22 解ける デザイン PCB製造における問題点 およびDFM解析のリファレンス
新規プロジェクトの計画段階において、あらゆる業種の企業は通常、PCBの量産における技術的および財務的な側面に重点を置きます。このプロセスでは、PCBの製造コストを最小限に抑え、設計変更を避ける必要があります。そうしなければ、利益率に悪影響が及ぶからです。修正を避けるため、エンジニアはPCBのレイアウトを入念に設計し、円滑な PCBの製造工程. CAMデータを受け取った後、サプライヤーはしばしば些細な誤りを修正することになり、それによって追加のコストと時間がかかります。本記事では、PCB製造の改善につながる22の「製造を考慮した設計（DFM）」上の課題をまとめ、製品設計者、エンジニア、購買担当者が、現在のPCB設計プロジェクトにおける潜在的な製造上の問題を迅速に分析できるよう支援します。.
PCBにおけるDFMとは何ですか？
DFMとは「Design for Manufacturability（製造適性設計）」の略称です。これは、製造上の問題を軽減するのに役立つ取り組みです。設計ルールでは、クリアランスや公差を定義します。したがって、PCBのDFMでは、実際の用途に耐えうる基板を準備します。公差は実際のシステムに合わせて設定する必要があります。 PCBレイアウト段階では、設計者はPCB DFMチェックリストに従います。このプロセスは、製造段階に向けてPCBの設計を最適化するのに役立ちます。これにより、コスト削減と品質向上を実現するとともに、設計者が設計を製造するたびにDFMチェックを行うよう促す役割も果たします。 PCB DFMは、部門横断的なチームワークやサプライチェーン内のチームとの連携における中核的な要素であり、製品設計プロセス全体においても不可欠な部分です。.
PCB設計に関する22の質問とDFM解析の参考資料
以下は、Geyuan Electronicsのエンジニアリングチームがまとめた、PCB製造前に回避できる22のPCB設計ミスの一覧です。エンジニアであれば誰もが経験したことがあるでしょう。苦労してプロジェクトを完了し、基板を仕上げた後、試作のために送り出したものの、サンプルが届いてみると、これまでの努力がすべて水の泡になってしまったという事態です。 基板に生じる具体的な問題は、設計に起因する場合もあれば、製造に起因する場合もあります。もちろん、多くの問題は製造前に回避することが可能です。当社がまとめた「回避可能なPCB設計ミス22選」は、効率的で欠陥のないPCBを製造する上で役立つでしょう。.
1. 不完全または無効な設計文書
Gerber、ODB++、BOMファイルのいずれであっても、入力ファイルには、レイヤー画像、部品表、基板外形図、IPCネットリスト、マスター図面、レイヤー順序などの重要な情報が含まれています。仕様に不備があると、後の工程で問題が生じる可能性があります。したがって、生産に提出する前に、必須の文書をすべて確認する必要があります。.
2. 不適切な基材
回路によっては、その機能に応じて特殊な材料が必要となる場合があります。例えば、一般的な基板では高周波信号を適切に処理することができません。そのような場合、メーカーは初期段階で材料要件について検討し、適切なPCB基板材料を選定する必要があります。.
3. ケーブルの幅が不適切
回路内のすべての部品は、銅の配線で接続されています。配線に欠陥があると、短絡、信号の歪み、過熱を引き起こす可能性があります。導体（配線）の電流容量は、その幅が広いほど大きくなります。配線に流れる電流が大きくなると、より多くの熱が発生し、基板の過熱につながります。 したがって、回路の要件に応じて導体の幅を最適化し、外層の配線幅を4ミル以上に保つようにしてください。オンラインツールを使用すれば、配線幅、電流容量、および温度上昇を最適化することができます。.
4. ケーブルの間隔が不適切
回路レイアウトのコンパクト化を優先して導体間隔を犠牲にしないようにしてください。トレース間隔が不十分だと、フラッシュオーバーやクロストークが発生する恐れがあります。標準的なガイドラインに従い、導体間に十分なクリアランスを確保する必要があります。トレース幅と同様に、導体間隔および電圧計算ツールを使用して、導体間の最適な間隔を算出することができます。.
