PCB製造プロセスの1日

Zachariah Peterson
|  投稿日 六月 21, 2022  |  更新日 七月 1, 2024
PCB製造プロセス

デバイスパッケージの設計を導入する前に、PCBそのものの基本的な製造工程を理解することが重要です。各施設で活用されているさまざまなテクノロジーに関わらず、業界を率先するメーカーの大多数は、CADアプリケーションの図面から基板そのものの設計に変えるため、特定の一連のステップに沿って作業を行います。

標準的なPCB製造工程には特定の手順があり、製造工程に関わるすべてのステップを知り、理解することは設計者の裁量となります。製造工程の流れを知ることで、PCB設計のミスを発見しやすくなり、基板を廃棄しなければならないような製造不良のリスクを回避することができます。すべての設計者は、どこでもPCBを製造・組み立てられるように、製造容易性設計(DFM)の手順を導入する必要があります。

この記事では、PCB 製造に関する短期集中コースシリーズの一環として、設計者が知っておくべき基本事項について説明します。まずは、ベア基板の製造に使用される PCB 製造プロセスから簡単にご紹介します。次に、最終テストや検査前に、完成したPCBにコンポーネントを実装してはんだ付けするPCB組立工程を解説します。組立容易性設計(DFA)は、コンポーネントの組立性を考慮した設計を行う手法であり、ベアボード製造と同じく、設計者はPCB組立工程について把握する義務があります。

標準的なPCB製造プロセス

PCB製造では、主にベア基板の製造、エッチング、穴あけ、仕上げが主要な作業です。下の表は、多層PCBの製造に使用される標準的な一連の手順を示しています。このプロセスは、設計仕様書の一式と初期の積層材料で始まり、組立の準備が完全に整った場合の製造済みの基板で完了します。

ステップ 1:

  • お客様からのデータ転送
  • データ準備
  • コア/ラミネート

ステップ 2:

  • ドライフィルムレジスト塗布

ステップ 3:

  • アートワークを配置
  • パネルを紫外線にさらす
  • パネルを開発(レジスト剥離)

ステップ 4:

  • エッチング

ステップ 5:

  • レジスト剥離

ステップ 6:

  • 表面処理

ステップ 7:

  • 多層ラミネート
  • 一次ドリル加工

ステップ 8:

  • 面取りとクリーニング
  • スミア除去
  • 銅箔の付着

ステップ 9:

  • ドライフィルムフォトレジスト塗布

ステップ 10:

  • 感光と現像

ステップ 11:

  • 銅箔パターンのメッキ(電気メッキ)

ステップ 12:

  • レジスト剥離

ステップ 13:

  • エッチング

ステップ 14:

  • ソルダ―マスクの適用と硬化

ステップ 15:

  • 表面仕上げ加工

ステップ 16:

  • シルクスクリーンによるレジェンド付けと硬化

ステップ 17:

  • 切り離し

基板の最終硬化が完了すると、製造業者は基板レイアウトで指定されたテストポイントに基づき、電気テストのプロセスに入ります。製造段階での電気テストには、通常、PCB絶縁体で呼び出された様々なノード間のオープンやショートを検証する導通検査が含まれます。 この検証プロセスに合格したすべてのボードは完成品と見なされ、アセンブリに移ります。

PCBの製造プロセスでは、製造時に発生する可能性のある欠陥が複数あります。最も一般的な欠陥は、エッチング、ドリル、メッキの各工程で発生します。下の表では、発生し得る製造上の不具合とその解決策をご紹介します。

欠陥

考えられる原因は…

ドリルヒットの重複

  • ビアの間隔が近すぎる
  • ガーバードリルデータへのネジ穴が左右反転している

予期しないショート

  • メッキ穴が他の導体に近すぎる
  • 銅間ファインピッチ
  • 「1 mil クリアランス」による欠陥

配線がパッドから切り離された

ソルダーマスクが外れた

  • ソルダーマスクが開きすぎて破片が残っている

パッドの層間剥離

  • SMDパッドの代わりにNSMDパッドを使用している
  • 薄い銅箔で外層の加工温度が高すぎる

オープン(未充填)ビアインパッド

  • ビアインパッド手法の設計を可能にするため、ビアプラグとメッキを指定する必要あり

シルクスクリーンのレジェンドが読めない

  • シルクスクリーンのレジェンドが小さすぎる
  • シルクスクリーンが近すぎる
  • シルクスクリーンの線幅が太すぎる

テスト中に開回路や短絡が正確に点検されなかった

  • テストポイントが正しく指定されていない
  • テストポイントが内部層で指定された

 

