知っておくべき一般的なPCB実装の欠陥

PCBデザイナーは、現代の電子機器を動かす技術の背後にいる建築家であり、多くの要件をバランスさせ、科学であると同時に芸術でもある複雑なレイアウトをナビゲートします。 しかし、最も慎重に設計されたプリント基板であっても、PCB製造や組み立ての過程で欠陥が生じることがあります。 このブログでは、最も一般的な組み立て欠陥の概要と、PCBデザインが影響を与えることができるもの、そして組み立てプロセス自体に特有のものについて見ていきます。 次に、PCBとコンポーネントの反りという特定の欠陥に焦点を当て、PCBデザインがこの欠陥にどのように影響を与えるかを見ていきます。将来のブログでは、製造可能性の観点からこれらの欠陥を検討し、PCBデザインと組み立ての間のギャップを埋めるのに役立てます。

一般的なPCB組み立て欠陥

はんだブリッジ/ショートサーキット： この欠陥は、はんだが2つ以上の導電性の特徴を接続し、意図しない電気的接続を引き起こす場合に発生します。これは隣接するピン、パッド、または回路トレースの間で起こり得ます。

はんだ不足： 不十分なはんだは、不完全または弱いはんだ接合を引き起こし、それが悪い電気接続につながります。これは断続的または開放接続として現れることがあります。

はんだボール：はんだボールは、はんだペーストの不完全な溶解と流れから生じる、リフローはんだ付け中に発生する可能性のある小さな意図しないはんだの堆積物です。これらは、PCBの敏感な領域に存在する場合、ショートを引き起こす可能性があります。

はんだペーストが混ざらない場合や、誤って保管された場合にはんだボールが現れます。[画像出典：ユーザーJohn U, stackexchange.com]

トゥームストーニング： これは、リフロー中の温度差によってしばしば引き起こされる、表面実装部品が一方の端に立つことにより、電気接続が悪くなる現象です。

リフトアップまたはパッドの欠落： 組み立て中にパッドが取れてしまい、部品が機能しなくなることがあります。

部品のミスアラインメント：表面実装部品が配置中にずれたり、傾いたりすることがあり、はんだ接合部の欠陥や開回路を引き起こす可能性があります。

冷たいはんだ接合部：冷たいはんだ接合部は、リフロー中にはんだが適切に流れないことで発生する、もろく弱い接続です。これは、しばしば不十分な熱や不適切なフラックスの活性化によるものです。

BGAはんだ付けの問題：ボールグリッドアレイ（BGA）コンポーネントは、はんだボールの欠陥、開回路、またはコンポーネントの下のはんだボイドに苦しむことがあり、これは接続性と信頼性の問題を引き起こす可能性があります。

部品の極性反転：部品の配置や向きの誤りにより、極性が間違えられ、逆電圧接続と潜在的な損傷が発生する可能性があります。

過剰なはんだペースト：ステンシル印刷中に過剰なはんだペーストを適用すると、はんだショートやその他のはんだ関連の欠陥を引き起こす可能性があります。

不足しているはんだペースト：不足しているはんだペーストは、特に細ピッチ部品において、不完全または弱いはんだ接続を引き起こす可能性があります。

不足しているはんだフィレット：部品のリードやパッドの周りに適切に形成されないはんだフィレットは、接続が弱くなる原因となります。

はんだボール残留物：リフロー後にPCB表面に残ったはんだボールは、ショート回路やその他の問題を引き起こす可能性があります。

欠落している部品：装置やオペレーターのエラーにより配置が見逃された部品。

反りや曲がりのある部品：SMT部品はリフロー中に反ったり曲がったりすることがあり、その配置とはんだ接合の品質に影響を与えます。

• SMTの一般的な欠陥についてもっと学ぶ
• DFAのベストプラクティスについてもっと学ぶ

PCBの高い反りはSMTパッケージの反りを引き起こす可能性があります。[画像出典]

反り、リスクの軽減

PCB設計者は、PCB組み立て中にはんだボールが発生するような欠陥に寄与することがあるコンポーネントとPCBの反りを最小限に抑えるために、いくつかの対策を講じることができます。 ここでは、プリント基板設計が反りを影響し、潜在的に防止する方法をいくつか紹介します：

コンポーネント配置とフットプリント

• ストレスを最小限に抑えるために、コンポーネントの位置と向きを慎重に選択します。 
• 重いコンポーネントを敏感なエリアに配置することを避けます。
• 基板にかかるストレスが少ない、フラットまたは同一平面のリードを持つコンポーネントを使用します。
• はんだ付け中の熱膨張と収縮を考慮して、適切なコンポーネントフットプリントを設計します。
• 機械的安定性とはんだ接合部の強度を提供するのに十分な大きさのコンポーネントパッドを確保します。
• 重いまたは高いコンポーネントには、安定性を提供し反りを防ぐために、ネジやスタンドオフなどの追加の機械的固定方法を検討します。
• 特定の場所にストレスがかからないように、コンポーネントと機能を均等に分布させる対称的なボードレイアウトを目指します。
• 銅プレーンを使用する場合は、リフローはんだ付け中に基板が反らないように、大きなグラウンドまたは電源接続を持つコンポーネントに熱リリーフ接続を追加します。

ボードスタックアップ

• PCBスタックアップは、基板の両側の銅分布をバランス良くすることで反りを最小限に抑えるべきです。
• スタックアップ全体で対称的な銅の重さと誘電体の厚さを持つバランスの取れたスタックアップを選択します。
• プリント基板の材料を選択する際には、良好な寸法安定性と低い熱膨張係数（CTE）を持つものを選びましょう。
• 設計が高温を要求する場合は、高温用途に設計された材料の使用を検討してください。

熱に関する考慮事項

• 大量の熱を発生するコンポーネントが適切な熱管理ソリューションを持っていることを確認してください。ヒートシンク、ビア、専用の銅板などがこれに役立ちます。
• 局所的な加熱や変形を防ぐために、熱を発生するコンポーネントを基板全体に均等に配置してください。
• 基板の中心近くに密集したヒートシンクやコネクタを配置することは避けてください。これらは不均一な力を及ぼし、変形の原因となる可能性があります。

このブログを一つのアドバイスで締めくくります。設計プロセス中に製造と組み立ての両方と関わることが重要です。はんだマスクの色のような単純な項目でも、収率に影響を及ぼし、それが価格やリードタイムに影響を与える例はたくさんあります。設計、製造、組み立てを一緒にして、製造プロセス全体を通じて協力し、コミュニケーションを取ることで、最初の試みでの成功の可能性を最大限に高めることができます。

SMTアセンブリのための最良のDFA実践を用いてPCBレイアウトを作成する準備ができたら、Altium Designer^®の設計およびレイアウトツールを使用してください。今日のクロスディシプリナリーな環境でのコラボレーションを実装するために、革新的な企業はAltium 365™プラットフォームを使用して設計データを簡単に共有し、プロジェクトを製造に移行しています。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。今日、Altium Designer + Altium 365の無料トライアルを開始してください.