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マルチボードPCBシステム設計に対応する最良のツール 1 min Thought Leadership PCB設計者

PCB設計者

システムエンジニア/アーキテクト楽しい時間は早く過ぎると人は言います。私がマルチボードPCBを設計しているときに、時間がなかなか過ぎないように感じるのはそのせいかもしれません。 EMIの回避、すべての正しい接地、静電放電の軽減、配線の最適化などを考えると、単一基板の設計でさえ大変なのに、物理的にも電気的にもすべてを適合させなければならないPCBシステムの設計となると、苦痛の限界が試されているように感じるときもあります。ところが幸いなことに、マルチボードの回路図の作成を懲罰から楽しみに変えてくれるツールが登場しています。このツールには基板間の接続、MCADインテグレーション、モジュールの組織化という全般的なPCB設計に役立つ3つの機能がありますが、これらは特にマルチボードのPCBに有用です。まず、基板間のルールチェックは悪夢のような作業になるばかりでなく、基板を台無しにしてしまう可能性もあります。ところが、このツールを使用すると、異なる基板全体でのトレースの接続が単純化され、土壇場の変更があったときにも大いに役立ちます。次に、インタラクティブなモデルによって煩わしいクリアランスチェックが容易になり、すべてを整合させて筐体に収めることができます。最後に、モジュールの組織化では、過去に設計した基板やコネクターを使って、新しい回路を作成できます。 MCADとの統合使っているプログラムに3Dモデリングツールを組み込んだところで大したことはないようにも思えますが、実際には設計プロセスに大きな違いをもたらすことができます。PCBのモデリングにMCADを使用することで、巨額なコストにつながるミスを回避できるほか、試作や製造に基板を安心して送れるようにもなります。別の場所にいる機構技術者が使っているツールがご自分の手元にあれば、基板を設計する方法が激変するでしょう。それがどのように実現するかを見ていきましょう。 3Dクリアランスチェック基板を設計した後に試作品が高額になったり、製造の工程で基板が筐体に収まらなかったりしたことはありませんか? 私は一度そのような経験をしましたが、それは試作に送る直前に電解コンデンサーを設計に追加したときのことでした。後になって、クリアランスの計算が少し間違っていたことがわかったため、機構技術者に設計データを送ってモデリングとチェックをしてもらってから、モックアップに戻しました。製造の工程でそのようなミスが見つかってしまったら、上司に何と説明すればよいでしょう。クリアランスチェックはリスクが高くなりますが、特にマルチボードのPCBの場合はそれが顕著です。非常に高額な3Dパズルのようにすべてを適合させ、それを筐体に収める必要があります。筐体は社内のスタッフが設計する場合もあれば、そうでない場合もあります。私は自分のことを出来の悪い設計者だとは考えていませんが、使っているシステムの3Dモデルがなければ、気付きにくいミスをしてしまうでしょう。いつでも可能なモデリング今では大半の設計者が基板のコンピューターモデルを使っていますが、それらを構築するのは設計者ではなく、通常は機構技術者の仕事です。とはいえ、別の人に変更を何度も送ることなく、設計者自身がモデルを作ってクリアランスチェックができるとすればどうでしょう? これは、MCADプログラムを勉強して文字通りにすべて自分で作業をする、という意味ではありません。私が言いたいのは、回路基板ソフトウェアに仕事をしてもらうということです。これを実現するのは、高度に統合されている優れたMCADツールです。現在では、個々のコンポーネントの3Dモデルを生成し、すべての要素を含む基板のモデルを作成できるツールが提供されています。高度なツールであれば、筐体の3Dモデルをインポートし、クリアランスチェックを実行できるものもあります。こういった機能があれば、誰かを間にいれることなくMCADを自分で進めることができます。たとえば、電解コンデンサーが適合しているかどうかも、ボタンを数クリックするだけで確認できます。基板間のエレクトリカルルールチェックエレクトリカルルールチェックはソフトウェアによって自動的に基板レベルで実行されるため、通常はそれほど面倒なものではありません。とはいえ、接続が複数の基板にまたがる場合、接続を追跡するのはほぼ不可能です。システム全体をチェックし、電気的にも機械的にもすべてが適合しているかどうかを確認できるプログラムはごくわずかです。これが可能なツールでは、さまざまな基板にまたがってルールチェックを実行できるため、設計中のすべての準備を整えることができます。また、筐体の変更や他の外部的な要因によって、PCBで大幅に接続を修正しなければならない場合の再設計にも大いに役立ちます。開発中のエラーチェック

