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

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。Altium DesignerやAltium Vaultなどの高度な設計レイアウトソフトウェアがあれば、設計や製造業者に関する情報を管理して作業のプロセスを改善できます。

アルティウムが設計/製造プロセスの改善をお手伝いいたします。詳細についてご関心がある場合は、こちらからPCB設計の専門家にお問い合わせください。