製造のための設計ガイドブック

製造のための設計とは何か？

このガイドブックの目標はシンプルです - 毎回良い基板を手に入れること。そして、これを実現するために適用される方法論が製造のための設計（DFM）です。過去にDFMについて聞いたことがあるかもしれませんが、具体的には何を意味するのでしょうか？

製造のための設計（DFM）は、製造可能で、機能的で、信頼性のあるPCBを設計するプロセスです。

この定義を念頭に置いて、このガイドブック内の設計実践を採用することで達成しようとするいくつかの明確な目標があります：

1. 設計プロセスで見落とされた製造特有の詳細による複数の基板の再設計の必要性を排除する。
2. PCB設計のベテランが提唱する一連のベストプラクティスに従って、製造可能で意図した通りに機能する基板を設計・製造する。
3. 基板のレイアウトとドキュメントに関する一連のベストプラクティスに従うことで、設計の見直しに費やす時間を減らし、一貫して市場投入までの時間を短縮する。

これらの目標を達成するために、このガイドブックは、あなたの設計ワークフローに合わせて最初から最後まで読まれることを理想として構成されています。次の章の各セクションを読むときに、PCB設計プロセスの各段階に知識を適用することができるでしょう。

このガイドブックで見つかるもの

このガイドブックは理論的でありながら実践的でもあり、一貫して製造可能なボードを生み出すことにつながる信頼され受け入れられた設計科学を適用しています。このガイドブックの主要セクションには以下が含まれます：

セクション1: 成功的な製造のための設計ガイドライン

このセクションでは、機能的で製造可能なボードレイアウトを生み出す設計実践について取り上げます。このセクションには以下が含まれます：

• チャプター1: 典型的なPCB製造プロセスとその様々な段階を理解する。
• チャプター2: 特定の設計要件を満たすためにPCBに適した材料を選択する。
• チャプター3: PCBレイアウトを戦略的に計画すること、これにはビア/穴の配置、はんだマスク層、およびシルクスクリーンの文書化が含まれます。
• チャプター4: コンポーネントを適切に配置し向きを決めることで、適切な間隔と組み立てを確保する。
• チャプター5: 製造者による成功したボードテストのためのテストポイント要件を設定する。

セクション2: 成功的な製造と組み立てのための文書化ガイドライン

設計が完了し製造の準備が整ったら、製造者に対して明確な設計意図を提供するためにPCBを適切に文書化する方法に移ります。このセクションには以下が含まれます：

• 第6章： PCBドキュメンテーションプロセスの主要な要因が何であるか、および製造業者に送る必要があるものを理解する。
• 第7章： 製造用のボードを正確に描写するために必要な細部すべてを表現するためのPCBのマスター図面を組み立てる。
• 第8章： 選択したコンポーネントでベアボードを作成するために組み立てドキュメンテーションに含める必要があるものを理解する。
• 第9章： 製造ファイルが重要である理由と、Gerber、ODB++、IPC-2581、および部品表を含む製造業者に送る特定のファイルを理解する。

このガイドブックを最後まで読めば、製造準備が整ったPCBを生産するために、デザインとドキュメンテーションの実践を自分のワークフローに実装するために必要な知識を身につけることができます。

成功する製造のためのデザインガイドライン

PCB製造プロセスの一日

製造に向けたデザインプロセスを始める前に、物理的なPCBを生産する背後にあるプロセスを理解することが重要です。各施設に存在するさまざまな技術に関わらず、業界をリードする大多数の製造業者は、デザインをデジタルビットから物理的なボードに変えるために特定の一連のステップに従います。このプロセスのステップは図1に概説されており、以下を含みます：

標準的なPCB製造プロセス

顧客からのデータ転送：Gerber、GerberX2、IPC-2581、ODB++、ネットリスト、NC-ドリル、製造図面、仕様

データ準備：顧客から提供されたデータをツーリング用に変換（パネライゼーション、アートワーク、ドリルおよびルートプログラム）

コア/ラミネート：ガラスエポキシ基板に銅を両面に張り合わせた薄いラミネート材料（FR-4がPCB設計に最も一般的に使用される材料）

 

ドライフィルムレジストコーティング：熱と圧力を使用して、光感受性フィルムをコアの銅表面に適用。

 

アートワーク配置：顧客からのアートワークパターン（回路とランドパターン）をフィルムコーティングされたコアの表面に配置。各表面には独自のアートワークパターンがあります。

紫外線によるパネルの露光：これにより、回路基板の潜像が作成されます。

パネルの現像（レジスト除去）：露光されたコアを化学溶液を通して、硬化されていない領域のレジストを化学的に除去。

 

エッチング：フィルムレジストで覆われていないすべての領域のコアから銅を化学的に除去し、個別の銅パターンを作成。

 

ストリップレジスト： 開発されたドライフィルムレジストを化学的に除去します。

 

酸化コーティング： 銅表面を粗くして、ラミネートサイクル中のプリプレグへの接着を向上させるために化学的に処理します。

 

多層ラミネーション： 銅箔、プリプレグ（多層用接着剤）、およびコアが熱と圧力の下で一緒に接合されます。

プライマリードリリング： パネルのスタック（両面/片面はここから始まります）を通して穴が開けられます。

 

バリ取りとクリーニング： 銅のバリを機械的に除去し、ドリル穴からデブリをクリーニングします。

デスミア： 穴壁から樹脂コーティングを化学的に除去します。

銅沈着： パネル表面と穴壁に薄いコートを化学的に沈着させます。

 

ドライフィルムフォトレジストコート： 熱と圧力を使用して、銅表面に感光性フィルムを適用します。

 

露光＆現像： コアの内層プロセスに似ています。

 

銅パターンプレート（電気めっき）： 露出した無電解銅表面に追加の銅（およびスズ）が電気的にめっきされます。

 

エッチング：スズで覆われていない領域から銅が除去されます。

 

レジスト剥離：現像されたドライフィルムレジストが化学的に除去されます。設置されたテントは、「非めっき」穴でのめっきが発生しないようにしています。

 

はんだマスクと硬化：液体フォトイメージャブルマスクが各面に適用され、触れると乾燥します。アートワークも適用されて露光されます。パネルが現像され、アートワークによって定義されたマスクパターンが残ります。

 

ホットエアーはんだレベリング（最も一般的なPCB表面処理）：パネルが溶融はんだ浴を通過し、露出した銅表面全体を覆います。

 

表面処理：RoHS準拠または非RoHS準拠。

ホットエアーレベリング（HAL、HASL）：フラックスステーション、はんだ浴を通過させ、その後エアナイフを通過させます（余分なはんだをレベルで除去するため）。

レジェンドと硬化：顧客のアートワークに従って、パネルの各側面に上下のオーバーレイ（シルクスクリーン）がインクで印刷され、その後、インクを硬化させるためにパネルが焼かれます。

 

製造とルーティング： 基板はサイズに切断されます（ルーティング、スコアリング、パンチング、またはプロファイリングとも呼ばれます）。このステップでスロットや面取りも追加されます。

 

電気テスト/最終検査：基板は電気的な整合性（必要であればインピーダンスも）についてテストされます。この時点でショートやオープンが修理されます。小ロットには通常、フライングプローブが使用され、大量生産にはベッド・オブ・ネイルズ試験装置が使用されます。このステップで通常行われる他の機能には、自動光学検査（AOI）があり、これはPCBの内層と外層のコストドライバーをダウンロードしたCAMデータと比較して整合性と設計ルールを検証します。信頼性テスト、および顧客によって要求された場合は統計的プロセス制御（SPC）も行われます。

基板の最終硬化が完了すると、製造業者はあなたが基板レイアウトに設定したテストポイントで電気テストプロセスを開始します。この検証プロセスに合格したすべての基板は完了とみなされ、その後、出荷と輸送を経ていきます。

PCB製造プロセスにおける典型的なコストドライバー[1-1]

ボードの製造コストは、設計段階で指定する特定の材料や部品によって大きく決まります。情報に基づいたエンジニアは、製品の仕様で概説された機能要件を満たす必要性とコスト要因を慎重にバランスさせるために時間をかけます。製造プロセスにおける最も一般的なコスト要因とコスト削減戦略のいくつかは、以下の表に概説されており、次のような内容が含まれます：

 

製造意識的な設計決定を行う

上記の典型的なPCB製造プロセスに関する知識を理解することで、材料や部品の選択においてより情報に基づいた選択を行うことができるようになります。製造プロセスについての理解を深めた今、実践的な製造設計プロセスに入る時が来ました。まずは材料選択から始めましょう。

