2019年の製造のための設計に関するトップ5のヒント

最近、ある大手の電子業界ブログを閲覧していたところ、「製造のための設計」に関するトップ10の間違いについての記事を見つけました。面白くて斬新な内容かもしれないと思い、その記事を読みましたが、驚いたことに、それは10年前に読んだ記事のコピー＆ペーストであり、その記事自体もほぼ10年前の記事の焼き直しでした。古い記事を再加工して「新しい」コンテンツとしてラベリングするのは好きではありません。なぜなら、それは誤った経験則や、さらに悪いことに、無効な「業界のベストプラクティス」を作り出し、永続させる主な方法だからです。電子業界は非常に急速に変化するため、10年以上前に書かれたほとんどのコンテンツは今や時代遅れです。これらの記事で言及されているトップの間違いのいくつかを見て、それらに光を当て、そして今日の業界基準に関連する実際のトップのヒントをいくつか考えてみましょう。

トップの間違いの中のトップの間違い

鋭角を避ける

2019年後半になりましたが、私たちは最も安価で些細なプロトタイプのPCBでさえ、エッチングプロセスに問題があったとしても、任意の電気的欠陥がある基板を排除するためにフライングプローブチェックを受ける時代にいます。以前読んだ古い記事が私たちに避けるよう警告した最大の間違いは、鋭角でした。なぜなら、それらは酸の罠を作り出す可能性があるからです。トナー転写と自宅でのエッチングを使用している場合、これは真実かもしれませんが、現代の製造方法では、これは問題になりません。

フォトアクティベートされたレジスト層を持つボードに使用される光活性エッチング溶液は、ボードファブで非常に一般的です。これらのエッチャントは、鮮明なシャープな特徴を与え、エッチャントが溜まっても、十分な光を得られないため活性化しません。家庭でも非常に簡単に光活性レジスト層を使用することができます。現代のエッチングプロセスは、過去に比べて酸の罠のリスクを大幅に減少させます。

ビア・イン・パッドを避ける

一般的には、ビア・イン・パッドを間違いだと考えています。しかし、その記事では、熱的な理由からビア・イン・パッドを使用すべきだった例を挙げていました。多くの高電流デバイスは、メーカーがフットプリントに対して推奨するほど、ビア・イン・パッドを必要とします。それが、パッケージから効率よく熱を取り除く唯一の方法です。

その記事では、ビア・イン・パッドを使用すると、すべてのはんだが吸い取られてドライジョイントが残ると主張していました。これは100％真実です。確かに毛細管作用によりはんだが引き抜かれますが、ビアの両側をテント処理することでこれを完全に防ぐことができます。特定のケースでは、パッドにはんだマスクを全くしたくない場合、パッドと反対側のビアだけをテント処理することができます。これは、0.4mmまでのビアに対してかなり信頼性がありますが、まだ不安な場合は、ビアの反対側にシルクスクリーンを追加することもできます。これにより、ビアが完全にキャップされることが保証されます。

偶然にも、パッド上のビアだけに注意すべきではありません。テント処理されていないビアをパッドの非常に近くに配置すると、そのビアがパッドからはんだを吸い取る可能性もあります。

複数の工具サイズの使用を避ける

製造業者が非常に厳しい公差で作業する場合、ボード上に似ているが完全に同一ではない穴のサイズを多用すると、ボードのコストが増加する可能性があるという記事の主張でした。しかし、今日のドリリング技術を見ると、これは真実からはほど遠いです。産業用PCBドリルのツールマガジンには、人類が知る限りのほぼすべてのマイクロドリルサイズが含まれており、ツールの交換は信じられないほど迅速です。たとえ13.5milと14milの穴がそれぞれの正確なサイズのドリルビットで穿たれたとしても、PCBシートごとに追加で数秒しかかからないかもしれません。一般的に、ボード製造業者は、これらの穴を公差要件内、または図面で指定した公差内である限り、すべての穴を一つのサイズに丸めます。

PCBのスロットについても同様です。非常に小さいスロット（30-40mil）を使用しても、または20milエンドミルでスロットの角を大きな工具で四角くするための別のフライス加工ルートを指定しても、ペナルティを課されたPCB製造業者にはまだ出会っていません。

パッド上のシルクスクリーンを避ける

密に配線されたボードでは、あるコンポーネントのシルクスクリーンが別のコンポーネントのパッドに乗るのを避けることは不可能かもしれません。この正確な理由から、私のAltiumライブラリでは、ピン1の指示器シルクスクリーンドットと、可能な限りコンポーネントの下にシルクスクリーン機能を使用して、向きを簡単に判断できるようにしています。まだ、パッドからシルクスクリーンを自動的にクリーニングしてくれる、または少なくともそれを希望するかどうか尋ねてくれる予算のある、または高価なボードハウスには出会っていません。

もしパッドにシルクスクリーンがあるボードを受け取った場合、そのパッドでのはんだの濡れ広がりに大きな問題を引き起こし、それが悪い接合を引き起こす可能性があります。しかし、今日の製造業者では、私が経験したことのない問題です。

