なぜPCB設計者はIPC規格を使用するのでしょうか？

最近、PCBの設計と製造に関わるすべての人にとって、業界標準がいかに重要であるかを改めて実感する機会がありました。業界標準はどれも膨大な情報を含む分厚い文書であり、業界内のあらゆる標準を一人ですべて暗記することは不可能ですし、実際にそのすべてを使うこともありません。しかし、私たちが持つ標準は、設計や製造に関わるあらゆる人の期待値を定めるうえで、極めて重要な役割を果たしています。

こうした「期待値の設定」は、一見すると設計者の自由を縛るように思えるかもしれませんが、実際には、自分たちが設計した基板が量産規模であっても製造可能であるという確証を与えてくれます。なぜそれがそれほど重要なのか、また電子業界標準が時間の経過とともにどのように発展してきたのかを理解するために、いくつか例を挙げてみましょう。

IPC規格のガイダンスを理解する方法

IPC規格の重要性は、具体例を通して示すのが最もわかりやすいと思います。

IPC規格に関するこの話題が最近持ち上がったのは、私がLinkedInでメッセージを受け取ったことがきっかけでした。その内容はIPC-7351規格、特にRevision BとRevision Cに記載されているコートヤードのガイダンスに関するものでした。リード付きクワッドパッケージに対するコートヤードのガイダンスを示す画像を、以下の2つの図に示します。

この2つの図に関する質問はシンプルです。

• PCBフットプリントでは、どちらのコートヤード設計に従うべきでしょうか？
• 一見とても単純な質問ですが、答えは同時に単純でもあり複雑でもあります。

まず最初に、この特定の質問に対する答えは、どちらのコートヤード形式も使用可能だということです。コートヤードは、PCBレイアウトにおける部品配置の境界を標準化し、さらにSMD部品の銅製ランドパッド間の距離を標準化するために用いられます。これらの値は、低密度・中密度・高密度の実装に対して定義されています。部品フットプリントにおけるコートヤード層の目的を理解していれば、IPC-7351C改訂版の意図もすぐに理解できるでしょう。つまり、より高密度な実装に対応するため、新しいコートヤード形式を標準化したのです。

これにより、2つの期待が生まれます。

• PCB設計者は、フットプリント作成サービスを提供する人や、サービスとして無償でフットプリントを配布する人が、この標準化された境界をコートヤード層に含めていることを、当然のこととして期待すべきです。
• PCBアセンブリ業者は、設計者がIPC-7351規格で定義されたコートヤードの限界ぎりぎりまで部品を配置することを想定すべきであり、その実装能力もそれに対応できることが期待されます。

理想的には、この例においてはフットプリント作成者とPCBアセンブリ業者の双方が、IPC-7351Cの許容値に対応すべきです。この特定のケースでは、Revision C規格のガイダンスが作られたのは、設計者がすでに高密度設計でそのような配置を行っており、PCBアセンブリ業者も概してSMT工程でその配置に対応できていたためです。したがって、この規格は、PCB設計と製造に関わるすべての関係者の間で、こうした期待を正式なものとするために更新されたのです。

IPC規格が期待値を定めるその他の例

設計手法、信頼性、検証、安全性に関して、規格が期待値を定めている例は他にも数多くあります。以下に、特に重要ないくつかの例をまとめました。

• 設計手法： 高電圧設計における好例がIPC-2221B and IPC-2221Cです。これらの規格は導体間のクリアランス値を示しており、製品がアーク放電から合理的に保護されるという一定の安心感を設計者に与えます。
• 材料代替： IPC-4101で定義されるIPCスラッシュシートは、取り扱いおよび加工の観点から、代替材料の適合性を定義しています。
• 試験方法： 試験規格は、メーカーがベアPCB、PCBA、およびそのプロセスを同じ一連の試験で認定評価することを保証するために策定されています。
• 信頼性分類： IPCの製品クラスは、PCBおよびPCBAの信頼性に関連しています。これにより、最小アニュラリングに対するビアパッドサイズや、ビアめっき厚さ要件など、特定の設計・製造基準が定義されます。

期待値の設定という同じ役割を果たす業界標準は、IPC規格以外にも存在します。たとえばEthernet規格では、適切なEthernetトランスであればピーク電圧において2.1 kVのガルバニック絶縁を提供すべきであると定められています。もう一つの好例がJEDECで標準化されたパッケージで、これは集積回路パッケージのサイズやリード形状を定義しています。こうした集積回路のパッケージ規格により、たとえばすべてのSOIC-8パッケージは、機械的観点から相互互換であることが保証されます。

PCB設計者はIPC規格に従う必要があるのか？

ここでの答えは少し複雑です。IPC規格に従う設計者は、信頼性が高く、量産可能で、かつそれを第三者が独立に検証できるPCBAを受け取れる可能性が大幅に高まります。これは、可能な限り、また適用可能な限りIPC規格に従う明確な動機になります。

しかし、さまざまな理由で設計者がIPC規格から逸脱するケースは数多くあり、そのことが自動的に製品の信頼性や製造可能性を否定するわけではありません。場合によっては、PCBに実装される設計手法が、IPCで標準化された要件をさらに上回ることもあります。これは、特定の製品における信頼性と製造可能性を確保するために、その企業が必要だと判断した結果である場合があります。IPC規格からの逸脱には十分な正当性があり得ますし、それが理由で製品が即座に見積辞退になるわけでもありません。

とはいえ、特定のIPC規格に違反したり無視したりした場合、メーカーから、ある領域については量産時の信頼性や製造可能性を保証できないと言われても驚くべきではありません。メーカーのCAM部門は、設計を製造承認する前にPCB manufacturing outputsを徹底的にレビューしますが、それはまさにこうした問題を特定し、設計者に通知するためです。そうすることで、故障リスクが高いと判断した製品について責任を負わずに済むのです。

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