材料の選択

はじめに

すべての設計プロセスは材料選択から始まり、この章では、仕様で概説された特定の設計要件に基づいてPCB設計に適した材料を選択することに焦点を当てます。主にFR-4に焦点を当てますが、これはPCB設計に最も一般的に使用される材料です。特定の材料要件が以下のセクションに記載されていない場合は、さらなる指導のために製造業者に連絡してください。

基本的な材料選択プロセス

PCBを設計する際には、独自の設計ニーズに基づいて検討すべきいくつかの材料選択肢があります。材料を選択する前に、まずボードが満たす必要がある機能性と信頼性の要件を定義することをお勧めします。これらの要件には通常、次のものが含まれます：

• 電気特性
• 熱特性
• 接続（はんだ付けされたコンポーネント、コネクターなど）
• 構造的ボードの完全性
• 回路密度

一般的なルールとして、設計の複雑さと特性を増やすほど、製造プロセス中にかかるコストも増加することを覚えておいてください。予算、機能性、および信頼性の目標を特定の設計ニーズに合わせて達成するためには、常に慎重にバランスを取るべきです。材料選択プロセスを始める方法についての視覚的な情報は図2を参照してください[2-1]。

図2 - デザイナー/エンドユーザーの材料選択マップ[2-1]

材料選択のための追加基準

選択した材料から複合材を構築し始めるときは、温度特性に特に注意を払う必要があります。実際には、最低評価の材料が最終製品の最大温度を決定します。異なる材料を比較する際にも考慮すべき他の項目には、次のようなものが含まれます：

• レジン式
• 難燃性
• 熱安定性
• 構造強度
• 電気特性
• 曲げ強度
• 最大連続安全使用温度
• ガラス転移温度（Tg）
• 補強シート材料
• 非標準サイズと公差
• 加工性または打ち抜き性
• 熱膨張係数（CTE）
• 寸法安定性
• 全体の厚み公差

以下のセクションでは、PCB設計を構成する主要なコンポーネントのさまざまな材料特性について、電気特性、FR-4、銅を含む詳細にわたって説明します。

材料特性の詳細

電気特性

電気要件において最も重要な特性は、電気強度、誘電率、および耐湿性です。より一般的な材料とそれらの関連する特性値のリストについては、図3を参照してください。電気特性に関するより具体的なデータについては、製造業者に相談してください。

図3 - 一般的な誘電体材料の典型的な特性 [2-2]

FR-4のデフォルト値

以下の図4に示されているFR-4のデフォルト値は、特定の材料要件を決定するための基準として使用できます。これらの値は、次のセクションで示されるように、指定されたベース材料と厚さに応じて変化します。

図4 - デフォルトのFR-4材料値[2-3]

FR-4ベース材料と厚さ

以下の図5に示されている値は、現在多層ボード設計に使用されている最も一般的なFR-4材料をリストしており、FR-4の適切な厚さを選択するのに役立ちます。GETEK^®、Rogers^®、FR-406、FR-408などの特定のFR-4のバリエーションの厚さは似ており、この表を使用して計算することもできます。

図5 - FR-4材料の厚さ参照[2-4]

FR-4プリプレグ指定と厚さ

プリプレグ（Pre-impregnated）は、樹脂で硬化され中間段階まで硬化されたシート材料（例：ガラス繊維）です。ほとんどのPCBメーカーは、106、1080、2113、2116、7628の5種類のプリプレグを取り扱っています。各プリプレグタイプの具体的な厚さ仕様については、図6を参照してください。

注意：ボード層の間に配置できるプレプレグシートの種類と数には制限があります。特定のボードレイアウトのニーズを満たすために、正しいプレプレグの指定と厚さを決定するには、製造業者に相談してください。

図6 - FR-4 プレプレグの指定と厚さ[2-4]

銅箔の種類

製造業者は通常、選択するために様々な種類の箔を提供しますが、最も一般的なのは電解銅（ED Copper）と圧延銅です。リジッドボードは通常、電解銅箔を使用し、リジッドフレックスボードは圧延銅箔を使用します。どの銅箔タイプを選択しても、すべて標準のIPC-MF-150要件を満たします[2-5]。ニッケルやアルミニウムなどの代替箔タイプを選択する場合は、誤解や製造上の問題を避けるために、マスター図面に特性を明記してください。

銅の抵抗値

ボードが密度が高く複雑になるにつれて、銅の分布抵抗を計算することがますます重要になります。以下の式[2-6]を使用して、銅トレースの抵抗率を簡単に計算できます：

R = ρ*L/A

ここで：

Rはオームでの端から端までのトラック抵抗です

ρはトラック材料の抵抗率で、単位はオーム・メートルです

L はトラックの長さで、単位はメートルです

A はトラックの断面積で、単位は平方メートルです

手動で計算を行う必要なく、銅の抵抗率をすばやく計算するために以下の無料ツールのいずれかを使用することもできます：

• 回路計算機[2-7]
• EEWeb トレース抵抗計算機[2-8] 
• Endmemo 抵抗計算機[2-9] 

銅の許容電流容量

図7は、一般的な銅の厚さと周囲温度より上の温度レベルにおける内層の許容電流容量を理解するための参照として使用できます。外層の許容電流容量は内層の約2倍です。線幅と間隔要件に関するより詳細なデータについては、IPC2221[2-10]を参照してください。

図7 - エンカプセル化された導体幅[2-10]

完成したボードの厚さ

最終的な材料選択プロセスの一環として、完成したボードの厚さを計算したいと思うでしょう。この測定は銅から銅まで行われ、最大の完成したボードの厚さを表します。ボードの厚さ計算について念頭に置くべきいくつかの特定の点があります：

• 基板の厚さは、製造業者が加工機械を設定する方法を決定します。
• 基板の厚さは、製造中の基板の制限に影響を与えます。これにはアスペクト比も含まれます。
• 製造業者は通常、はんだマスクを含む0.0008インチから0.240インチまでの積層厚を提供します。
• 0.05インチ未満の厚さの基板は、通常、特別な取り扱いと加工が必要となり、それによってコストが高くなり、加工時間が長くなることがあります。

材料選択の最終決定

これで、次に製造準備が整ったPCB設計のための基本的な材料選択を最終決定するために必要な知識を得ました。要約すると、設計プロセスを始める前に必要となる基材と必要な特性値は以下の通りです：

 

これらの値を手に入れたら、製造コストと製造業者による加工要件の両方に直接影響を与える最大基板厚を計算することができます。次のセクションでは、製造におけるPCBレイアウト戦略、ビア/穴の配置、はんだマスク層、シルクスクリーンの文書化などについて説明します。

PCBレイアウトの戦略化

はじめに

材料選択が最終的に決まったら、次はPCBレイアウトの具体的な詳細に深く潜り込む時です。個々のエンジニアリングワークフローは設計者によって異なるかもしれませんが、基板を製造に100%準備完了と考えるためには、正確なDFM要件を必要とするいくつかの主要な設計上の考慮事項があります。以下のセクションでは、SMTおよびスルーホール仕様、シルクスクリーン文書、はんだマスク適用など、PCBレイアウトを戦略的に進める具体的な方法について学びます。

スルーホールとSMTの選択

PCBを設計する際、通常は表面実装技術（SMT）またはスルーホールをコンポーネントアプリケーションに選択します。もし両方の製造方法を使用する場合、その基板はハイブリッドPCBとみなされます。PCB設計の現在の業界トレンドに基づくと、ほとんどのコンポーネントは表面実装デバイス（SMD）であることが推奨されます。この技術は1990年代以降PCB設計市場を支配しており、より高い基板密度をより低いコストで実現するなど多くの利点を含んでいます。SMTとスルーホールの選択をする際には、以下の点を念頭に置いてください：

• プレートスルーホールデバイス（PTH）を備えたPCBはウェーブはんだ付けされ、表面実装デバイス（SMD）を備えたPCBはウェーブはんだ付けまたはリフローはんだ付けが可能です。
• これら二つの技術を混在させると、ボードの製造に別々のプロセスが必要となり、全体の製造時間とコストが増加します。
• 一部のメーカーはスルーホールコンポーネントを手作業で取り付けることがあり、これも全体の製造時間とコストを増加させます。

選択するコンポーネント適用方法は、全体のコストと製造時間に直接影響を与えます。プロフェッショナルなボード設計にはSMTを採用することが推奨されます。これにより、ボードの回転が速くなり、信頼性が高まります。

シルクスクリーンとコンポーネントID

シルクスクリーン上の全てのコンポーネントのアウトラインは、参照指定子と極性指示器（該当する場合）でマークされるべきです。これらの指定子と指示器が、コンポーネントが取り付けられた後も読み取り可能であり、簡単な製品後検証のために可視性が保たれることが重要です。図8には、シルクスクリーン上での参照指定子の位置と極性マーキングがどこに配置されるべきかについての推奨ガイドラインが含まれています：

