PCB試験101:重要な方法と評価指標

Zachariah Peterson
|  投稿日 June 17, 2021  |  更新日 November 8, 2021
PCB試験

製造業者は、品質管理とPCB試験の観点から、 PCBファブリケーションプロセスに多くの作業が行われることを知っています。デザインが大規模かつ高品質で製造可能であることを保証するために使用される多くの品質チェックがありますが、この多くは設計者が気付かないうちに背景で行われる可能性があります。基板の立ち上げやPCB機能試験などのその他の重要な試験は、一般的に試作時に設計者が担当するもので、これらの試験は大量生産時に製造作業に組み込まれます。

どのレベルの試験および検査を実行する必要があるのかにかかわらず、デザインが満たさなければならない基本的な試験の要件を決定し、これらを製造業者に伝えることが重要です。試作から大量生産への移行を初めて行う場合は、どんなことが要求されるのかを知るためにPCB試験要件のリストを読んでください。

製造中でのPCB試験

ファブリケーションおよびアセンブリ時に実施されるPCB試験手順はいくつかあります。これは、ベアPCBの品質と生産量を評価し、確実にデザインが欠陥を発見されずアセンブリを通過できるようにすることを目的としています。さらに、電気的試験は製造/アセンブリ中に実施され、デザインのネットリストと比較されます。

試作品のデザインについては、試験は製造をもって終わりにはなりません。基板を受け取ったら、設計チームはデザインを完成させる前に、基板の立ち上げ試験と機能試験をすべて行う必要があります。数千または数百万台の基板にスケールアップした後は、これらの測定の一部を自動化して、高スループットと高品質を保証する必要があります。

機械的PCB試験および検査

ベア基板のファブリケーションプロセスを検証し、ベア基板が確実に組み立てられるようにするために、製造時に実施される機械的試験および検査の最小セットがあります。

試験

検査される対象

基準

目視およびX線検査

表面層(目視)および内部層(X線)の破片、デラミネーション、またはその他の損傷を特定することが目的です。X線検査は、BGAまたはQFNパッケージに十分なはんだおよび閉接続があるかどうかを検査するためにも使用されます。

合格/不合格

剥離試験

スタックアップを組み立てて完全に硬化した後、ラミネート加工された基板を剥離するために必要な力を測定します。

合格/不合格 + 特定の値

はんだポットおよびフロート試験

めっき済みスルーホール(PTH)のはんだ付け可能性、およびビアバレルがはんだ付け中にエラー発生前に熱応力に耐えられるかどうかを判断します。

合格/不合格

自動光学検査(AOI)

はんだ不足、割れたジョイント、開いた接続(極端な場合、例えばキーホーリングやツームストーニング)など、 アセンブリの欠陥を自動的に検出するために使用します。 ディープラーニングを使って)。開発された最新AOI方法は、コールドジョイントを見つけるために使用されています。

合格/不合格

これらの試験を使用して、製造プロセスに固有の品質上の問題があるかどうか、どのような再作業ステップが求められるか、または試験の失敗につながるデザインの何らかの側面があるかどうかを判断できます。

製造時の電気的PCB試験

製造時に電気的試験を実施して、はんだ付けによる不具合、インピーダンスの偏差、または導電性残留物がないか確認します。

  • 回路内試験:検査ポイントでのオープンおよびショートの有無、および特定の電圧/電流値の測定。特定の波形を測定するために試験装置が使用される場合があります。さらに、電源オンまたは電源オフの電気的試験を特定のコンポーネントまたは試験ポイントに対して使用し、コンポーネントの故障をチェックすることができます。
  • 溶媒抽出(ROSE)試験の抵抗率:この導電率測定は、はんだ用フラックスに残っている残留物をチェックするために使用されます。
  • 時間領域反射率測定法(TDR):この試験は、シングルエンドおよび差動トレースのインピーダンスを測定するために使用されます。これは、試験クーポンまたは付属フィクスチャー付き試験基板で実施できます。シグナルインテグリティを完全に評価するには、それに続くディエンベディングと分析が必要になります。
PCB電気試験
Flying probe testers are used to probe specific points on the PCB to check for faults.

制御インピーダンス試験は、デザインを作成する前に製造業者のデータと経験に依存することが推奨される一領域です。製造注文の一部として制御インピーダンスサービスを要求する場合、それによって材料セットのインピーダンス仕様に適合することを検証できます。これがファブリケーションのメモなど、製造業者に明確に指定されていることを確認してください。

PCB負荷試験

上記のリストには、ファブリケーションを正常に完了し、欠陥を見つけるために必要な基礎的な試験が含まれています。上記の基本的な試験に加えて、基板はPCBに限界まで負荷をかける目的のより厳格な試験を通過する必要があります。PCBがアセンブリを通過したら、負荷試験のバッテリーを使用して、パフォーマンスと信頼性の最小要件を満たしていることを確認できます。PCB負荷試験は、理想的な環境条件に対する長期的および短期的な信頼性を評価することを目的としています。一部の基板では、この一連の試験を製造業者が実行する必要はありません。短い試作の実行では、これらの試験は製造業者によるものを含め、一般的に実行されません。その代わりに、ベア基板と完成したアセンブリは、検査手順を通じて信頼性基準に対して評価することができます。

