DFA ガイドライン：効率的なPCB設計のために

実際のデバイスになりたいすべてのPCBは、高い収率で組み立てられる必要があります。ボードが最初の試みで正しく組み立てられるようにするためには、戦略的な計画が必要です。基本的なDFAガイドラインを理解することで、製造組み立てを通じて最小限の欠陥で、やり直しなしにデザインが通過することを確実にするのに役立ちます。

この記事では、以下の点について説明します：

• PCB設計におけるDFAの重要性はなぜか？
• DFAの目的
  • 標準化
  • コンポーネントの検証
  • 組み立てエラーの削減
• DFA基準
  • 極性マーキング付きのコンポーネントの向き
  • 間隔要件
  • IPC組み立て基準
• 一般的な組み立て不良
  • トゥームストーニング
  • はんだブリッジ
  • はんだボール
  • はんだボイド
• 検査方法
  • 自動光学検査（AOI）
  • X線検査

DFAは、3つの段階で構成されるプロセスです。最初の段階では、ボードレイアウトの設計が考慮されます。この段階では、コンポーネント間のクリアランス、はんだ付けの方向、および組み立てコストの削減が考慮されます。次の段階では、GerbersまたはODB++ファイルが、コンポーネント、フットプリントのクリアランスと向き、さまざまなクリーニング方法について検証されます。最終段階では、波はんだ、リフローはんだ、手はんだの要件が特定されます。

 

DFAの目的

標準化

新しいPCBデザインに取り組む際に生じる可能性のある課題を予測することは、すべてのボードデザイナーにとって困難です。標準化の主な目的は、以前に機能した部品や技術を使用することで不確実性のレベルを最小限に抑えることです。以下に、設計の標準化を最大限に確保するためのいくつかの方法を示します：

• 各コンポーネントのソースを慎重に検証し、コンポーネントの真正性を確保します。不正規のソースは、遅延、誤情報、偽造部品のリスクを高めます。
• 組み立てプロセスを容易にし、潜在的なエラーを最小限に抑えるために、ユニークなコンポーネントパッケージの数を減らすように努めます。たとえば、フットプリントとランドパターンの不一致がある場合、デザインにユニークなランドパターンが少ないため、必要なレイアウト調整がより迅速に達成されます。

コンポーネントの検証

設計におけるDFAの主要な目的の一つは、ボードに搭載されるコンポーネントを検証することです。以下に示すガイドラインに従って、製造業者がボードを効率的に組み立てるのを支援します：

 

組み立てエラーの削減

DFAは主に、発生する可能性のある組み立てエラーを排除することに焦点を当てています。上記で議論されたポイント以外にも、以下のポイントにより、製造業者は所望の機能を持つ回路基板を製造できるようになります。

• あなたの製造業者の能力内に収まるサイズ、間隔、および穴あけの許容誤差を守ること。これにより、PCB設計の製造可能性も確保されます。
• あなたのCMの能力内にあるクリアランスと許容誤差に従う。
• ボード端のクリアランスルールに従う。
• 最適なパネル化を可能にするボード形状を確保する。
• 必要に応じて熱リリーフを取り入れる。

DFA基準

前のセクションで議論されたように、DFA基準を知ることは、効率的かつコスト効果の高い方法でボードを設計するのに役立ちます。このセクションでは、いくつかの重要なDFA規範を紹介します。

極性マーキングを伴うコンポーネントの向き

部品の向きは、プリアセンブリ段階で考慮されるべき最も重要な要因の一つです。スムーズな組み立てのためには、明確で明示的な向きの技術に従うことが不可欠です。例として、確実な極性を持つダイオードを考えてみましょう。配置後にも見える適切な極性マーキングを持つように、回路図のシンボルとシルクスクリーンを確実にしてください。これにより、検査プロセスが容易になり、テストやデバッグも容易になります。

 

シンボルはスルーホール部品の場合は2つのピンの間に配置することができますが、表面実装部品の場合はデバイスの横に配置するべきです。これらのシンボルは多くのスペースを取ることがあるため、HDIボードの場合はカソードパッドの上にバーを配置するか、A（アノード）またはK（カソード）の簡単な表示で十分です。

可能であれば、同様のコンポーネントをグループ化し、同じ向きで配置しようとしてください。これにより、迅速な組み立てプロセスが促進されます。例えば、すべてのQFPを一列に配置し、各ICでピン1を同じ角にすることができます。

 

配置要件

コンポーネント間の間隔は、PCBAプロセスの時間枠要件に影響を与えます。このセクションでは、組み立てプロセスの品質を保証するために推奨される間隔基準を見ていきます。

部品とエッジの間隔

部品とエッジの間隔は、ボード上の特定のコンポーネントからそのエッジまでの距離です。この要因は、デパネライゼーション中に重要な役割を果たします。このプロセス中、ボードエッジ近くのコンポーネントは、はんだ接合部に影響を与える可能性のあるストレスを受けることになります。ボードエッジと上面に配置されたSMDの間には125ミルのクリアランスを推奨しますが、製造業者によってはそのプロセスで異なる許容値を提供することがあります。

時には、製造業者はボードの下側のコンポーネントとボードエッジの間隔をさらに広げます。これにより、はんだペーストの適用中にSMTコンポーネントが損傷する可能性が低くなります。

銅のトレースは、基板の端に近づけて配置することもできます。これにより、はんだマスクの隙間が許容され、パッドの侵入を防ぎます。トレース、銅のプール、手動で挿入された部品は、基板の端から少なくとも10ミルの間隔を空ける必要があります。キャステレーションホールは、基板の端に銅メッキが必要な設計タイプです。望ましい銅メッキを達成するためには、そのような設計は追加の費用とリードタイムを要します。