図8 - コンポーネント参照指定の配置

コンポーネント参照指定子

図9には、回路図シンボル生成のためのIPC-2612[3-1]標準に基づく業界標準のリファレンス指定子のリストが含まれています。プロジェクトの一貫性を保つために、これらの指定子をボードレイアウトで使用することを推奨します。

図9 - コンポーネントリファレンス指定子[3-1]

*クラス文字ではありませんが、保守目的でテストポイントを指定するために一般的に使用されます。

注：上記のリストは網羅的ではありません。ANSI Y32.2/IEEE Std 315 [3-2]、セクション22およびインデックスに記載されているクラス指定文字の標準リストを参照してください。

はんだマスク

はんだマスクは、PCBに最終コーティングとして適用される薄いラッカー様の層で、はんだ付けされるべきではない銅トレースやグラウンドプレーンなどのさまざまな特徴を保護します。はんだマスキングの利点には以下が含まれます：

• PCBを酸化損傷から保護します。
• 導体とランドの間の盗難やはんだブリッジ（ショート）を防ぎます。
• 裸銅の上に直接配置された場合、組み立てプロセス中の剥離を防ぎます。

はんだマスクのための基本的なクリアランス要件

はんだ付けや電気的接触が必要な場所（SMDやPTHパッド周辺、工具穴、シールド接触領域、フィデューシャルなど）では、はんだマスクのクリアランスが必要です。はんだマスクのクリアランスを指定することで、製造中にパッド上にはんだマスクが侵入することがなく、適切なクリアランス要件が指定されていない場合にはんだフィレットが小さくなったり、パッドが完全に切断されたりすることがないようにします。パッドとトレース上のはんだマスクの適切なクリアランス要件については、以下の図10を参照してください：

 

上記の例では、パッドとトレース間の最小間隔（B列）が必要なものよりも小さい場合、はんだマスクがパッドやトレース上の露出した金属に適用され、基板の機能不全を引き起こす可能性があります。

SMDパッド間のはんだマスク

SMDパッド間にはんだマスクが必要で、適用するのに十分な間隔がない場合は、次の2点を念頭に置くことが推奨されます：

• パッド間に提供される最小間隔。
• 製造業者が作成できる最小のはんだマスクサイズ。

これら2つの要件を考慮して、はんだマスクの適用のためにパッド間の間隔を広げるか、または製造業者に相談して追加の代替案を検討することが推奨されます。

ビアと穴

ビアは、すべてのPCB設計において重要な部分であり、層間で電流を伝達する役割を担っています。また、一貫したクリアランスとサイジングのガイドラインに従わない場合、製造コストに大きな負担をもたらす可能性があります。以下のセクションでは、ビアと穴のクリアランス、サイジングガイドライン、特定のビアの用途の詳細について説明します。

ビアのクリアランス要件

標準的なビアは、隣接する導体から最小限のクリアランスを保つ必要があり、クリアランスはビアがテンテッド（覆われている）か露出しているかに大きく依存します。露出ビアは、マスクされたビアと比較して、露出した電気接続を閉じるためにより大きなクリアランスを必要とすることがよくあります。

ビアサイズガイドライン

メッキされたビアホールを設計する際には、穴の直径と基板の厚さの間で1:1のアスペクト比を保つことが推奨されます。この経験則は、製造プロセス中に穴全体に適切な銅金属が形成されることを保証します。例えば、0.20インチ厚の基板では、穴の直径は少なくとも0.20インチであるべきです。しかし、ほとんどのメーカーは幅広いドリルホールサイズを選択肢として持っており、この一般的な推奨外の要件も通常は満たします。ホールサイズを選ぶ際に覚えておくべき一つのことは、メッキされた貫通穴はメッキのために狭くなるということです。図11は、典型的な標準ドリルサイズを示しています：

図11 - ビアと穴のための標準ドリルサイズ

環状リング

環状リングとは、パッドの直径と対応するドリルの直径の差のことです。言い換えると、ビアを囲むパッド上の領域です。図12は、環状リングの幅を簡単に計算する方法を示しています：

環状リングの幅 = (パッドの直径 - 穴の直径) / 2

図12 - 推奨される環状リングの幅

製造中にドリル穴が正確に中心にならない多くの条件があります。仕上がり製品のパッドに「接触」を含めても良い場合は、最小の年間リング幅に関する製造業者のガイドラインを確認することをお勧めします。

完成品で0.001インチの最小環状リングを確保するために、設計上の全てのパッドは、穴を開けた後のサイズよりも0.0008インチ（2 x 0.0004インチ）大きくする必要があります。これにより、穴がパッドの端に接することを保証します。設計のスルーホールをめっきしない場合、環状リングが小さくなり、はんだ付け時にリングが持ち上がったり、通常のボード操作中に切れたりする可能性があります。これは、めっきされたバレルからのサポートがないために発生します。

図13 - 穴の開けられためっきされた穴の直径

露出ビア

露出ビアは、はんだマスクで覆われていない露出した電気接続です。露出ビアから隣接していない他のビアやランドへのクリアランスは、最小で0.15インチ、好ましくは0.20インチであるべきです。

テンテッドビア

ビアのテンティングは、ビアホールとアニュラーリングをはんだマスクで覆うことであり、設計ワークフローでのデフォルトの方法として設定されるべきです。製造業者がビアの開口部が閉じたままであることを保証するために追加の手順を踏むことは通常ありません。ビアが閉じて覆われていることを確実にしたい場合は、製造図面にこれらのビアをマスクプラグする、またはマスク充填とも呼ばれることを指定するべきです。これは、BGAのSMDパッドに近い場所にビアがあるBGA設計では特に重要です。

推奨されるビアテンティングアプリケーションの例については、図14を参照してください：

図14 - BGA上の推奨ビアテンティングアプリケーション

ビア・イン・パッドとマイクロビア

ビア・イン・パッドは、バイパスコンデンサの近接配置を可能にし、任意のボールピッチBGAのルーティングを容易にし、熱管理とグラウンディングにも役立ちます。設計がビア・イン・パッドを必要とする場合は、以下のガイドラインに従ってください：

• ビア・イン・パッドは銅でキャップされるべきです。さらに、ビアの反対側は、インサーキットテスト（ICT）ポイントとして使用される場合は銅でキャップされるか、またはビア内にめっき化学薬品が閉じ込められないようにマスクされるべきです。
• ビア・イン・パッドがキャップされていない場合、意図したジョイントからのはんだの再分配（はんだウィッキング）や、意図したジョイントでのはんだ不足や空洞（はんだスカベンジング）に対処するための追加の組み立てコストが発生する可能性があります。

ブラインドビアとバリードビア

スルーホールと同様に、ブラインドビアおよび/またはバリードビア（BBV）は、1つ以上の層を接続する穴です。このプロセスでは、ブラインドビアは外層を1つ以上の内層に接続しますが、両方の外層には接続しません。バリードビアは1つ以上の内層を接続しますが、外層には接続しません。これは、このタイプのビアがより密度の高いボードを可能にし、コンポーネント層にスペースを必要とせずにボードの不動産を節約できるため重要です。ブラインドビアとバリードビアの適用例については、図15を参照してください：

図15 - ブラインドビアとバリードビア

ブラインドビアを使用する際に特に注意すべき詳細の1つは、ドリルの深さ（外層から内部層まで）です。例えば、0.062インチ厚のボードで8層ある場合、ブラインドビア穴の最大深さは0.018インチを超えてはなりません（0.035インチのビアで0.018インチの穴の場合）。

一般的なガイドラインとして、内層のビアパッドはドリルサイズよりも約0.016インチ大きくすることが推奨されます。これにより、製造業者の良好な収率が得られます。銅の重量、最小ドリルサイズ、最大アスペクト比要件に関するBBV設計の制約をさらに理解するために、製造業者に相談することをお勧めします。

BGA下のビア

リフロー処理により、チップコンポーネントが移動または傾くことがあり、チップコンポーネントの一方の側が近くの露出したビアにショートすることがあります。このため、設計ルールではBGAビアをデフォルトでテンティングすることが推奨されます。露出したキープアウトエリアの推奨クリアランス間隔については、以下のガイドラインを使用してください：

• SMDパッドに隣接するビアの場合、最小限コンポーネント終端幅の50％である必要があります。
• SMDパッドの端にあるビアの場合、最小限0.15インチ（できれば0.20インチ）である必要があります。

図16は、チップコンポーネントの近くに配置されたビアの良い設計実践の例をいくつか示しています：

 

図16 - チップコンポーネント近くのビア配置ガイドライン

ティアドロップパッド

ティアドロップパッドを追加する目的は、トレースがパッドに接続する部分での機械的および熱的ストレスを軽減し、追加の銅/金属サポートを提供することにより、良好な接続が確立され維持されるようにすることです。これは、注文が穿孔されてミスレジストレーションが発生した場合に、PCB製造業者の許容範囲を増加させるのにも役立ちます。