製造業者がこれらの高度な試験を実行できない場合、総合的な方法論と一連の試験で新製品の適格性を確認する専門の試験会社があります。UL試験および電気的負荷試験は、信頼性の基準要件を規定するため、一般的に消費者製品または商用製品を開発する際に最も重要です。医療、自動車、航空宇宙などの分野の他の製品については、IPCクラスとその他の業界標準(SAE、MIL-STDなど)の両方に関して、より厳格な規格が存在します。

信頼性とPCB障害分析

信頼性分析と障害の根本原因の理解にはどのような調査が必要になりますか。基板が障害点に負荷を受けたか、または単に上記の適格性試験に合格しなかった後は、障害の根本原因を特定するために何らかの調査が必要になります。最初に、機能試験(以下を参照)を行い、失敗した特定の機能または能力を究明します。ここから開始すると、障害が発生した可能性のあるデザインの特定のポイントに絞り込むことができます。基板周辺の電気試験に加えて、マイクロセクションは、デザインのどの特定のポイントが故障した可能性があるかを調査し、正確なメカニズムを究明するために頻繁に使用されます。

マイクロセクション分析
Here are some interesting examples of failures that can be seen in a microsection. [Source: Grosshardt, et al.]

シミュレーションアプリケーションと十分なコンピューティング能力を利用できる場合は、負荷シミュレーションを実行して、故障までの平均時間、熱誘起相の機械的故障の正確な位置との種類、デザインまたはファブリケーションプロセスの変更方法を決定するためのデザイン探索手順などを定量化することもできます。

障害が発見され、通常予想される動作条件以外で発生することが判明した場合は、デザインが設計および信頼性の基準に準拠している限り、これを成功と見なすことができます。無敵のデザインというものは一つもありません、従って最終的に、デザインが極端な負荷の下で失敗しても不思議はありません。目標は、展開中に遭遇した条件をある程度想定してデザインが確実に実行できることを見極めることです。この特定の点に対処するために信頼性規格が策定されており、これらの規格に準拠するようにPCBをデザインすることが、信頼性を確保するための最初のステップです。

適格性

基板に信頼性試験のバッテリーを接続する前に、信頼性と安全性の基準を考慮してご自分がデザインしていることを確認してください。信頼性を決定するデザインの特定の側面は、一部のIPC標準規格によって義務付けられています。

  • IPC-6011プリント基板の一般性能仕様
  • IPC-6012Dリジッドプリント基板の適格性および性能仕様
  • IPC-6013Dフレキシブル基板/リジッドフレキシブル基板の適格性および性能仕様

これらの規格は、製造された基板が忠実に準拠しなければならない特定の寸法ガイドラインと許容差を規定しています。誤解のないように言えば、ガイドラインでは、基板がヒットしなければならない特定のパッド、トレース、穴、またはその他の機能のサイズを指定していません。しかしながら、製品のIPCクラスごとに、製造された基板で満たさなければならない一連の最小限の基準は指定しています。製造業者のファブリケーション許容範囲と製品のクラスに応じて、ファブリケートされた基板が準拠しなければならない特定の寸法目標を決定できます。試作の例としては、 IPC6012規格のクラスIIIデバイス用のアニュラリングがあります。

PCB機能試験

電子機器の機能試験には、さまざまな試験が含まれています。その多くは、製品がデザインで意図された目的のユーザ体験と最終機能を確実に提供することの確認に重点を置いています。これは、製造業者の責任ではなく、試作段階での設計チームの責任です。製造業者の仕事は、提供する設計データに電気的に適合するPCBAを提供することです。この試験の自動化を支援できない限り、通常は機能検証を実行する責任はありません。

そのデザインから予想通りの機能試験結果が得られない場合、設計者がデザインのトラブルシューティングとデバッグを行って問題を特定する必要があります。設計者または試験エンジニアは、いくつかの電気的測定値を手動で収集し、ファームウェアを実験し、問題を遡って調べ、欠陥の原因を特定する必要がある場合があります。これらが見つかれば、次のデザインのレビジョンで対処できます。また、製品を大量生産へ移す際に、試験要件として組み込むことが理想的です。

大量生産へ移行しつつある場合、また製品の機能性や規格に適合するために、特定の電気的、熱、または機械的な試験に合格する必要がある場合は、製造業者にこれらの試験を指定するか、社内で試験手順を開発するか、外部の試験会社を通じてこれらのサービスを契約することが推奨されます。試験会社が、貴社の必要とする内容を理解し、製品の品質を保証するためにこれらの試験を自動化する能力を備えていること確認するために彼らに早めに相談します。これらのタスクを完了するには事前に時間がかかりますが、考えられるすべての不具合がデザインで予想されていることを知っておく必要があります。

Altium Designer®のPCB設計ツールは、回路図および添付文書でPCB試験要件を定義するために必要なすべての機能を提供します。デザインを製造段階へ送る準備ができたら、Altium 365®プラットフォームを使って設計データを製造業者に簡単にリリースできます。Altium 365とAltium Designerは、デザインレビューに合格し、試験要件を伝え、デザイン変更を伝えるために必要なすべての機能を提供します。

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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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