PCB設計における主要なDFMエラーの防止

 

すべての回路基板は、潜在的な製造および組み立てエラーを避けるために、DFM（製造可能性設計）ガイドラインに従うべきです。これは、コスト削減、品質向上、および無欠陥製造にも焦点を当てています。この記事では、PCBの主なDFMエラーとそれらを回避するさまざまな技術について説明します。

製造（DFM）のためのPCB設計について

DFM分析により、製造業者はボードの設計をさまざまな側面から検討し、その材料、寸法、および性能を最も効率的に修正できます。それは設計上の問題を即座に検出し、生産よりもかなり前にそれらを修正します。製造可能性分析のためのステップバイステップアプローチには、以下の属性が含まれます：

1. 製造プロセスに影響を与える設計違反の特定。
2. ジオメトリと材料要件に応じた正確な製造プロセスの決定。
3. ボード設計の検査と、仕様が完成品と一致するかどうかの決定。
4. ボードの寸法に依存する材料（特性、物理的強度、およびテクスチャーに応じて）の選択。
5. 設計が品質基準と信頼性を満たすための規制遵守に従うことを確認。

主なDFMエラー

一般的に見られるDFMの問題には、スリバー、アニュラーリングのブレイクアウト、アシッドトラップなどがあります。一般的な違反とその予防について見てみましょう。

スリバーの予防

スリバーは、銅を露出させてショートを引き起こす乾燥フィルムレジストの小さなくさびです。導電性（銅）または非導電性（はんだレジスト）のいずれかです。スリバーの形成には2つの理由があります。最初のケースは、銅またははんだマスクの長く細い特徴がエッチングで取り除かれたときです。取り外されたスリバーが製造中にショートを引き起こします。2番目のケースでは、ボードデザインのセクションをあまりにも近く、または深く切ることによってスリバーが形成されます。これにより、回路基板の機能に悪影響を及ぼす可能性があります。

解決策:
この欠陥を避けるために、最小のフォトレジスト幅を実装します。同じネット間隔（3ミル未満）または取り除かれたり、充填されたりすることができるエアギャップを適用します。スリバーが形成される可能性のある領域を特定し、問題があれば解決するために、適切なDFM分析が必要です。

 

部品選択

部品選択は、その可用性、リードタイムの考慮、および廃止部品の監視に基づいて行うべきです。これにより、製造開始前に部品が十分に利用可能であることが保証されます。

BOMを適切に調査して、コンポーネントとパッケージのサイズを決定します。十分なスペースがある場合は、抵抗器やコンデンサーに大きなコンポーネントを選択できます。例えば、0402/0201の代わりに0603または0805サイズのキャパシタ/抵抗器を使用します。選択は、電圧、電流、および周波数によって影響を受けます。可能であれば、小さなパッケージを選択し、そうでない場合は、大きなものを選択します。小さなコンポーネントパッケージの過剰使用は、回路基板の組み立てを複雑にし、清掃や再作業をより困難にします。

 

テストポイント

DFMは、基板を構築した後の電気的接続をチェックするために、すべての重要な信号にテストポイントを含みます。除外された場合、最終製品をチェックすることが困難になります。ここでは、可能な製造問題を避けるためのいくつかのポインターを紹介します：

• テストの容易さのために、すべてのテストポイントを基板の同じ側に配置します。
• テストの効果を高めるために、テストポイント間の最小距離を0.100インチに保ちます。
• より高いコンポーネントのためのエリアを指定します。
• 複数のプローブで簡単にアクセスできるように、すべてのテストポイントを均等に配置します。
• 製造公差を考慮してレイアウトを設計します。

ビアとドリル・トゥ・カッパー

ドリルから銅までの距離は、ドリル穴の端から最も近い銅の特徴までの距離です。しかし、PCB設計者は、完成した穴のサイズ（FHS）から最も近い銅の特徴までのドリルから銅までの距離を考慮します。

設計者は常に、正しい距離を決定するために、ドリルされた直径（FHS + ドリル許容差）を考慮するべきです。ドリル直径は、以下の方程式から決定できます：

完成した穴のサイズ + 許容差 = ドリル直径

通常、距離は5-8ミルであるべきですが、これは層数によって異なります。ボードレイアウトツールには、ドリルから銅までの特定の設計ルールチェック（DRC）はありません。しかし、設計に適切な間隔を使用すれば、8ミルのクリアランスを持つことができます。これは、DFM分析を行う際に考慮すべき最も重要な属性です。

 

アニュラーリングでは、ドリルビットが所望の位置に到達せず、同じ軸で移動すると、接線性またはブレイクアウトが発生することがあります。これは、限界的な相互接続を引き起こし、信頼性に影響を与えます。

 

ドリル中に発生するDFM問題を避けるためのいくつかのヒントはこちらです：

• デザインに広い環状リング領域を取り入れるために、より大きなパッドサイズに適応させます。これにより、良好な導電性を確保し、パッドの中央にビアをドリルする際の容易さが保証されます。
• すべての銅層に銅パッドがあるかどうかを確認してください。
• Sierra Circuitsは、ドリルから銅までの最小限度として8ミルを推奨しています。
• ドリルのミスレジストレーションを防ぐために、最小のアスペクト比を維持してください。
• ドリルのタイプ（PTH/NPTH）とドリルの数/サイズを定義してください。
• 銅の特徴とドリルがボードのプロファイルの内側に収まるようにしてください。
• ベンダー/ファブハウスが製造できる最小の環状リングサイズ（4ミル）以上の環状リングを設計してください。
• 複雑なデザインや小さな環状リングでの環状リングの破損を防ぐために、ティアドロップを追加してください。