ティアドロップ処理には、既存のパッドとトレース出口の接合部に銅を追加することが含まれます。これらは主にスルーホールドリルに追加することが重要であり、小さなトレース対パッド比を持つ場合には特にそうです。また、パッド（ソリッドまたはビアパッド）からの回路走行にも追加するべきであり、トレースが狭くなるにつれてこの実践はより重要になります。トレースが0.20インチより大きい場合、ティアドロップは通常必要ありません。ルールとして、設計がRFまたは高周波デバイスでない場合、設計の最終段階でティアドロップを追加してください。図17は、さまざまなティアドロップの例と、推奨される間隔および形状要件を示しています：

図17 - 推奨されるティアドロップ形状

アスペクト比メッキ

アスペクト比は、ボードの厚さと（メッキ前の）穴のサイズの比率です[3-4]。この比率は、製造業者が彼らのドリル装置の機械的能力を超えないようにするための指針となります。

図18 - PCBのアスペクト比の決定

例えば、0.065インチの厚さを持ち、0.020インチの穴サイズを持つPCBは、アスペクト比が3:1になります。この比率は、メッキプロセスに関連しているため重要です。ボードの厚さに対して穴のサイズが小さすぎる（アスペクト比が高い）場合、メッキ液が穴を通過する際に受け入れられる銅メッキが得られない可能性があります。

図19 - 特定のボード厚さに対するアスペクト比マトリックス[3-5]

ビアの間隔、配置、およびルーティングガイドライン

ビアのサイズとタイプを確定したら、次はボードレイアウト上での配置とルーティングを開始する時です。以下に、特にスルーホールコンポーネントやSIPタイプのパッケージを利用するボードレイアウトにおいて、念頭に置くべきいくつかの配置ガイドラインを示します。

スルーホール部品用ビア配置の推奨事項

設計にスルーホール部品が含まれる場合、ビアがその部品に対して半田が流れ上がり、損傷を与える可能性があるため、これらのデバイスからビアを遠ざけることが推奨されます。また、SIPパッケージから約0.100インチ離してビアを配置することも推奨されます。これらのパッケージは誤って挿入される可能性があるためです。

一般的なビア配置の推奨事項

半田がビアを通って流れ上がる可能性があるため、チップ部品の下にビアを配置することは推奨されません。これは、損傷を受けたり、ショートしたり、部品が浮いたりする可能性があるためです。また、チップ部品を基板に接着またはエポキシで固定する必要がある場合もあり、その部品の下や近くにビアがあると、そのエリアに干渉する可能性があります（例については図20を参照してください）。

図20 - ウェーブはんだ付けのためのビアクリアランスガイドライン

ビアのエッジを部品のパッドエッジに接続する場合、0.010インチ未満のクリアランスは推奨されません。ただし、基板が密集している場合は、それらをはんだマスクで覆う必要があります。密集した基板に必要な最小クリアランスについては、製造業者に相談することを推奨します。ビアを部品のパッドに接続する推奨される方法の例については、図21を参照してください：

図21a - パッドコンポーネントへのビアの推奨接続（良い設計）

図21b - パッドコンポーネントへのビアの推奨されない接続（悪い設計）

コンポーネントパッドにビアを接続しない場合、最小0.025インチのクリアランス間隔が推奨され、ビアがボードのはんだ面にある場合は、このクリアランスを0.040インチに増やすことが推奨されます。

図22を参照し、波はんだ付けの方向に注意してください：

図22 - 波はんだ付けのためのビアコンポーネント間隔

ビア要件の最終決定

ビアはすべての電子設計において重要な要素であり、クリアランス、サイズ、タイプ、およびルーティング方法をボード全体で一貫して保つことは、製造可能でコスト効率の良いボードを設計する上で非常に重要です。次のセクションでは、設計プロセス中に把握しておくべき追加のボードレイアウト戦略とその他のオプションに焦点を当てます。

コンポーネントランドへのトレースルーティング

発熱する可能性があるコンポーネントの終端が大きなトレースに接続されている場合、発生する熱伝達は悪いはんだ接合を引き起こす可能性があります。これは、はんだマスクがない接続では、はんだがコンポーネントの終端から離れて移動することで、オープンはんだ接合を引き起こす可能性さえあります。

この問題を解決するために、トレースのネッキングは熱バランスを助け、はんだや熱がパッドから流れ出るのを防ぐことができます。

トレースのネッキング

トレースをネッキングする一般的なガイドラインは、パッドに接続する部分を0.010インチ以下の幅に保ち、大きなトレースに接続する前に少なくとも0.010インチ走らせることです。広いトレースをコンポーネントのランドに接続する必要がある場合、それらは同じ幅を持ちつつ、可能な限り寸法を小さく保つべきです。図23はこのプロセスの例を示しています：

図23a - コンポーネントランドに大きなトレースを接続する（良い設計）

図23b - コンポーネントランドに大きなトレースを接続する（良い設計）

コンポーネントランドに大きなグラウンドトレースを接続する

大きなグラウンドトレースをコンポーネントのランドに接続する必要がある場合、トレースを細くしてバランスを良くし、はんだが大きな導体エリアに移動するのを防ぐための熱伝達を防ぐべきです。また、複数のトレースを使用して、ランドパターンを大きなトレースやグラウンドプレーンに接続することもできます。パッドから大きなプレーンやトレースへのトレース幅（細くする場合）は最大で0.010インチ、パッドからの最小長さは0.010インチと推奨されています。これらの間隔の推奨事項の例については、図24を参照してください：

図24a - コンポーネントランドを大きな導体に接続する（良い設計）

図24b - コンポーネントランドを大きな導体に接続する（悪い設計）

密接に配置されたコンポーネントのパッドを接続する

密接に配置されたチップコンポーネントのパッドを接続する場合、パッド間やパッド上を直接トレースするのではなく、トレースを外側に出してからパッドに戻すルーティングが推奨されます。これにより、誤って再作業されるショートを防ぎ、熱バランスの悪さによるトゥームストーニングを防ぎ、冷たいはんだ接合部やコンポーネントのシフトを避けることができます。コンポーネントにパッドを適切に接続する方法の例については、図25を参照してください：

図25a - 密接に配置されたコンポーネントのパッドを接続する（良い設計）

図25b - 密接したコンポーネントのパッド接続（不良設計）

図25c - 密接したコンポーネントのパッド接続（不良設計）

パッドをトレースに接続する

各パッドは独自のトレースに接続されるべきであり、パッドの端の外側または内側からルーティングを行い、ルーティングを対称的に保つことが推奨されます。これは、はんだマスクがない領域では特に重要であり、はんだがパッドから離れるのを防ぎ、コンポーネントのシフトを停止させるのに役立ちます。一般に、ほとんどの製造業者は、コンポーネントのパッドを接続する銅の量がバランス良くあることを望んでいます。トレースのルーティング例とチップパッドへのトレースの接続方法については、図26を参照してください。

推奨されるルーティング：（矢印ははんだの移動を示す）

 

許容されるルーティング：

 

非推奨のルーティング：（矢印ははんだの移動を示す）

図26 - はんだマスクを使用したコンポーネントランドへのトレース接続

リード付きSMDコンポーネントをルーティングする場合、ランドの間を直接通過する「H」形状を形成するのではなく、トレースを上にしてから戻し、「U」形状を形成することが推奨されます。この「U」形状の配置の例については、図27を参照してください：

図27 - リード付きSMDコンポーネントのルーティング用「U」構成

平面とトレース

電源層とグラウンド層は常に内部層に配置し、対称的で中央に配置することをお勧めします。これにより、基板の曲がりを防ぎ、正確な位置決めとコンポーネントの配置に役立ちます。ほとんどの組立メーカーは、0.06インチの基板厚さに対して、ダブルレイヤーPCBまたはマルチレイヤーPCBで0.7％-0.75％のボウとツイストを許容します。

トレースに関しても同様の推奨事項が適用されます。X軸とY軸の両方で可能な限り均等に配置し、全層で多方向に配置することが望ましいです。これにより、基板の歪みを防ぐのに役立ちます。

めっきオプション

スルーホール（PTH）ボードの場合、電気銅を使用して穴の経路を導電性にし、設計者が通常指定する厚さ0.001インチまで銅金属をさらに積み上げることができます。無電解銅プロセスは、元の銅箔（0.5オンスまたは1オンス）に加えて、外部ラインに平均0.0013インチの銅を追加します。

