トゥームストーニング：PCBアセンブリの欠陥を防ぐための戦略

プリント基板組み立ての一般的な欠陥と、PCB設計が組み立てプロセスにどのように影響するかについてのシリーズを続ける中で、トゥームストーニングについてもう少し詳しく見てみましょう。電子製造で使われる用語は時々笑ってしまいます。トゥームストーニング、マウスバイト、ラビットイヤーなど、もっとハイテクな用語があっても良さそうですが、これらの用語は非常に象徴的であり、記憶に残ると認めざるを得ません。

用語に馴染みがない場合、「トゥームストーニング」は、表面実装部品の一端がはんだリフロー中にパッドから持ち上がり、墓石のような直立した位置になる現象を指します。トゥームストーニングの一般的な原因には、はんだペーストの不均一な堆積、パッドサイズの変動、リフロー中の熱プロファイルの不一致、そしてPCB設計の問題（不均一な銅トレースや不十分なはんだマスクのカバレッジなど）が含まれます。これらのいくつかはPCB設計によって影響を受けることがあり、他は組み立てプロセスの制御の結果です。

トゥームストーニングは、特に表面実装技術（SMT）の組み立てプロセスにおいて、プリント基板組み立てで比較的一般的な問題です。トゥームストーニングの発生頻度は、使用される特定の部品、PCB設計の複雑さ、製造プロセスの品質などの要因によって異なる場合がありますが、PCB組み立てプロセスで遭遇するより一般的な欠陥の一つと考えられています。

製造技術の進歩と改善された設計実践により、年々トゥームストーニングの発生率は減少していますが、電子デバイスの信頼性と機能性を確保するために、PCB設計者と製造業者が対処しなければならない課題です。自動車、航空宇宙、医療機器製造など、高い信頼性基準が求められる産業では、トゥームストーニングの発生を最小限に抑える努力が行われています。トゥームストーニングを排除するために必要とされる再作業の必要性をなくすことが目標です。

トゥームストーニングに寄与する要因

• はんだペーストの堆積方法、例えばはんだペースト印刷は、パッド上に均一なはんだペーストが堆積していることを確認するために検証されなければなりません。
• 不均一なはんだマスクの被覆：はんだマスクはPCB上の保護層として機能し、リフロー中にはんだが流れるべきでない場所への流出を防ぎます。あるコンポーネントの片側のパッドが他のパッドよりもはんだマスクの被覆が少ない場合、結果としてはんだ付けが不均一になり、トゥームストーニングが発生する可能性があります。
• PCB上のパッドの設計とサイズは、トゥームストーニングを防ぐ上で重要な役割を果たします。パッドが小さすぎる、大きすぎる、またはコンポーネントの各側で不一致である場合、はんだ付けが不均一になる可能性があります。例えば、小さなパッドは適切なはんだ付着のための十分な表面積を提供しないかもしれませんし、大きなパッドははんだペーストが過剰になり、リフロー中に不均衡を引き起こす可能性があります。
  • 使用されるコンポーネントに適したパッドサイズを確保し、過剰なはんだなしに適切なはんだ付着のための十分な表面積を提供します。
  • 一貫したはんだ流れを促進し、はんだブリッジやトゥームストーニングのリスクを最小限に抑えるために、丸みを帯びた角や面取りされたエッジなど、適切なパッドの形状を実装します。
  • 大きな銅面に接続されたコンポーネントに熱リリーフパッドを使用して、リフロー中の熱の不均衡を軽減します。
• コンポーネントの正確な配置：配置中のミスアラインメントは、リフロー中の不均一な加熱を引き起こし、コンポーネントの一方の端が他方よりも先にはんだ付けされる原因となります。

はんだマスクの考慮事項

はんだブリッジやトゥームストーニングを防ぐためには、適切なはんだマスクの被覆が不可欠です。DFMの実践では以下を推奨します：

• リフロー中にはんだが流れるべきでない場所への流出を防ぐために、パッド周りの適切なはんだマスクの被覆を確保します。
• はんだブリッジを防ぐために、パッドとの間に追加のクリアランスを提供するはんだマスクの拡張を実装します。
• トゥームストーニングのリスクを最小限に抑えるために、はんだマスクの被覆を検証し、必要に応じて調整を行うための設計レビューを実施します。

熱リリーフ戦略

効果的な熱リリーフ戦略は、リフローはんだ付け中の熱分布を管理し、トゥームストーニングの可能性を減少させるのに役立ちます。DFMガイドラインは以下を提案します：

• 大きな銅面に接続されたコンポーネントに熱リリーフ接続を使用して、熱勾配を最小限に抑え、トゥームストーニングを防ぎます。
• コンポーネントの熱要件とPCBのレイアウトに基づいて、熱リリーフ接続の数と配置を最適化します。

DFM分析ツール

• DFM分析ツールの利用は、設計プロセスの早い段階で潜在的な問題を特定し、トゥームストーニングを防ぐのに役立ちます。設計者は：
  • PCB全体の熱分布を評価し、トゥームストーニングが発生しやすい領域を特定するために熱シミュレーションを実施します。
  • DFMガイドラインに準拠していることを確認し、潜在的なトゥームストーニングリスクを特定するために、設計ルールチェック（DRC）と製造可能性チェックを実施します。

部品の微細化が進むにつれて、SMT組立プロセスには負荷がかかり、これらの狭い特徴サイズに対応するために必要なプロセス調整に多くの作業が行われています。リフロー中の熱プロファイルを一貫して維持すること、これにはランプアップ、ソーク、およびクールダウンの段階が含まれますが、これによりトゥームストーニングを防ぐことができます。このプロセス中に、トゥームストーニングのような一般的なプリント基板組立欠陥の増加が見られるというのは妥当な仮定です。製造可能性のガイドラインにおける変更を理解するために、製造チームと協力することが重要になります。