パッド間にはんだマスクを追加しない

この「間違い」を見ると、ただただ頭を振るしかありません。どうしてボード上のパッド間にマスクを追加するのを忘れることができるのでしょうか？Altiumやほぼすべての設計ツールがこれを自動で処理してくれます。多くの細ピッチコンポーネントは、パッド間にはんだマスクを許容しないクリアランスギャップを持っています。それにもかかわらず、Altiumがパッド間に1/1000ミル幅のマスクを生成するのを見たことがあります。Altiumのデフォルトの設計ルールでも、パッド間のはんだマスクを指定するのに完璧に機能します。

パッド間のマスクが小さすぎる場合、良心的な基板製造業者は進行する前に知らせてくれますし、あまり気にしない基板製造業者はその機能を削除してそのまま進めます。

サイズが間違ったフットプリント

数年間、私は実際に購入可能な部品をスキーマティックキャプチャレベルで設計に配置できる大規模なオープンソースのデータベースライブラリを公開してきました。完全で正確な3Dモデルと、Altiumの3Dボードビューおよび3Dボディの衝突チェックを使用すると、部品が衝突する設計を完成させることは非常に難しくなります。Concord Proを使用すると、Altiumのためのアドオン製品で、より幅広いコンポーネントに対して同じ機能を得ることができます。

少なくとも5年以上、私がボードに配置したフットプリントに合わない部品を誤って材料表に指定してしまうことができたのは、これが最後です。この「間違い」を設計プロセス自体の間違いというよりは、設計時に最適なツールを使用していなかったことに帰することにします。

私のトップティップ

これまでの年月を通じて多くの「トップミス」を排除した今、製造のための設計を始めたばかりの方が役立つかもしれないいくつかのヒントを見てみましょう。

ファスナー周りのクリアランス

ファスナー用の機械穴を配置して、そのファスナーの頭部の大きさを考慮に入れ忘れることは非常に簡単です。さらに大きく、皮肉なことに忘れがちなのはそのファスナーのワッシャーです。私は通常、ファスナー用の正しいクリアランス穴を持つビアを配置し、そのアニュラス（それに付隞する銅製の円）をそのファスナー用に利用可能な最大のワッシャーと同じサイズに指定します（複数のワッシャー基準が存在する場合）、そして少し余分にします。ファスナーの頭部の下にトレースを走らせる必要があり、他の方法が全くない場合は、トレースの追加保護としてファスナー領域にソリッドのシルクスクリーンを追加してください。シルクスクリーンが提供するわずかな追加保護が、誰かがファスナーを過剰に締めたときにトレースを損傷から守るかもしれません。

さらに確実にするために、ファスナーの3Dモデルをボードに追加し、穴に取り付けてください。これにより、ファスナーを出し入れできること、そして他のコンポーネントの本体を邪魔する場所に配置しないことが保証されます。

銅のクリアランスからボードの端まで

Altiumはこれをほぼ自動で処理してくれます。しかし、デフォルト設定を回避してトレースを引いた場合、エッジに近すぎないことを確認してください。オンラインの多くの記事では、銅のクリアランスを最適化する際に、露出した未めっきの銅を避けたいという理由で腐食が否定できない障害として言及されています。しかし、ボードの端に近い細いトレースを引く場合、エンドミル/スロットドリルがトレースを欠けさせて破壊する可能性があります。パネル内のボードを分離するためにVスコアリングを使用する場合、スコアは一定の幅を取り、常に完全に正確ではないため、簡単にトレースを損傷させたり取り除いたりすることがあります。

ボードにスロットを入れた後、作業を提出する前にクリアランスに関するエラーを探して最終チェックを行うことが通常です。内部レイヤーにスロットを横切るトレースを誤って引いてしまったことが何度かありました。ボードの設定で、ミリングパスを持つレイヤーをミリングレイヤーとして設定すると、Altiumが3Dビューでスロットをレンダリングします。その後、設計ルールが既存の問題を強調表示し、将来的な問題を防ぐために、ミリングレイヤーをキープアウトレイヤーにコピーします。

ビアをテント処理する

Altiumにはビアのはんだマスクの拡張に関する設計ルールがあり、テンティングに使用できますので、これらを活用してください。15mil/0.4mm以下のものはテンティングすべきです。それ以上の場合は、ボード製造業者のはんだマスクの厚さを考慮することをお勧めします。完全にテンティングされ、閉じられたビアは、フラックス、汚れ、湿気などの腐食性物質が穴に入り込んでビアを腐食させるのを防ぐため、良いことです。

穴が完全に覆うには大きすぎる場合、テンティングを試みると、かえって排除しようとしているものを簡単に閉じ込めてしまう部分的に覆われた穴を作ってしまう可能性があります。そのような状況では、テンティングされていないビアを使用し、めっきで穴を保護する方が良いでしょう。ただし、穴の周りのはんだマスクのクリアランスは非常に小さく保つことが重要です。なぜなら、ビアがショートの潜在的な原因となることを避けたいからです。