図28は、ボード上のすべての露出した回路に対する最も一般的な仕上げタイプをまとめたものです。

熱リリーフ

ボード上のコンポーネントを接続する際に、材料の劣化を減らし、表面の一貫性を向上させる仕上げを選択するために、製造業者に相談することをお勧めします。ウェーブはんだ付け、SMT処理、および手はんだ付けにおいて、熱リリーフは重要です。これは、銅がほとんどの熱をはんだ付けエリアから引き出すヒートシンクに変わる可能性があるため、高銅含有量のアセンブリや多層ボードではさらに重要になります。これにより、プロセス温度を維持することが難しくなり、熱リリーフの存在により、メッキスルーホールを通じて熱が沈下する速度を遅らせることで、スルーホールコンポーネントを簡単にはんだ付けできます。熱リリーフがないと、穴の充填不良や冷たいはんだ接合部が発生し、リワーク能力にも影響を与える可能性があります。ボードに熱リリーフを追加することの利点には、次のようなものがあります：

• 穴サイズをよりよく制御する。
• メッキの厚さの一貫性が向上する。
• はんだ接合部の検査がより迅速かつ容易になる。

一般的なルールとして、グラウンドまたは電源プレーンに接続されている任意のビアや穴には、熱リリーフパターンを使用することが推奨されます。また、プレスフィットコンポーネントの穴に熱リリーフを使用しないこと、および計算に熱電流容量を考慮することも推奨されます。ボードレイアウト上の典型的な熱リリーフパターンの例については、図29を参照してください：

図29 - 典型的な熱リリーフパターン

基礎を築く

この章では、設計プロセスの基礎を築き、基板レイアウトの基本戦略を立てることができるようになりました。これには、コンポーネントにスルーホールまたはSMTを使用するか、シルクスクリーンを明確に文書化すること、はんだマスクの重要性を理解すること、そして最終的にはビアのサイズ指定と配置を指定することが含まれます。これで、PCBを成功裏に製造するために、基板レイアウト上でのコンポーネントの配置と向きに関する具体的なガイドラインに深く潜り込む準備が整いました。

コンポーネントの配置と向き

はじめに

好みのコンポーネントタイプを確立した今、基板上でこれらの部品を効率的に配置し、向きを決定する時が来ました。このプロセスは、基板レイアウト上で利用可能なスペースをどのように活用するかに大きな影響を与え、設計プロセスで最も難しいステップの一つになることがあります。以下に、コンポーネントの配置を最適化して、製造可能でありながら特定の設計要件を満たす方法についての具体的な推奨事項を示します。

一般的なコンポーネント配置と間隔のガイドライン

コンポーネントの配置と向きの具体的な内容に入る前に、心に留めておくべきいくつかの一般的なガイドラインがあります：

• 効率的なはんだ付けと配置のために、類似のコンポーネントは同じ方向に向けることを推奨します。
• はんだ面に、スルーホールを持つ部品の裏側に配置される部品を避けてください。
• 基板の組み立てに必要な工程数を最小限に抑えるために、すべてのSMD部品を基板の同じ側に配置し、スルーホール部品（混在している場合）を基板の表側に配置するようにしてください。
• スルーホール部品を上側に、SMT部品を両側に配置する混在技術の部品がある場合、製造業者は下側の部品をエポキシで固定する追加工程を要求することがあり、これが全体の製造コストを増加させる可能性があります。
• すべてのランドを1つのトレースで終端し、パッドをはんだマスクで定義してください。

上記のガイドラインに従うだけで、基板レイアウトの効率的な利用において典型的なPCBデザイナーよりも大きく先を行くことができ、また、基板が遅延なく製造されることを保証することができます。次のセクションでは、特定の部品の配置、方向、終端の推奨事項について詳しく説明します。

特定の部品配置と基板の方向性に関するガイドライン

部品間に適切な間隔を確保することは、適切なはんだ付け、リワークの実施、基板のテスト、そしてスムーズな組み立てプロセスにとって重要です。部品の配置が狭すぎると、ピックアンドプレースマシンが適切に機能しないため、手動での配置が必要になる可能性があります。

時には、基板の裏側にチップ部品を散らばせることを避けることができません。シャドーイングやはんだ付けされていない端子を避けるために、各部品間に0.100インチの間隔を設けることが推奨されています。下記の図30に示されています：

図30 - シャドーイングとはんだ付けされていない端子を避けるための部品間隔

部品間の間隔は、部品の高さの1倍（または最小でもその高さの半分）にすることが推奨されます。図31aおよびbは、最も一般的なパッケージタイプのいくつかに対する推奨される最小部品間隔を示しています。部品間隔の詳細については、IPC-7351[4-1]を参照してください。

図31a - SMT密度に基づくSMD部品間の推奨最小間隔

部品間の間隔

図31b - タイプに基づく部品間隔の標準クリアランス要件[4-2]

注：ソケット（PLCCおよびDIP用）およびコネクタは、追加カードやIC部品の2回目の装着/取り外し時に発生する可能性のあるストレスによるはんだ接合部の亀裂を防ぐため、BGAおよびCSP部品から離して配置する必要があります。

（*）プライマリ側のみに適用。セカンダリ側では、選択的波はんだ付けフィクスチャが必要なDIPピンからすべてのSMT部品に対して0.125インチのクリアランスが必要です。プレスフィットコネクタは例外で、セカンダリ側ではこのクリアランスは必要ありません。

（**） 必要に応じての高度なオプション：

0402コンポーネントは20ミル離れて配置できます。

0603コンポーネントは25ミル離れて配置できます。

これらの数字はViasystemsにのみ適用され、彼らの側で特別な設定が必要です。

基板を製造する前に、Viasystemsに通知する必要があります。

コンポーネントと基板の向き

コンポーネントを慎重に向ける時間をかけることは、基板の製造可能性と組み立てプロセスの信頼性に直接影響するため重要です。いくつかの変数が、製造業者の組み立て装置を通じて基板がどのように配置され、はんだ付けされるかを決定します。これには、工具穴、コネクタの位置、エッジコンポーネント、およびPCBのアウトラインが含まれます。図32を参照して、コンポーネントの配置が不十分な基板レイアウトと適切な間隔を持つものとの比較を見てください。

図32a - 大型コンポーネントのクラスタリングには高温リフローが必要（チップを損傷する可能性あり）

この基板は、高温でリフロー処理を行う必要があり、チップコンポーネントに損傷を与える可能性があります。これは、基板の特定のエリアに大型コンポーネントが配置されているためです。

図32b - 熱分布を良くするために大型コンポーネントを分散配置

熱分布を良くするためには、基板全体に大型コンポーネントを分散させるのが最善です。

図33：熱バランスが悪いためにコンポーネントパッドから終端が引き離される（トゥームストーニング） 

ボードが高さが0.20インチを超える大きなコンポーネントで構成されている場合、コンポーネント間の間隔を最大のコンポーネントパッケージの高さと同じにすることをお勧めします。この戦略は、視覚検査のための十分なスペースを提供し、修理を容易にします。

リフロー中にボードの熱バランスをより良くするためには、コンポーネントをボード全体にできるだけ均等に分布させるべきです。これにより、ボード上のどのエリアも他のエリアよりも著しく熱くなることがないようにします。また、ボードの一箇所に大きなコンポーネントを集中させることを避けることで、ボードの反りやねじれを最小限に抑えつつ、バランスの取れた熱分布を提供することが推奨されます。

波付けはんだ付けのためのボードの向き

製造業者は通常、はんだ付け機を通過する際にボードが長軸に沿っていることを好みます。これにより、設定の複雑さが最小限に抑えられ、はんだ付け中にボードが下方に膨らむのを防ぎます。図34は、カードエッジコネクタによって指示された好ましくないボードの向きの例を示しており、これを好ましい長軸に回転させると、グリッピングアセンブリに干渉する可能性があります。

図34 - 好ましくないボードからはんだへの向き

コンポーネントの向き

PCB上のコンポーネントの地理的位置は、適切なボードの製造性にとって重要です。コンポーネントをボードのアウトラインおよびPCBの長軸に沿ったはんだ付けプロセスに対して相対的に配置することを推奨します。ここで、小型アウトラインIC（SOIC）は、図35aおよびbに示されるように、はんだ流れの方向に平行に設定されます。

図35a：この向きのボード（上部＆下部）は長軸ではんだ付けされます（推奨される向き）

図35b：ウェーブはんだ付けのための下側コンポーネントの向き（非推奨）

チップコンポーネントの場合、両端部ははんだ波に平行であるべきで、同時にはんだ付けができるようにします。チップコンポーネントを互いに垂直に配置することによるシャドーイングを避けてください。これは、通常はんだ接合部にストレスを与える不均一なはんだフィレット（およびスキップ）を避けるのにも役立ちます。図36は、正しいチップコンポーネントの向きの視覚的な例を示しています。