PCBの設計と製造に関するヒント: PCB製造中の開回路を防止するには 1 min Thought Leadership 私が数年間住んでいた町にはチョコレート工場がありました。それは魅力的であると同時に恐ろしいことでした。なにしろ、その工場では傷物の「二級品」を定価から75%引きで買えてしまうのです。カラメルを覆うチョコレートが割れているなど、たいていの欠陥は表面的なもので、味にはまったく問題ありません。 PCBの製造業者がミスをした場合も、それが表面的なものであれば基板はきちんと機能します。最終スクリーンの印刷のずれといったミスであれば電気的な性能に影響はないものの、ずれていたのがソルダーマスクや銅箔層だったとすれば、基板は完全に台無しになるでしょう。PCBの目的は電気的な配線であるため、性能上の重大な欠陥は、開回路、ショート、配線、材料破壊など、本質的に電気に関するものになります。出所次第で、開回路の原因の 3分の1は、特に半田ハズレなどのPCBの欠陥が占めています。材料、処理方法、取り扱いなど、開回路を引き起こす原因は数多く存在します。ここでは、最も一般的なものを確認しておきましょう。半田ペースト半田ペーストが一貫して塗布されていない（塗布された分量が異なる、または完全に塗布されていない個所がある）場合、接合部が完全に形成されません。その結果、開回路が発生したり、結合部が弱くて壊れやすくなったりすることがあります。半田ペーストにまつわるもう1つの原因は、表面全体でリフロー温度が一貫していないことです。チョコレートを電子レンジで加熱したことがある方なら、温まったところから先に溶けていくのをご覧になったことがあるでしょう。こうしたばらつきは半田リフローでも発生することがあります。一部の領域がリフロー温度に到達しなかったために完全に接着されていなければ、電気接続は確立されません。これは、ココアやフロスティングミックスの中で溶け残っているチョコレートと似ています。半田ペーストを塗布する際にアスペクト比（ステンシルの厚さに対する開口部の幅）を間違えると、半田ペーストの沈みが発生する可能性が高くなります。特にソルダーマスクなどのレイヤーの厚さを製造業者に確認するようにしてください。チョコレートを溶かすときのように、半田は基板全体でリフロー温度に到達する必要がある汚染誰も汚染されたチョコレートを食べたくはないでしょう。知らない間にそんな体験をしていないのを願うばかりですが、PCBのコンポーネントも汚染されることがあります。基板や半田ペーストのさまざまな要素が環境汚染の原因になる恐れがあるのです。明らかな原因は、化学物質の流出、空気中の粉塵や微粒子、接触する油です。空気中の水分でさえ、腐食を加速させる原因になります。パッド表面やコンポーネントの汚染や腐食は、適切な半田の接合を阻害する可能性があります。製造業者の品質管理や社内での取り扱いについてチェックし、部品に汚染や損傷がないことを確認してください。基板に付着した指紋は汚染の一般的な原因であり、多くの場合に腐食や半田の不良接合につながるギャップとクラック表面の凹凸が原因で発生したギャップによってPCBの平面性が失われると、同じコンポーネント上の異なるリード間の距離が大きく変更されます。その結果、リフロー中にリードが半田ペーストに接触できなくなります。これは、コンポーネントのゆがみやソルダーマスクに凹凸がある場合に最もよく見られますが、その他の熱的不整合、レイヤースタックアップに関する問題（不適切な脱ガスで発生する気泡など）、基板の物理的な取り扱いミスが原因の場合もあります。ギャップやクラックには肉眼で確認できるほど深刻なものもありますが、特にコンポーネントの小さなパッケージなどで問題を見つけるためには、ほとんどの場合に顕微鏡やX線が必要になるでしょう。問題の解決に割り当てられている予算にもよりますが、開回路が発生している場所を特定するために電気テストを行ったり、製造業者や試験機関で最終的な根本原因の解析が行われる場合もあります。基板の落下といった単純なことで半田が外れてしまうことがあります。チョコレートの卵のように、最初から壊れやすいものの場合はこれが顕著です。製造中に不具合が発生すれば、たくさんの時間が浪費され、コストも高額になる恐れがあります。

