修理したハードウェアを売買しやすくなるものの、それによって企業の全体的な売上が減少する可能性があります。

設計者または製造業者はPCB製造のあらゆる側面を指定するべきか? 長年計画していた中国への旅行が、ついに実現しました。フライトも半ばにさしかかった頃、突然、休暇の興奮は不安に変わりました。私は PCB設計者ですが、実装の間に重大な基板の誤りがあったかもしれない、と気付いたのです。そのリフロープロファイルを指定しなかったことを後悔していました。その反面、再度、それを指定することを後悔していたかもしれません。基板の誤りは全て、このフライトに搭乗する数日前に起こり、適切な計画があれば、この不安を避けることができたのです。PCBを設計、製造する際に使用される一般的なテクニックや原則は2つあります。1つは、基板の製造や実装の全ての側面を指定することによって、PCB設計の完全な所有権を得ることです。もう1つは、製造や実装のプロセスの一部を指定することを、契約製造業者に許可することです。どちらのオプションにも、適切な時と場所があります。異なる状況で、どちらの方が適切か考えましょう。制御方法を選択するのは、いつか? 通常、基板の設計のあらゆる側面を指定する方が、より安全で優れたオプションです。設計パッケージ全体を制御すると、 PCBの製造場所やPCB実装の品質について、企業には最大の自由と柔軟性が与えられます。生産を拡大しつつある場合や、オフショアのコスト削減を目指している場合、基板の製造業者や実装業者の変更は、よくあることです。自身の材料やプロセスを選択する自由を契約製造業者（CM）に与えると、PCBアセンブリ（PCBA）の移転は、より困難になるでしょう。新しい実装業者でできた製品が、最初の実装業者とは異なる可能性が高いからです。これによって、休暇中に不安になることはないかもしれませんが、それに付随する認証の問題では、不安になります。多くの場合、基板が変わると、その製品に関連した認証は、再度確認する必要があります。これにはコストがかかり、製品の発売が遅れる場合があります。そうすると、基板を製造し実装する方法を完全に指定するのが、常に最適な方法であると思われるでしょう。しかし、適切な基板材料の選択、適切なフラックスの決定、リフロープロファイルやはんだペーストマスクの調整、 PCBの面付けなどは、時間がかかり困難な場合があります。これらの要素のために、上で説明した利点が損なわれるシナリオが、いくつかあります。PCBAの完全な所有権を得るべきシナリオと、得るべきでないシナリオについて検討しましょう。この景色を見に行くときに、PCBの仕様について考えたいと本当に思いますか? UL認証取得のための設計 UL認証に応募するときは、コストのかかる遅延や予想外の経費を避けるため、 PCBAのあらゆる側面を完全に指定することが重要です。応募した経験がある人間は誰もが、UL認証の取得は、困難で時間のかかるプロセスだと言うでしょう。しばしば、ULに合格するには、製品に一連のテストを実施する必要があります。製造業者が設計の材料を選択できるようにすると、合格に必要な仕様に従わずに、これらのテストで不合格になる場合があります。製品の安全レベルに応じて、認証は、完了するのに数か月かかる場合があります。ことによると、製品が最終的に合格する前に、何回かの繰り返しが必要になります。この場合、 PCB設計者の実際の唯一のオプションは、どの安全仕様を満たす必要があるかを学び、これを使って、PCB設計の（全てではないにしても）ほとんどの側面を決定することです。例えば、ULテストでよく問題となるのは可燃性（UL94）です。しばしば、PCB基材に適切な誘電体を指定することが、これらの用途に重要になります。PCB製造業者に、任意の繊維ガラス材料を選択する自由を与えると、ULテストサイクルが増えることになるでしょう。最初から設計仕様の概要をまとめ、認証の間の問題を避けるのが、賢明です。どれだけ指定するかを決めるのが難しい場合もあります。どちらとも言えない場合を見ましょう。インピーダンスとユーザー入力の制御のための設計 IoT市場向けのPCBを設計しているとき、概要を示す仕様の数について、判断が必要になります。ほとんどの