図36a：良いチップコンポーネントの向き

図36b：悪いチップコンポーネントの向き

ボード上の小さな部品がはんだ波から影を受けるほど、PCBが開いたはんだ接合部で終わる可能性が高くなります。大きな部品が図37下に示すように、小さなチップ部品の影を作らないように、ボードのはんだ付け方向を適切に配置してください。

図37a: 良い部品配置

図37b: 悪い部品配置（影ができている）

BGAの向き

二回目のリフロー中に開いたはんだ接続の可能性を排除するため、BGAをボードの上部に配置することを推奨します。ボードの両面にBGA部品がある場合、製造業者は組み立てプロセスに追加のステップを要求するかもしれません。

これらの追加ステップは、二回目のリフロープロセス中にBGAの反対側に一時的なサポートを確保することを保証します。

BGAおよび大きなクアッドフラットパッケージ（QFP）部品をPCBの中央に配置しないでください。これは、重い部品によってボードの反りが引き起こされるのを防ぐためです。このガイドラインに従わないと、図38に示すように開いたはんだ接続が発生し、ボード面積が25平方インチを超える標準0.062インチボードでは問題となります。

図38 - BGAデバイスにおけるボウアンドツイスト効果の例

ボードの両面にBGAコンポーネントがある場合、図39に示すように、各BGAをオフセットすることで、作業のやり直しを容易にし、はんだボールの検査を容易にすることが推奨されます。

図39 - BGA取り付け戦略

デバイス下のチップ配置

デバイスの下にチップを指定すると、検査、作業のやり直し、テストがより困難になる可能性があります。BGAソケットやZIFソケットの下に配置する場合、BGAボールの収縮を考慮する必要があります。これは通常、ボール直径の約25%です。このタイプの設計では、スタックアップの許容差を念頭に置くことが推奨されます。これは、隠れたデバイスを検査することが不可能になり、作業のやり直しを行うことが困難になるためです。

抵抗パック（R-Pack）配置の制限

凸型端子と外部はんだ接合部を持つ抵抗パックは、PCBメーカーによって好まれます。これらのタイプの抵抗パックは、より良い間隔と簡単な端子のはんだ付けを持ち、はんだ接合部の視覚的なチェックと検査を容易にします。

キャパシタ配置

設計を一貫させ、組み立てプロセスを支援するために、偏極性のあるコンデンサは、正の端子が右または下を向くように配置することをお勧めします。以前に見たように、極性はパッケージのアウトライン上のシルクスクリーンに表示されるべきです。デカップリングコンデンサは、ICの電源ピンにできるだけ近づけて配置し、SOICコンポーネントやはんだ流れに対して垂直に向けるべきです。

両面ボード

はんだ方向に対して垂直および平行なパッド間（ランド・トゥ・ランド）の間隔は、はんだブリッジを避けるために少なくとも0.025インチであるべきです。また、スルーホールパッドやビアの端から表面実装パッドや別のビアまで、最小0.025インチの間隔を保つことも推奨されます。

コンポーネントとウェーブはんだ付け

アセンブリのウェーブはんだ側に使用されるすべてのコンポーネントは、はんだ浴槽に浸すことが製造業者によって最初に承認されるべきです。タンタルコンデンサーのような高いコンポーネント（0.0100インチより高い）の場合、ウェーブはんだ操作中のスキップや開放接続を避けるために、少なくとも0.100インチのランド・トゥ・ランドクリアランス（全方向から）を持つことが推奨されます。

一部のコンポーネントは、高温での波付けはんだ付けに敏感であり、はんだ波がコンポーネントに接触する基板の裏側（ボトムレイヤー）に配置することは推奨されません。裏側（ボトムレイヤー）に配置することが推奨されないコンポーネントには、次のものが含まれます：

• BGAコンポーネント。
• 非封入インダクタ。
• QFPコンポーネント。
• 「J」リードデバイス。
• コネクタ。
• はんだに浸すことができないその他のデバイス。

スルーホールコンポーネント

PTHの必要な完成サイズを決定する際には、PTHが大きすぎるとコンポーネントが所定の位置に留まらず、波付けはんだ付け中にはんだが溢れて「リフト」の可能性が高まり、ショートを引き起こす可能性があることを念頭に置いてください。PTHが小さすぎると、コンポーネントがPTHに収まらず、はんだの充填が不十分になる可能性があります。スルーホールコンポーネントを誤って配置することは容易なので、双方向よりも方向性のあるパッケージが好まれます。図40は、PTHの完成サイズを決定するための一般的なガイドラインを示しています：

図40 - スルーホールコンポーネントのピン・ホール推奨事項[4-3]

この章で提示された情報をもとに、基本的な製造要件を満たすための部品配置と向きのプロセスを始める準備が整いました。部品配置プロセスを開始する前に、上記のセクションで概説されていない特定の配置要件について製造業者と相談することをお勧めします。設計が完成に近づいてきた今、次の章でテストポイント要件を設定することにより、ボードレイアウトプロセスを最終化する時が来ました。

テストポイント要件の設定

設計プロセス中にボードレイアウト上で適切なテストポイントを定義することは、製造業者によるPCBのテストと検証を受けるために重要です。設定するテストポイントは、PCBの信頼性を最終的に決定し、製造施設を離れる前に潜在的な問題を特定して診断することを製造業者に可能にします。この章では、PCBの一般的なテスト要件をカバーし、その後、テストパッドの配置とパネル化の詳細について説明します。

一般的なテストポイント要件

テストポイントとパッド要件の詳細に入る前に、念頭に置くべきいくつかの一般的なガイドラインがあります：

• ボード上の各ノードは、少なくとも1つのテストプローブポイント（できれば2つ）を持つべきです。これには、そのノードに接続するコンポーネントピンも含まれます。
• コンポーネントのリードをテストポイントとして使用することはお勧めできません。この方法では、欠けたり割れたりしたはんだ接合部が発生する可能性があります。
• テストポイントをボードの一箇所に集中させるのではなく、ボード全体に分散させることをお勧めします。これにより、パッケージ化されたボードの真空シールプロセス中に空気漏れを避けることができます。

テストパッド

テストパッドは、ビア/パッド、コンポーネントパッド（PTH）、または独自の参照指定子を持つ指定されたテストポイント（TP）のいずれかにすることができます。

スルーホールテストビアの例については、図41を参照してください。

図41 - スルーホールテストビア

テストプローブには、製造プロセス中に適切なテスト結果を確保するために、以下のテストパッド直径を使用してください：

• 標準の0.100インチ、0.070インチ、または0.050インチのテストプローブの場合、テストパッドの直径は0.015インチから0.040インチの間であり、信頼性の高いプローブ接触のために十分なはんだ表面を持っている必要があります。
• 設計が0.030インチから0.015インチのプローブ（例えば、ファインピッチデバイス）の使用を要求する場合、テストパッドは周囲に十分な間隔（少なくとも0.050インチ）を持つべきです。
• 0.030インチから0.015インチのプローブは、より壊れやすく、より高価で、信頼性が低く、使用は最小限に抑えるべきです。
• 大きなボード（一辺が12インチ以上）の場合、テストパッドのサイズは最小でも0.040インチに保つべきです。
• 一般に、テストプローブパッドは、ボードの端から少なくとも0.125インチ離れた場所に配置すべきです。

テストパッドの間隔と工具要件

テストパッド間（中心から中心）の間隔は0.100インチに保つべきです。これにより、設定コストが低く、より信頼性の高い読み取りを提供する大きなプローブの使用が可能になります。

テストパッド間の間隔が狭いほど、製造業者がより小さく、より高価で、信頼性の低いプローブを使用する可能性が高くなります。図42に示されています。

図42 - テストパッドの間隔

SMTボード用テストパッド

SMTボード上のコンポーネントが0.35インチ（またはそれ以上）の高さの場合、プローブが難しくなるため、テストパッドとこれらのコンポーネントの端との間には0.100インチのクリアランスを確保することが推奨されます。これにより、パッドとコンポーネントの間隔が必要最小限度を下回る場合に、プローブプレートに切り欠きやリリーフを必要とすることがなくなります。図43に示されています。

図43 - .200インチ以上の高さのコンポーネントに対するテストパッドとコンポーネントの間隔

0.35インチ未満の高さのコンポーネントの場合、テストパッドはコンポーネントの端から少なくとも0.040インチ離して配置する必要があります。

これにより、図44に示されているように、コンポーネントの配置と固定具の公差によってプローブまたはコンポーネントが損傷するのを避けることができます。

図44 - 0.200インチ未満の高さのコンポーネントに対するテストパッドとコンポーネントの間隔

テストツーリング要件

最小限、PCB上には2つのツーリング穴が必要です。これらはできるだけ離れた位置に対角線上に配置し、直径0.125インチであるべきです。ツーリング穴の周囲のフリーゾーンエリアは0.125インチの年輪半径を持つべきです。