設計が完了し、電気テストが行われた後、基板の品質を保証するためにさらなるテストが行われる場合があります。このテストには、通常、ベア基板の製造工程がPCBの材料やエッチング加工を傷つけないことを確認するための環境テストや機械的テストが含まれます。

標準的なPCBアセンブリプロセス

PCBアセンブリには、自動化された機械(ピックアンドプレース機)によるコンポーネントの配置と、その後の自動化されたプロセスによるはんだ付けが含まれます。PCB アセンブリプロセスにおけるはんだ付けの主要な自動化技術は以下のとおりです:

  • フローはんだ付け、スルーホールコンポーネント
  • SMDコンポーネントに使用されるリフローはんだ付け
  • 局所はんだ付け(手はんだ付けを自動化したもの)

大量生産されるPCBの組立工場では、どうしても必要な場合を除き、手はんだを使用することはありません。その理由は、手はんだ付けは非常に時間がかかることと、作業者の熟練度の違いによるばらつきがあるためです。

はんだ付けの工程を終えたPCBは、自動装置で検査され、残留物(特にフラックス)を除去してから梱包・出荷されます。また、完成したPCBAは、早期故障の原因となるPCBを特定するため、独自の検査・試験プロセスが行われる場合があります。この加速寿命試験では、PCBAを極度の熱、圧力、機械的ストレス、電気的ストレスにさらすことで、デバイスの限界を判断します。この限界値が決まれば、設計や最終製品の長期的な信頼性を確保するため、処理パラメータや設計を変更することもあります。

PCBアセンブリプロセス

設計が標準的なDFM/DFA要件に準拠することを保証する最も簡単な方法は、PCB設計ルールを活用することです。デザインソフトウェアのDRCエンジンは、特定のルールセットに基づいてカスタマイズすることができるので、レイアウトに一般的なPCB製造上の欠陥が発生しないことを保証することができます。PCBレイアウトを始める前に、設計ルールでDFM/DFA要件を設定するようにしてください。

DFMを中心とした手法でPCBを設計する場合、PCBスタックアップを始める際に、材料選びからプロセスを開始します。高周波設計や高電圧PCBなど、一部の特殊な製品では、材料選びがDFMに影響を与えることがあります。PCBの豊富な材料特性を理解し、それが製造にどのような影響を与えるかをしっかり把握しましょう。

設計を始める準備が整い、すべてのDFM要件を確実に満たしたい場合は、 Altium Designer®の設計およびレイアウト機能をご活用ください。詳細な設計レビューとデバイスパッケージの準備が整ったら、Altium 365™プラットフォームを通じてリアルタイムで共有および共同作業を行うことができます。設計チームは Altium 365を使用して、製造データ、プロジェクトファイル、設計レビューを安全なクラウドプラットフォームとAltium Designerで共有できます。

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筆者について

筆者について

Zachariah Petersonは、学界と産業界に広範な技術的経歴を持っています。PCB業界で働く前は、ポートランド州立大学で教鞭をとっていました。化学吸着ガスセンサーの研究で物理学修士号、ランダムレーザー理論と安定性に関する研究で応用物理学博士号を取得しました。科学研究の経歴は、ナノ粒子レーザー、電子および光電子半導体デバイス、環境システム、財務分析など多岐に渡っています。彼の研究成果は、いくつかの論文審査のある専門誌や会議議事録に掲載されています。また、さまざまな企業を対象に、PCB設計に関する技術系ブログ記事を何百も書いています。Zachariahは、PCB業界の他の企業と協力し、設計、および研究サービスを提供しています。IEEE Photonics Society、およびアメリカ物理学会の会員でもあります。

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