PCB製造のためのCAD設計ガイドライン: トレース配線が半田接合に与え得る影響 1 min Thought Leadership 編集クレジット: Aija Lehtonen / Shutterstock.com 数週間前、かつてビッグバンドを率いていたスタン・ケントンの追悼コンサートに行ってきました。ビッグバンドジャズが大好きな理由はたくさんありますが、その1つはメンバーと楽器の構成です。通常は異なる楽器を担当する15～20人のメンバーがすべて違うパートを演奏します。そのため1人でもミスをすると、作曲家が入念にアレンジした曲のバランスが一気に崩れてしまいます。メンバー全員が調和して演奏することの重要性について考えると、正しく製造されるPCBの重要性が頭に浮かびます。たった1つの部品が正しく半田付けされていないだけで、最終回路基板が断続的に不具合を起こしたり、まったく機能しなくなってしまったりすることがあるのです。サックスが不協和音を奏でると曲全体が台無しになってしまうのと同じように、不適切な半田付けも基板全体を損ねてしまう恐れがあります。幸いにも、製造（DFM）に関するデザインルールを活用することで、回路基板上の不適切な半田付けを避けることができます。基板に役立つDFMのルールの1つには、おそらく驚かれることでしょう。PCBでトレースを配線する方法は、半田付けの問題に直接的な影響を及ぼしますが、DFMのルールにはこれに関するいくつかのガイドラインがあります。トレースの配線によってイモ半田やtombstoningなどの問題がどう発生するのかについて見ていきながら、今後避けるべきことを確認しましょう。鋭角のトレース最初にご紹介する原因は鋭角のトレースです。厳密に言うと、これは半田付けの問題につながらないものの、PCBのDFMに関するガイドラインで指摘されている配線の問題です。鋭角のトレースとは、90度を超える角があるトレースを意味します。こうした角度にすると、トレースが元の場所に戻ってきてしまいます。鋭角によって形成されたくさび形は、製造中に酸性化学物質を閉じ込める恐れがあります。閉じ込められた化学物質は製造の洗浄段階で除去されるとは限らず、その場合はさらにトレースが浸食されます。最終的には、トレースが切断されたり、断続的になったりすることになります。 PCBでのトレース配線トレース幅が原因で発生する部品のTombstoning 表面実装部品の抵抗など、小さな2つのピン部品が1つのパッドの端にあると、半田付けの最中に Tombstoning が発生します。その原因は、半田のリフロー中に2つのパッド間の加熱状態がアンバランスになることです。その結果、最初に溶けた側に部品が引き寄せられてしまいます。加熱の状態がアンバランスになる原因の1つは、2つのパッドで異なるサイズのトレースを使用することです。トレース幅が広いほど、接続されるパッドの加熱にかかる時間は長くなります。片方のパッドのトレースが細く、もう一方のパッドのトレースが太い場合は、半田リフローにアンバランスが発生し、片方のパッドが先に溶けてリフローする可能性が高くなります。電気工学では、製造業者にとっては幅が広すぎて確実に半田付けができない電源トレースが要求されることも多々あります。PCB製造のための設計ガイドラインには、異なるサイズの部品ごとのトレースの推奨最小/最大幅が記載されていますが、それでは問題が解決しないこともあります。重要なのは、電気工学と製造の両方の

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