パネル化

パネライゼーション、またはステップ・アンド・リピートとしても知られている方法は、製造、出荷、および組み立て中に基板を固定することができるように、1つのパネル上に2枚以上のPCBを配置する方法です。PCBはパネルごとに価格が設定されているため、1つのパネルにどれだけ多くのPCBを製造できるかによってコストが直接影響を受けます。パネライゼーションは、図45に示すように、一度に複数の基板を一括で処理することで時間を節約することもできます。

図45 - ツール穴とブレイクアウトタブを備えた単一パネル内の長方形回路

パネル上のPCBイメージは、単一の設計またはさまざまな設計のグループ化であることができます。パネルの端に沿っていくつかの場所に穴がいくつか開けられ、基板のアウトラインが完全にルーティングされずにタブを作るようになっています。パネル上にあると、基板は部品が実装される前後に簡単に取り外すことができます。

パネライゼーションが基板の製造に必要かどうかを決定するために、製造業者に相談することをお勧めします。1つのパネルにどれだけ多くのPCBを配置できるかを決定する要因には以下が含まれます：

• 個々の設計のサイズ。
• 配置された部品の総重量。
• 組み立て装置のパネルサイズ。
• はみ出る部品に必要な追加のクリアランス。

パネル内の回路数が増えるにつれて、その機械的強度は弱くなり、組み立てやリフロー中に重みでパネルが曲がる原因となることがあります。ボードが少ない小さなパネルは強度が高いかもしれませんが、PCBメーカーの標準的な製造パネルサイズを最も効率的に利用する方法ではないかもしれず、組み立てプロセス中に追加コストがかかることになります。

パネルに関する一般的なガイドライン

平均的なパネルはA4サイズの紙ほどの大きさです。標準的なパネル化のためには、以下の仕様が含まれるべきです：

• ブレークアウェイストリップは約0.400インチであるべきです。
• フィデューシャルは、カードエッジまたはパネルフレームエッジから少なくとも0.125インチ離れているべきです。
• パネルデザインは、フレームの角から0.2インチ離れた位置に0.125インチの非めっきの工具穴を持つべきです（または、メーカーのガイドラインに従ってください）。
• パネルデザイン図面には以下を含むべきです：
  • パネルの寸法の長さと幅。
  • ブレークアウェイレールの寸法。
  • フィデューシャルターゲットの寸法と位置。
  • 工具穴の寸法と位置。

工具ストリップ

PCBは組み立て装置によって固定される必要があるため、通常、基板の両側に0.200インチの部品がないエリアが必要です。部品がこれよりも近い場合は、工具ストリップが必要になり、基板の端には追加で0.400インチの廃棄エリアが必要になります。設計にPCBの端を超えて部品がある場合は、工具フレームの幅をそれに応じて広げる必要があります。必須ではありませんが、工具バーの角に0.100インチの面取りを施すと、組み立て装置が基板に合わせやすくなり、詰まりのリスクを避けるのに役立ちます。図45は、工具ストリップ、穴、フレームが含まれた標準パネルを示しています。

組み立てが完了し、個々の回路が取り除かれた後、工具ストリップは廃棄されます。設計に突出した部品が含まれておらず、端から最も近い部品が少なくとも0.100インチ離れている場合、上下の端に沿って工具ストリップが図47以下に示すように含まれます：

図47 - PCBの上下の端に沿った工具ストリップ

工具穴

ツーリングホールは、基板を加工するための機械や治具（例：ルーティング治具、はんだペーストスクリーン印刷プロセス、ドリルマシン、テスト治具など）に正確に位置合わせし配置するために必要です。最小構成では、少なくとも2つの非めっき穴が必要で、それぞれの角（互いに反対側）に1つずつ、直径0.125インチで基板の端から0.200インチ離れた位置にあるべきです。スペースが許すなら、3つ目の穴が望ましいです。これにより位置合わせの精度が向上し、基板が治具に間違った向きで配置されないようにすることができます。

オートプレースメント挿入ヘッドの制限とツーリング接触のため、穴の中心から約0.400インチのコンポーネントフリーゾーンを維持する必要があります。これらの要件は挿入機によって異なる場合があるため、最適な構成を確認するためにPCBメーカーに相談することをお勧めします。ツーリングホールの適切な配置は、図48で確認できます：

図48 - PCB上の適切なツーリングホールの配置

デパネライゼーションプロセス

以下に概説されているいくつかのデパネライゼーション方法は、ボードの形状や関連するコンポーネントの物理的制約に応じて、使用するための利点があります。特定の設計要件に基づいて、どのデパネライゼーションプロセスを使用するかが決定されます。理想的な解決策を選択するために、製造業者と相談することをお勧めします。

ブレイクアウェイタブ

組み立てプロセス中に個々のPCBを支え、組み立てが完了したらそれらを取り除くことができるように、PCBプロファイルの周囲にいくつかの小さなブレイクアウェイタブが追加されます。

より良い安定性のために、ボードの各エッジに少なくとも2つのタブが必要です。これらのタブは、図49に示されているように、20ミルから30ミルの直径の非メッキスルーホールであり、40ミルから50ミルの間隔で配置されるべきです。この方法の利点は、パネルからボードを簡単に切り離すことができる点ですが、荒いエッジが残ります。機械的エンクロージャーに厳しい公差がある場合、PCBエッジを超える材料を排除するために、穴をPCB内にオフセットすることができます。

図49 - ブレイクアウェイタブ

ブレイクアウト中には、ラミネートとタブの近くに配置されたSMTコンポーネントに一定のストレスがかかり、損傷する可能性があります。損傷を最小限に抑えるために、これらのコンポーネントを基板の端に対して90°の向きで配置することが推奨されます。一般に、コンポーネント、トラック、ビア、内層プレーンは、ブレイクアウェイホールから0.100インチ以内に配置されるべきではありません。

ソリッドブレイクアウェイ

ソリッドブレイクアウェイ方法は、ブレイクアウェイタブよりも強く、材料を少なく使用し、パネルから基板を取り外すためにニブラーを必要としません。PCBがブレイクアウトされた後、基板の端に少し不要な材料が残ることがあり、これを平らにするために一部の充填が必要になる場合があります。図50は、PCB上のソリッドブレイクアウェイの断面を示しています：

図50 - ソリッドブレイクアウトピップ

Vグルービング

Vグルービング、またはVスコアリングは、パネルから基板を取り外す別の代替方法であり、突出したコンポーネントがない基板にとって良い選択肢であることが多いです。この代替デパネライゼーション方法は実装コストが低く、量産に理想的です。Vグルービング方法の断面は図5に示されています：

図51a - Vグルーブ断面

V溝加工を使用してパネルからボードを切り離すと、折り曲げられるエリアに沿っていくらかのストレスが生じるため、SMTコンポーネントはボードの端から少なくとも0.100インチ離して配置することが推奨されます。V溝加工は、PCBメーカーによってスコアリングされた後、荒く未完成のボードエッジをもたらすことにもなります。

図51b - V溝加工パネルの必要な溝加工ラインと詳細

不規則な形状のPCB

不規則な形状のPCBを設計している場合は、組み立てプロセス中にパネル化技術を利用して、ボードの生産プロセスを効率化することが推奨されます。

これにより、図52に示すような材料の廃棄ピースが発生します：

図52 - インフィルパネルを持つ不規則なボード

ボードレイアウトの最終化

ボードに適切なテストポイントを追加することで、製造関連のエラーを製品後検証プロセス中に検出する可能性が大幅に高まります。すべての設計にはその限界と独自の物理的制約があるため、テストポイントの理想的な配置を決定するためには、製造業者に相談することが常に推奨されます。ボードのレイアウトプロセスが完全に完了した今、選択した製造業者に設計意図を明確に伝えるための、設計後の文書化プロセスに移る時が来ました。

製造のためのPCBの文書化

製造に設計を送る前に、設計意図を明確に伝えるために適切に文書化されていることを確認する必要があります。GerberやODB++のような電子ファイルは、ボードを作成するために十分な基本情報を提供しますが、あなたがボードの製造方法について頭の中で考えている細かな詳細は含まれていません。

ドキュメント作成段階は、設計意図の誤解が一般的に発生するのを避け、ボードレイアウトを正確に文書化するチャンスです。これは、設計目標が明確に伝えられていない場合によく起こります。この章では、標準的なPCBドキュメントテンプレートの作成に焦点を当て、製造業者による理解を深めるために含めたい必要な詳細すべてを概説します。次の章では、マスター図面の具体的な内容について説明します。この章および次の章は、標準のIPC-D-325A[6-1]から情報を引用しています。

