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PCBの超高真空システムでのガス放出に対応する方法 PCBの超高真空システムでのガス放出に対応する方法 「楽しみに水を差す」という言葉があります。私が高校生だった頃、マーチングバンドでサクソフォンを吹いていました。ある晩、競技会があり、4マイルの行進のうち2マイルまで行ったところで雨に降られました。私たちは雨宿りのために走らなくてはなりませんでした。多くの苦労も、ほんの少しの雨によって台無しになるという教訓です。地上では、結露があればそれを避ければいいのですが、気圧が低い場合にはそれだけで実験が失敗に終わる可能性があります。宇宙の真空中では結露は発生しないと思うかも知れませんが、多くの宇宙事業では、「ガス放出」と呼ばれるプロセスで少量の蒸気が放出され、複雑な状況が発生します。これは高真空環境で発生する現象で、近くの機器の機能を妨げたり、損なったりすることがあります。超高真空(UHV)用のPCBを設計するときは、基板からのガス放出を低減する方法を見つける必要があります。理想的な世界ならば、ガス放出を排除できるでしょうが、完全なものは存在しないので、ガス放出が発生したときに対処するための低減戦略を取り入れることが重要です。 ガス放出とは何か、なぜ問題になるのか 私は大学で、サクソフォンからバスーンに転向しました。バスーンとは何か知らない人は少なくないでしょう。それと同様に、PCBのガス放出(アウトガス)についてもあまり聞いたことがないかもしれません。ガス放出は、材料の中に閉じ込められている気体が超高真空の中に吸い出されるとき発生します。基板は多くの場合、 各種の多孔質複合体 で作られているため、この現象が大きな問題となることがあります。これらの浸透性材料は多くの場合、製造プロセスの間に空気や他の蒸気を中に閉じ込めます。その後で回路が宇宙の真空にさらされると、その蒸気が吸い出され、近くの表面に凝縮することがあります。 ガス放出の問題は、凝縮の発生により 光学測定器との干渉 が発生したり、汚染により測定が損なわれたりすることです。これは、 彗星の大気を測定するよう設計された宇宙探査機 で、 ガス放出が彗星の特徴的な成分よりも大きくなる可能性がある 場合、特に深刻な問題となります。 水蒸気など比較的ありふれた蒸気でも、 任務の支障となる可能性 があります。このような種類のリスクは、実験や宇宙ミッションに大きな妨げとなります。この理由から、NASAは 作業場におけるガス放出の低減 のヒントを公表しており、 材料のガス放出をテストする ためのガイドラインまで作成しました。これらのガイドラインを守っても、PCBには多少のガス放出が発生します。このため、ガス放出の制限だけではなく、軽減についても注意する必要があります。 レンズや他の光学機器はガス放出によって汚染される可能性がある
PCBコンポーネントの反りの原因 PCBにおけるコンポーネントの反りの原因 PCB製造業者のスタッフが、パッケージの歪みが問題になっていると思われると私に説明したことがあります。これまで、PCBAで使用される標準的なコンポーネントパッケージでは、このようなことは非常にまれだと思っていました。残念ながら、PCBとコンポーネントの両方でコンポーネントの歪みが発生する可能性があります。機械的な取り扱いミスによる曲がりは明らかですが、機械的な影響がなくてもコンポーネントの歪みを引き起こす可能性のある他の問題もあります。 この記事では、PCB、特に基板とコンポーネントでの歪みについて概説します。基板の歪みの可能性は、PCBラミネート材料がわずかに柔軟であることを考えると明らかですが、コンポーネントでの歪みの可能性はそれほど明らかではありません。 PCBコンポーネントの歪みが発生する場所 コンポーネントの歪みは、PCB組み立て中に発生することもありますし、組み立て施設に到着する前にコンポーネントが歪んでいることもあります。時々、製造や配送中に発生した曲がりや完全に平らではないなど、歪んだパッケージングを持つコンポーネントを受け取ることがあります。ほとんどの場合、ほとんどのコンポーネントと組み立てでの歪みは非常にわずかであり、そのような歪みが組み立ての機能性や信頼性に問題を引き起こすことはありません。 ワーピングがより深刻な場合、コンポーネントのテストを開始したり、デバイスを使用し始める前に何か問題があるかどうかを見つけるのが難しいかもしれません。残念ながら、コンポーネントが組み立て施設に到着すると、フィクスチャでのテストを開始したり、平坦性を検査したりする立場にはおそらくありません。非常に明らかに歪んでいない限り、すぐにピックアンドプレースに入れられます。それらのコンポーネントをボードに組み込んだ後、ワーピングが処理や取り扱いの前後のどちらで発生したかを証明するのは困難になります。 簡単にまとめると、ワーピングは以下の状況で発生する可能性があります: コンポーネントの生産中、コンポーネントが生産や包装中に適切にスクリーニングされなかった場合 PCB組み立て中、 はんだ付けプロセスがコンポーネントに欠陥を生じさせる場合 PCBが歪む場合、それによって一部のコンポーネントにワーピングが発生する可能性がある 輸送中、何らかの機械的衝撃やショックがボードやコンポーネントに損傷を与える場合 コンポーネントのワーピングを引き起こす組み立て欠陥 コンポーネントの反りの影響は小さくて気づかないこともあれば、潜在的な電気的問題を引き起こすこともあります。