5. 酸トラップ
配線作業中、トレースのいずれかが鋭角（90°未満）を形成すると、酸の溜まり場が生じます。エッチング作業中、残留酸がこの曲がり部分に溜まり、トレースの過エッチングを引き起こす可能性があります。酸の溜まり場は、以下の方法で回避できます。 PCB設計 ルーター加工中に鋭角の曲がりが生じないようにすることで。.
6. 配線やドリル穴と端との距離が不十分
回路レイアウトでは、エッジと配線の間隔を最適な状態に保つ必要があります。何らかの理由で間隔を狭めると、脱メタリゼーションの過程で外部の導体が部分的に削り取られたり、切断されたりする恐れがあります。銅と基板エッジの間隔が不十分だと、銅が露出したり、エッジにバリが発生したりする原因となります。.
7. 穴あけ工程のエラー
In プリント基板（PCB）, 、メーカーはビア、位置合わせ、部品配置など、さまざまな目的で穴を開けます。穴あけは元に戻せない工程であり、不必要な穴あけは設計を台無しにしてしまう可能性があります。その他に考慮すべき要素としては、穴のサイズ、間隔、アスペクト比、基板上の穴の数、および加工方法（レーザー／機械式）などが挙げられます。 穴あけに影響を与える一般的なエラーには、穴のリング状の跡や、ドリルビットと銅箔との間の距離が不十分なことが挙げられます。.
8. リングの欠陥
環状リングは、ビアと配線を接続する役割を果たします。環状リングの直径が不十分な場合、導体とビア間の信号の流れが遮断されてしまいます。 ドリル加工後の穴には±2ミル程度の公差が生じる場合があるため、公差が2ミル未満になると、アニュラーリングが破損する可能性があります。その結果、開回路が発生します。さらに、部品用穴のアニュラーリングが不十分な場合、実装後のはんだ接合不良につながる恐れがあります。.
9. ソルダーマスクのエラー
PCB上のソルダーマスクは、表面を汚染から保護し、接続部を隔離する役割を果たします。メーカーは、はんだ付け工程において、部品を実装するための領域（フットプリントやパッド）を露出させます。ビアのマスク開口部と隣接する部品開口部の間に適切なクリアランスが確保されていない場合、組立時のはんだブリッジの発生につながり、はんだ接合不良や生産性の低下を招く恐れがあります。 したがって、ビア開口部と隣接する部品開口部の間には、必要なソルダーマスク層を確保する必要があります。一方、ソルダーマスク層が不適切な場合、ソルダーホールが発生し、銅が露出して腐食の原因となる可能性があります。.
10. 銅とソルダーレジスト
銅ストリップとは、印刷工程で形成される、結合が緩い薄い残留銅片のことです。電気めっきの際、これらの結合が緩いストリップが剥がれ落ち、めっき液中に混入することがあります。これらのフォトレジストの破片は、回路基板上のどこにでも共沈着し、短絡を引き起こす可能性があります。 同時に、フォトレジストが除去された箇所では、回路基板上に不要な銅が残留し、その機能性に影響を及ぼす可能性があります。ソルダーマスクストリップは、ソルダーマスクの露光工程で形成され、はんだブリッジを防ぐためにソルダーマスク層を所定の位置に保持します。 ダムの厚さが4ミル未満の場合、結合が緩いこれらのダムはストリップ状になり、現像工程中に洗い流されてしまう可能性があります。.
11. ヒートシンク
はんだ付け工程では過剰な熱が発生し、回路基板を損傷させるおそれがあります。これを防ぐためには、十分な熱伝導パッドを設ける必要があります。熱伝導パッドは、「ヒートプレート」と呼ばれる小さな銅のスポークで構成されており、熱伝導を助ける役割を果たします。これらのヒートプレートがはんだパッドや平面から切り離されている場合、それらは「スターブド・ヒートプレート」と呼ばれます。 ヒートプレートが不十分だと、熱伝導性が低下し、回路基板が過熱する原因となります。.