図面サイズ

マスター図面を作成する最初のステップは、すべての図面を含む適切な図面エリアを選択することです。図面エリアの寸法は図面サイズとして参照され、ANSI-Y 14.1[6-1]標準サイズに準拠している必要があります。図53[6-2]に示されています。可能であれば、図面サイズは、会社のドキュメントポリシーにまだ準拠しながら、すべてのドキュメントで一貫して保持されるべきです。

図53 - PCBドキュメント用の標準図面サイズ

製造および組立のためのPCBテンプレートの主要ブロック

PCB図面に含める必要があるいくつかのブロックがあります。ブロックには、製造のための設計要件を明確に定義するのに役立つ追加の詳細と仕様が含まれており、生産遅延やエラーの可能性を避けるために、完全に詳細にする必要があります。

図54 - ブロックが強調表示された空のPCB図面

ゾーニング

ゾーニングは、図面に参照を提供するために使用され、特に複数シートの図面で特に有用です。図面をいくつかの方法でゾーニングできますが、一貫性のために1つの方法を選択し、すべての設計でそれを使用することをお勧めします。このガイドブックで提示されている方法には、次のガイドラインが含まれています（図55を参照）：

• 図面シートの水平の境界線（上部と下部）は、図面の左上部から始まる「A」でラベル付けを開始し、右に移動するにつれてアルファベット順に増加させる必要があります。
• 垂直の側面（左右）では、上部に「1」から始め、下に移動するにつれて数値を増やしながら続けます。
• すべての文字は大文字であるべきです。

図55 - ゾーニング方法の例

タイトルブロック

タイトルブロックは、製造業者に基本情報を伝えるため、PCB設計において重要な部分です。PCBプロジェクトのタイトルブロックを作成する際には、以下のような多くの異なるセクションを提供する必要があります：

• タイトル
• スケール
• 図面番号
• ケージコード
• 承認ブロック

以下の図は、タイトルブロック上のこれらのセクションを詳細に示し、含めるべき詳細情報について追加の詳細を提供します：

タイトルとサブタイトル

タイトルとサブタイトルは、PCBの簡潔で正確な説明を提供し、大文字で記述されるべきです。

図56 - タイトルとサブタイトルブロック

スケール

スケールは、実際の設計と画像の比率であり、分数形式で記述されるべきです。

図57 - スケールブロック

図面番号（DWG. NO.）

図面番号は、PCBプロジェクトのファイリングと識別に使用されます。

図58 - 図面番号ブロック

ケージコード（該当する場合）

ケージコードは、連邦政府が事業所を識別するために使用する5文字の文字列です。

図59 - ケージコードブロック

承認ブロック

承認ブロックは、設計に署名するために個人（製図者、デザイナー、チェッカーなど）が使用します。

図60 - 承認ブロック

要件は組織の確立したCAD標準によって異なる場合がありますが、上記の5つのセクションは、タイトルブロックに必要な最小限の要件と考えられています。将来のプロジェクトのために独自のタイトルブロック標準を確立するように努めるべきです。以下の図に示されているブロックには、プロジェクトの仕様に関連する可能性のあるオプションの詳細が含まれています。

アプリケーションブロック

アプリケーションブロックはオプションで、2つの部分に分かれています。最初の部分は「USED ON」セクションで、もう一方は「NEXT ASSY」セクションです。「NEXT ASSY」セクションは、エンジニアに部品が次に使用される組み立てを伝え、「USED ON」は次の組み立てを収容する主要な組み立てを指します。

図61 - アプリケーションブロック

改訂ブロック

改訂ブロックは、プロジェクトの改訂を追跡するために使用され、以下の図62で見ることができます。会社の改訂スキームに従ってくださいが、スキームがない場合は以下の提案された改訂スキームを使用してください：

• 最初のリビジョンは「A」と表示されます
• 二番目のリビジョンは「B」と表示され、以下同様です
• 文字が足りなくなった場合は、二文字目を導入します。「AA」→「AB」

図62 - リビジョンブロック

契約番号

契約番号、または購入注文番号としても知られているものは、プロジェクトをリンクし追跡するために使用されます。

図63 - 契約番号

配布キー

配布キーは、組織内の特定の部門への社内配布に使用され、タイトルブロックの直上に配置されるべきです。

図64 - 配布キー

材料ブロック

材料ブロックには、使用される材料を指定する適切な注記に対応する番号が含まれています。

図65 - 材料ブロック

リビジョン状態ブロック

リビジョン状態ブロックには情報がマスター図面の最初のページにあり、図面の各個別のシートのリビジョン状態を示します。このブロックは、PCBテンプレートの右上隅に位置するべきです。

図66 - リビジョン状態ブロック

続きシートブロック

継続シートブロックは、最初のページ以外のシートに使用されます。継続シートブロックは、図67に示されているように、ページの右下隅に配置する必要があり、以下を含む必要があります：

• 承認ブロック（必要な場合）
• ケージコード
• 図面番号
• 図面改訂（オプション）
• シート番号
• スケール
• サイズ

図67 - 継続シート

製造および組立てのためのPCBテンプレートの主要ブロック

回路図タイトルブロック

回路図タイトルブロックは、図面サイズ、日付、タイトル、改訂など、PCBの対応する情報の多くを共有しています（図67を参照）、しかし、以下に概説されているように、いくつかの違いもあります：

図68 - 回路図タイトルブロック

参照文書ブロック

参照文書ブロックは、必要なプロジェクト生産文書をリストアップします。

図68 - 参照文書ブロック

組立図番号

組立図番号は、組立図に割り当てられたユニークな番号です。組立図は、配置されたすべてのコンポーネントを含むボード構造の詳細な描写です。

製造図番号

Fab Drawing Numberは、製造図面に割り当てられた固有の番号です。製造図面は、レイヤースタックやドリル表など、基板上で構築が必要な領域を示します。

BOM Document Number

BOM Document Numberは、部品表(BOM)ドキュメントに割り当てられた固有の番号です。BOMは、完成品を生産するために設計のすべての側面を統合します。BOMについては、このガイドブックの後半でさらに詳しく説明されます。

PCB Drawing Number

PCB Drawing Numberは、PCB図面に割り当てられた固有の番号です。

プロジェクト

このブロックは、主要プロジェクトの名前または番号を入力するために使用されます。

 

ファイル名

ファイル名は、拡張子を含む保存されたファイル名を指します。

 

会社名と住所

このエリアは、あなたの会社の名前と郵送先住所のためのものです。

 

基本的な製造文書の最終化

設計に関する基本情報を製造業者やステークホルダーと共有することで、設計意図の誤解を防ぐことができます。特定のプロジェクトの要件に最適なオプションブロックを活用して、設計文書の整理を促進することを強く推奨します。整理された文書は、文書全体にわたって設計意図をつなげやすくします。文書の命名と整理について説明したところで、マスタードローイングの内容を見てみましょう。

マスタードローイングの文書化

 

製造に向けた設計（DFM）は、設計プロセスだけに関わるわけではありません。デジタル上で最初のコンポーネントを配置するところから、PCB上にピックアンドプレースマシンが物理的に最後の部品を配置するところまで、設計を完了する前後のことを意識することについてです。DFMの核心は、科学であると同時に芸術でもあり、エンジニアは自分自身の設計プロセスにおける配慮や懸念だけでなく、すべてのステークホルダーのニーズにも気を配る必要があります。設計者はPCB製造プロセスを理解し、自分のPCBにDFMの実践を成功させる責任があります。

このガイドブックでは、PCB設計のためのDFM（設計製造統合）を製造と組立の二つの観点から深く見てきました。製造の面では、設計者は処理能力によって制限され、システム内の物理的レイアウトがこれらの制約を侵さないようにしなければなりません。組立の面では、設計者は物理的レイアウトが組立プロセスの基本的な側面と干渉しないようにし、高い収率を導くようにしなければなりません。初めてのPCBを成功させるためには、より広い視野で見て、デジタル領域で生産する設計をより大きなパズルの一小片として見る必要があります。

このガイドブックの目標は、新しい設計者にPCB製造プロセス内のDFM/DFA制約に違反しないようにするために必要なツールを提供することです。以下のトピックに関して、シンプルだが重要なガイドラインを提供します：

• 製造プロセスの概要
• 製造と組立を助けるためにPCBフットプリントに含めるべき重要な要素
• ほとんどのPCBの材料選択に適用される重要な材料特性
• 製造を成功させるためのPCBレイアウト戦略のヒント
• 製造と組立図を使用してPCBを文書化する

他の重要なPCB設計のトピックについてもっと学ぶには、Altiumリソースハブのガイドブックページをご覧ください。

PDFをダウンロード