繰り返しのサイクリングと反りがはんだ接合部を弱め、早期または断続的な故障を引き起こす最悪のケースがあると言えるでしょう。組み立て中にコンポーネントの反りを引き起こす要因には 熱サイクリング CTEの不一致 アウトガス があります。繰り返しのサイクリングによってコンポーネントの反りが発生する最も単純なケースは、繰り返しのサイクリングが原因です。 ボールグリッドアレイパッケージを持つ大型プロセッサーなど、反りの影響を受けやすい大きな表面積を持つコンポーネントで、これらの電気的問題が現れる場所の一つです。有機基板上のパッケージも熱サイクリングの影響を受けやすく、周囲のラミネートと比較してCTEの不一致があるため、反りを経験することがあります。 コンポーネントのパッケージと基板の間に大きな不一致がある場合、基板が反り、PCBとケーシングの間の距離が増加し、いくつかの可能性があります。場合によっては、はんだボールが「落ちて」PCBに低く留まり、コンポーネントに接続せずに開回路が生じるか、はんだが流れて他の接続をブリッジすることがあります。それ以外の場合、はんだボールは適切な温度で接続を行うために伸びます。回路は見えますが、接合部のはんだが薄くなり、時には奇妙な形をしており、時間が経つにつれて接合部が信頼性を失います。BGAパッド間のピッチが狭くなると、影響はさらに悪化します。 表面が下に反る場合、通常はリフロー中に角や端が沈むと、コンポーネントの下にはんだが多すぎる状態になります。はんだがパッドから押し出され、他のはんだパッドに橋渡しをして短絡することがよくあります。下の画像で見るように。
基板の反り 歪んだPCBを修正できますか? この記事に深入りする前に、簡単な答えをお伝えしましょう。既に製造されたPCBの反りを修正することは、おそらくできません。適切な材料が選択され、基板が正しくリフローに入れられる限り、組み立て中に反りが生じないように防ぐことはできます。 この記事では、そのようなポイントのいくつかについて説明し、反りが生じた基板を回復させるためのポイントをいくつか検討します。未組み立ての回路基板の反りを修正することは高度な作業であり、基板をガラス転移温度以上に加熱して圧迫する必要があります。個人の設計者であり、メーカーから裸の回路基板や組み立てられた基板のバッチを受け取った場合、それらを修正することはできません。これらを廃棄する方が良いでしょう。この記事の後半でその理由を説明します。 PCBの反りを防ぐ方法 PCBの反り防止を見る前に、反りの原因についていくつか見てみましょう: パネル内の混在した向き: パネル内での向きを混在させて パネルあたりの基板数を最大化することは、誘惑的です。 CTEとTgの層間不一致:これらの値が一致しない場合、特定の層にストレスが蓄積され、変形を引き起こし、歪みが生じます。 非対称スタックアップ:CTE/Tgの不一致に加えて、層スタックの非対称性が大きい場合、非対称性は一部の層に平面ストレスを与え、歪みを引き起こします。 リフロー/ウェーブ:過度のリフロー、ウェーブ、および再作業サイクルを繰り返すことで、歪みが蓄積されることがあります。また、はんだ付け中に基板をクランプすると、歪みが生じることがあります。 これらは、設計者と製造者が対処する必要がある基板の歪みの主な原因のいくつかです。 パネルサイズのための設計 常にこれを行うことができるわけではありませんが、スループットと収率の目的でこれを考慮することは重要です。混在した向きを必要としないように基板を設計できれば、歪みのリスクを回避できます。パネル内の基板の混在した向きは、一部の基板がガラス繊維のストランドの長軸およびパネルの長辺に沿っていないことを意味します。 ほとんどの場合、これは問題になりません。しかし、以下のガイドラインのいずれかに従わない場合、混在する向きが原因でボードの一部が反りやすくなる可能性があります。その結果、同じパネル内の一部のボードが反ってしまい、他のボードは反らない可能性があります。以下のガイドラインのいくつかを無視してボードを設計する必要がある場合は、可能であれば、反りやすいボードをすべて同じ向きに配置できるようにしましょう。つまり、ボードの長い辺をパネルの長い辺に沿って配置します。 スタックアップでの材料のマッチング これは、設計者が製造業者と協力して、ボードが仕様通りに製造できるようにし、生産中にボードが反らないようにする必要がある場面です。自分自身でPCBスタックアップを設計し、異なる材料を混合している場合は、Tg値とCTE値が互いに互換性があることを確認してください。言い換えれば、温度がTgを超えたときのTg値とCTE値はすべて似ている必要があります。 これを行う理由は、PCBスタックアップ内のすべての材料のCTE値に一般的な不一致を防ぐためです。一般に、CTEの不一致はスタックアップ全体で不均一な膨張を引き起こし、これは既に運用中の信頼性の問題を生じさせることが知られています。 特に高アスペクト比のビアでの亀裂。同じタイプのCTEの不一致もスタックアップの設計で避けるべきです。 銅を対称に配置する これは、私が協力するメーカーと矛盾するように古い設計者が試みる場合の一例です。銅の配置は、ボードが反りを伴わずに製造される唯一の方法としてしばしば引用されます。完全に反りをなくすことはできませんが、ボードの反りが組み立て欠陥を引き起こさないほど低くすることはできます。銅の配置は、設計者が対向する層上の銅をバランスさせるために使用できるツールの一つです。