12. スクリーン印刷のエラー
スクリーン印刷は製造工程の後半で行われます。スクリーン印刷がパッド、PCB表面、穴などと重なると、組み立て時に問題が生じる可能性があります。例えば、スクリーン印刷がパッドに付着すると、はんだ接合部に溶け込んで、接続不良を引き起こす恐れがあります。.
13. 組立重視のPCB設計
組立を考慮した設計（DFA）は、設計者の構想と実際の製造プロセスとの間のギャップを埋めるものです。部品の入手可能性や配置を確認する必要がありますが、DFAを活用することでPCBレイアウトを簡素化し、プロジェクト全体のコスト削減や設計失敗の可能性を低減することができます。 .
14. データの非効率性
DFMと同様に、設計が組立工程に入る前に、すべての基本データシートや、パッケージ寸法、XYデータ、DNI仕様、SIデータ、部品番号などの主要なパラメータを確認しておく必要があります。これにより、その後の修正や確認作業を回避することができます。.
15. 誤った部品の選択
部品の選定は、組み立て工程に影響を与えます。例えば、スルーホール部品は、表面実装技術（SMT）に比べて製造工程が複雑になります。したがって、必要な場合にのみ使用するのが最善です。 標準部品は複数のサプライヤーから容易に入手できるため、常にカスタム部品よりも標準部品を選択するようにしてください。一方、カスタム部品は大量生産には不向きな場合が多く、特定のサプライヤーからのみ調達できるため、コスト増につながります。.
16. コンポーネントの入手可能性
部品表（BOM）を作成する前に、常に部品の入手可能性を確認する必要があります。供給が不足している場合は、別のサプライヤーから代替部品を使用する準備をしておくべきです。現在、BOMの部品情報を照会できるウェブサイトが数多くあり、部品に関する情報や在庫切れの通知を提供しています。.
17. オブジェクトのパッケージングが不適切です
部品表（BOM）には、回路基板の組み立てに必要なすべての部品が明記されています。BOMに指定された部品の寸法がCADパッケージのデータと一致しない場合、回路の完成が困難になります。これにより、自動組立ラインにおいて重大な問題が生じます。この状況を是正するには、多大な時間とコストがかかります。 したがって、設計段階において、部品の寸法を慎重に確認する必要があります。.
18. コンポーネントの間隔が不十分
部品配置時の間隔が不十分だと、部品が重なったり、はんだブリッジが発生したりする恐れがあります。部品間に適切なクリアランスを確保することで、手作業によるはんだ付けやリワークも容易になります。 QFP/QFN、POP、BGAなどの繊細な部品の配置間隔には特に注意を払ってください。フォームファクタを小型化するために、部品が非常に密に配置される場合があります。部品間隔に誤差が生じないよう、間隔に関するガイドラインに従うことが最善です。.
19. コンポーネントとエッジ間の間隔が不十分
組み立て後、パネルはデパネリング処理が行われます。この処理中、回路基板の端にある部品は、損傷を引き起こす可能性のある高い応力に耐えなければなりません。 したがって、部品と端部の間には十分な間隔を確保する必要があります。さらに、間隔の設定は組立プロセスによって異なります。手作業による組立では、自動組立に比べて、部品を端部に近づけて配置することができます。.
20. パッドのサイズと間隔が不適切
パッドサイズを小さくしすぎると、SMT部品のはんだ接合不良を招く可能性があり、スルーホール部品に適用した場合には破損につながる恐れさえあります。一方で、パッドサイズをできるだけ大きくすることも、おそらく解決策にはなりません。パッドが広すぎるとスペースを多く占有し、はんだ付け中にSMT部品が位置からずれてしまう原因となる可能性があります。 パッドサイズと同様に、パッド間隔も近すぎたり遠すぎたりしてはいけません。間隔が適切でないと、部品の配置時に問題が生じる恐れがあります。.