非常に高い仕様のボードでは、製造中にビアがエポキシで埋められることがあります。それらを設計している場合、私たちがカバーしたヒントは、製造のための設計ヒントが必要な段階をとっくに過ぎているあなたにとってはおそらく関係ありません！

両面ボード

私が設計する多くの製品は両面基板を使用しています。しかし、両面にするには十分な理由が必要です。基板の裏側にわずか1つや2つの受動部品を配置することを考えている場合、組み立てに取り掛かった時に多くの問題を引き起こす可能性があります。完全に両面設計にコミットするか、単面のままでいるかのどちらかです。基板の両面に部品を配置する非常に良い理由がない限り、上層だけに留めておくべきです。サイズの制約や基板密度の仕様が、底面に大量のコンポーネントを配置することを要求する場合は、それに従うべきです。

また、より小さいパッケージのコンポーネントを使用して基板の不動産を取り戻すことも検討できます。ほとんどの組み立て業者にとって、0402コンポーネントは要求が少なく、基板の両面にコンポーネントを配置するよりもはるかに安価です。多くの組み立て業者は、0201受動部品を使用しても、顕著な追加コストや廃棄物が発生しないため、すでに0402部品を使用している場合でも、膨大な量の自由なスペースを提供できます。0201またはそれ以下のサイズを使用する前に、古い機械では信頼性の高い取り扱いができない可能性があるため、組み立て業者に確認してください。組み立て業者がより小さいコンポーネントを扱える場合、両面組み立てに頼るよりもはるかに安価になる可能性が高いです。

出力ファイルを確認する

最後に、そして言うまでもなく、すべての出力ファイルがそろっていることを確認してください。NCドリルファイルを出力ジョブファイルに追加し忘れたり、ガーバーファイルのレイヤーを一つ多く非選択にしてしまったりした経験があります。Altiumに内蔵されているものでも良いので、ガーバービューアを使用して、すべてのポリゴンが完全にレンダリングされているか、すべてのドリルが配置されているか、必要な場所にシルクスクリーンとマスクが存在しているかを確認してください。ボードを組み立て業者や契約製造業者に送る場合は、ペーストレイヤー、ピックアンドプレイスの中心、および組み立て図面もエクスポートされていることを確認してください。

ボーナス・チップ - サーマル

正直に言うと、サーマルは私の少しのペットピーブです。あるソフトウェアは、ほぼすべてにサーマルを追加することをデフォルトにしています。ビアを追加するとサーマルが付き、パッドを追加するとサーマルが付きます。サーマルは高インダクタンスの点を作り出し、中速度および高速度の信号で問題を引き起こす可能性があります。高電流状況では、サーマルの低い銅断面積では十分な電流を導くことができないかもしれません。

大きな銅の流れにおいて、サーマルは手はんだ付けを容易にすることができ、古い波はんだ付け機には必要だったかもしれません。主に表面実装のボードを設計していて、コネクタのようないくつかのスルーホール部品がある場合、パッド上のサーマルに対して多くの使用例はありません。表面実装部品はリフローはんだ付けを受ける一方で、スルーホール部品は選択的はんだ付け機ではんだ付けされます。

このパッドから大きな銅の流れへの熱伝達を防ぐ能力は両方向に働きます。一方では、組み立てを少し容易にするかもしれませんが、他方では、パッケージからの熱の逃げることを同様に防ぎます。D-Pak（TO-252）や類似のパッケージが地面パッドにサーマルを持っていた複数の製造ボードを見たことがありますが、これはパッケージの熱を放散する能力を完全に損ないます。

サーマルが有効な高アンペアパッケージの電流密度。熱問題を想像してください。

同様に、ビア上のサーマルは、どれだけの電流と熱を伝達できるかを大幅に制限します。さらに悪いことに、追加の熱や電流伝達のためにビアを集中させると、エリアを銅で飢えさせ、全体の地域の電流または熱運搬能力を壊滅させる可能性があります。

現代の製造および組み立てプロセス用に基板を設計している場合、10年から20年前には信頼性がなかったであろう機能を追加することができます。過去2十年間で、基板の量と複雑さは指数関数的に増加しています。この変化のペースを可能にするために、PCB製造業者は、高度に洗練された設計のための基板を作成するために、より効率的で、より正確で、より効果的な方法を使用してきました。製造後の電気テストは、最低予算の製造施設でさえ標準であり、生産上の問題の大部分を捕捉します。AltiumのPDN Analyzerのような電力分配分析ツールを使用して高電流基板を設計している場合、アプリケーションに対して銅面積が不十分であるというミスを捕捉するのに役立ちます。設計がアプリケーションの電流、周波数、または熱要件を処理するのに十分に堅牢でない場合、基板が電気的に機能しているかどうかは関係ありません。

さらに質問がありますか？Altiumの専門家にお電話ください。