 

部品と穴の間隔

ビアとスルーホールコンポーネントの両方に対して、部品と穴の間隔を考慮する必要があります。これは、コンポーネントのパッド/ボディと穴の間の最小間隔を決定します。この間隔には、高品質の組み立てを達成するために満たされなければならない2つの特定の要因があります。

• 部品と穴壁の間隔：これは、実際の穴の端からパッドの端までの距離を測ります。これは、ドリル・トゥ・カッパー距離としても知られています。必要な最小間隔は約8ミルです。
• 部品とアニュラーリングの間隔：これは、穴のアニュラーリングの端からパッドの端までの距離を測ります。必要な最小間隔は約7ミルです。

 

IPC組み立て基準

以下は、基板を組み立てる際にCMが守るその他のIPC組み立て基準です。

• IPC-A-600: IPC-A-600、一般にIPC-600として知られているこの基準は、各製品カテゴリーに対する受け入れ基準のレベルを指定しています。望ましい、許容される、および交渉不可能な基板の要件を定義しています。
• IPC/WHMA-A-620C: この基準は、ケーブルおよびハーネス組み立てに対する材料、手順、テスト、および受け入れ基準を記述しています。
• IPC-A-630: 電子エンクロージャの基準を定義しています。この基準は、CMが組み立ておよび検査プロセスを実施する際に使用されます。

一般的な組み立て欠陥

このセクションでは、PCBA中に最も頻繁に発生する欠陥と問題について詳述しています。製造業者はこれらの欠陥を避けるために多くの品質管理方法を採用しており、その方法のいくつかは以下の小節で述べられています。

トゥームストーン

トゥームストーン、またはマンハッタン効果とも呼ばれるこの現象は、SMDコンポーネントがその着地パッドから部分的または完全に剥がれるケースを指します。これは小型のSMDパッシブ（0603またはそれ以下のパッケージ）で最も一般的であり、リフローはんだ付け中の力の不均衡によって発生します。

トゥームストーニングを防ぐ方法:部品の精度を高く保ち、プリヒート温度を高く設定してください。

• 高温と湿度への露出を避けてください。
• ペーストが溶融状態に達する前に、両方のパッド上の濡れ性力を均衡させるために、浸漬ゾーンを延長してください。

 

はんだブリッジ

はんだブリッジは、電気的に接続されるべきでない二つの導体間にはんだが適用されると発生します。これら望ましくない接続はショートと呼ばれます。

はんだブリッジを防ぐ方法:

• はんだペーストの金属含有量を少なくとも90%に保ってください。
• ステンシルの開口部を正確に合わせ、そのサイズを10%縮小してください。
• 適切なリフロープロファイルを確保してください。

 

はんだボール

はんだボールは、表面実装アセンブリ中に発生する最も一般的な欠陥です。これは、接合部を形成する主体から分離した小さな球状のはんだ粒子の発達です。これは、多くのはんだボールが二つの隣接するリード間にブリッジを形成する可能性があるため、ノークリーンプロセスにとって懸念事項です。これにより、ボードに機能上の問題が生じます。

はんだボールを防ぐ方法:

• パッドのサイズと間隔は、データシートに従って設計されるべきです。
• はんだペースト印刷前に、ボードを焼きます。
• 穴のめっきの厚さが25μm以上であることを確認してください。これは水の閉じ込めを防ぎます。

 

はんだボイド

はんだ接合部内の空洞や穴は、はんだボイドとして知られています。はんだボイドは、接続を確立するための十分なはんだがない場合に生成されます。はんだボイドは通常、空気を含んでいます。

はんだボイドを防ぐ方法:

• ガスが基板から逃げるための排出チャネルを増やす。
• 鉛フリーのはんだペーストを使用するようにしてください。

 

検査方法

回路基板が実装された後、製造業者は複数の検査および品質管理手順を実施することがあります。

自動光学検査（AOI）

自動光学検査（AOI）は、基板が生産施設を離れる前にPCB組み立てエラーを検出するための効率的で正確な方法です。この方法は、高解像度カメラと高度な画像処理ソフトウェアを使用して、欠落または誤配置されたコンポーネント、はんだブリッジ、はんだボール、またはトゥームストーンなどの組み立てエラーを特定します。

 

X線検査

AXI（自動X線検査）は、ICやBGAの隠れた欠陥を検出するための人気のある方法です。このシステムのスキャン源はX線です。巨大な空洞や亀裂を特定するために使用できます。この方法は、内部の形状や構造組成への非破壊アクセスを可能にします。AXIはAOIと同じ方法で画像をキャプチャします。唯一の違いは、AOIが光源でスキャンするのに対し、AXIはX線でスキャンすることです。

DFAガイドラインは、組み立て後の高い収率と最小限の再作業を保証することを目的としています。Altium Designer®のDRCエンジンを使用することで、これらのDFAガイドラインを製造に入る前に実装することができます。製造業者と相談した後、上記の制約をPCB設計ルールにプログラムすることで、迅速にエラーを検出して修正できるようになります。設計が徹底的な設計レビューと製造の準備が整ったら、チームはAltium 365™プラットフォームを通じてリアルタイムで共有し、協力することができます。設計チームはAltium 365を使用して製造データやテスト結果を共有し、設計変更を安全なクラウドプラットフォームおよびAltium Designer内で共有することができます。

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