ドリルの数はドリルチャートと一致するべきです

ドリルの数をドリルチャートと一致させることが重要です。ドリルチャートはファブ図面に含まれています。時には、ドリルチャートが実際のドリル数と一致しないことがあります。その場合は、ドリルチャートを修正または再生成する必要があります。

 

シンプルな設計のポイントとして、PCBレイアウトで使用する異なるドリルサイズの数を最小限に抑えるようにしてください。信号の層間遷移のほとんどを処理できる1つまたは2つのビアサイズを選び、取り付け穴や非めっき穴に使用されるいくつかの他のサイズを選ぶのが最善です。

クリアランス

DFM分析では、観察すべきクリアランスの種類が3つあります。

エッジクリアランス：

多くの設計者が、銅とPCBのエッジとの間に十分なクリアランスを設けることを忘れがちです。エッジに近い銅は、電流が適用された場合に隣接する層間でショートを引き起こす可能性があります。これは、ボードの周囲に露出した銅が原因です。この問題は、設計にクリアランスを追加することで解決可能です。以下の近似値を確認してください：

• 外層の場合：0.010インチ
• 内層の場合：0.015インチ

ライン間隔：

ライン間隔は、2つの導体間の最小距離です。これは、材料、銅の重さ、温度変化、適用される電圧、そして製造業者の能力に依存します。

 

はんだマスクのクリアランス：

• はんだマスク定義パッドの場合を除き、はんだパッドよりもはんだマスクのクリアランスを大きく保ちます。
• はんだブリッジを防ぐ最良の方法は、マスクの開口部を銅パッドに延長するか、バレルリリーフ（はんだマスククリアランス = ドリルサイズ + 3ミル）を提供することです。

 

はんだマスクの欠落

時には、パッド間にはんだマスクが部分的または完全に欠けていることがあります。これにより、余分な銅が露出し、はんだブリッジやショートが発生し、基板の性能が低下します。これは、はんだマスクが定義されていない場合や、大きな基板の設定が小さな基板に適用されることで、パッドの穴が大きくなる場合に発生します。

 

はんだマスクの設計のヒントに従ってください：

はんだマスクの相対サイズは、特徴サイズよりも4ミル大きくする必要があります。
はんだマスクの幅/ブリッジは最小4ミルに保ちます。
銅の特徴の端とはんだの端との間のスペースは2ミルに保ちます。

アシッドトラップ

注意すべき別のDFMエラーはアシッドトラップです。アシッドトラップとは、基本的にそのエリアに酸の濃度を引き寄せる鋭角を取り入れた設計のことです。これにより、アシッドトラップの副産物として、過剰にエッチングされたトレースやオープンサーキットが発生する可能性があります。

 

パッドに来るトレースを鋭角で配置するのを避けてください。トレースはパッドに対して45°または90°の角度で配置します。トレースのルーティング後に、トレースの角度がアシッドトラップを作成していないかを確認してください。

シルクスクリーンチェック

シルクスクリーンチェックには、DFM分析に影響を与え、可能性のあるエラーを防ぐさまざまな属性が関与します。ここにいくつかの重要なガイドラインを示します：

方向：シルクスクリーンがパッドの上に乗ることがあり、これはDRCを実行することでチェックする必要があります。シルクスクリーンがビアホールと重なることもありますが、ビアがテンティングされている場合はこれを許容します。これは、テキストを回転させてコンポーネントのリファレンス指定マークを調整する際に発生することがあります。パッドやビアと重ならないように、リファレンス指定マークをトリミングしてください。

線幅とテキストの高さ：簡単に読み取れるように、最小線幅を4ミル、テキストの高さを25ミルと推奨します。常に標準の色と大きな形を使用して良好な表現を心がけてください。通常、サイズはテキストの高さが35ミル、線幅が5ミルです。ボードが密集しておらず、大きなテキストに十分なスペースがある場合は、次のサイズを使用してください：

上記の仕様が中密度ボードに適さない場合は、以下のサイズを使用してください：

高さ	幅	トレース
35 mils	25 mils	5 mils

上記のサイズが適さない場合は、以下を参照してください。中密度ボードの場合：

高さ	幅	トレース
25 mils	22 mils	5 mils

シルクスクリーン印刷方法： 特定の方法は、サイズ、クリアランスなど多くの設計パラメーター、およびパッド、ビア、トレースのような要素に多大な影響を与えます。これらを、マニュアルシルクスクリーン印刷、液体フォトイメージング、ダイレクトレジェンド印刷に従って指定してください。

マーキングの優先順位： シルクスクリーンマーキングを、規制要件、製造者識別、組み立て補助、テスト補助の分類に従って優先順位を付けてください。

製造可能性の設計ガイドラインに従うことで、設計の初期段階でのエラーを認識できます。幸いなことに、Altium Designer®のDRCエンジンは、製造に進む前にこれらの問題をキャッチするのに役立ちます。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、迅速にエラーをキャッチ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・協力できます。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内で共有できます。

Altium DesignerとAltium 365で可能なことの表面をかすめただけです。今すぐAltium Designer + Altium 365の無料トライアルを始めてください。そして、製造および組立プロセスについてもっと学ぶためにSierra Circuitsのウェブサイトを訪問してください。