21. シルクスクリーン印刷のエラー
シルクスクリーン層には、重要な情報が数多く含まれています。その例としては、部品の向きを示すマーク、ピン1のマーク、極性のマーク、カソードのマークなどが挙げられます。これらの詳細情報が欠けていたり、不明確であったりすると、組立工場では正しいデータを確認するために時間を浪費することになります。 最悪の場合、シルクスクリーンに極性やその他のデータが誤って印刷され、組み立て担当者がそれに従って部品を実装すると、回路基板が誤動作する恐れがあります。組み立てを開始する前に、シルクスクリーンが明確に読み取れることを確認する必要があります。.
22. 高温エラー
はんだ付け工程では、過度な熱が発生して回路基板を損傷する恐れがあるため、製造業者は細心の注意を払う必要があります。この工程で発生する熱を適切に制御することが極めて重要です。効果的な放熱を行うために、十分な熱伝導パッドを用意してください。DFMおよびDFAのガイドラインを活用することで、PCB設計上の問題を回避し、設計ミスの影響を最小限に抑えることができます。 市場にはいくつかのDFM設計ツールが流通しており、私自身も実際にいくつか試してみたところ、非常に優れたものがありました。ご自身のニーズに合ったものをお選びください。.
PCB設計におけるDFMの主な役割
DFMは、高品質なPCB製品を製造するために不可欠なプロセスです。適切な製造性解析を行って初めて、設計要件を満たす製品を製造することができ、それによって最終製品の品質が確保されます。以下に、PCB設計におけるDFMの役割について説明します。.
製造可能性を確保する
設計が、製造装置（エッチングライン、ドリル機、ピック・アンド・プレース機、リフロー炉、AOIなど）の物理的性能および工程上の制約（最小線幅・線間隔、最小穴径、パッドサイズ、ソルダーマスクのブリッジ幅など）に適合しているかどうかを確認してください。.
生産歩留まりの向上
製造上の欠陥につながる可能性のある設計上の問題（短絡を引き起こしやすい間隔の不足、断線しやすい脆弱な配線、トゥームストーニングが発生しやすいパッド設計、はんだブリッジの原因となる過度に狭いパッケージ間隔など）を特定・修正し、それによって生産工程における不良品や手直しを削減する。.
製造コストを削減する
不良品や手直しを減らすことは、材料や労力の直接的な無駄を削減することにつながります。設計を最適化することで、標準的な材料、標準的な開口部、標準的な寸法の採用が容易になり、特殊な工程や高コストな工程の使用を回避できます。また、自動化生産を促進し、生産効率を向上させます。.
製品投入サイクルを短縮する
設計段階の早い段階で製造上の課題に対処することで、設計のやり直しによる生産遅延を大幅に削減でき、設計段階からより迅速に製品を市場に投入することが可能になります。.
製品の信頼性を向上させる
潜在的な問題につながる可能性のある設計上の欠陥（熱応力の集中箇所、放熱性の低さ、機械的強度が不十分なビアなど）を回避することで、最終製品の長期的な安定性と信頼性を向上させることができます。.
設計と製造部門間の連携を促進する
設計プロセスの早い段階で製造上のルールやノウハウを取り入れることで、設計チームと製造チーム間のコミュニケーションが円滑になり、情報の非対称性によって生じる問題を減らすことができます。.
設計の反復回数を減らす
DFM解析により、設計段階（PCB製造前であっても）で数多くの潜在的な製造上の問題を特定できるため、設計エンジニアはタイムリーに修正を加えることができ、従来の方式のように設計をメーカーに送って修正を依頼するという時間のかかるプロセスを回避できます。.
初回生産の成功率を大幅に向上させます。.
DFMによって最適化された設計は、初回生産での成功率が高く、設計上の欠陥に起因する量産失敗のリスクを大幅に低減します。.
生産の歩留まりを大幅に向上させる
これが最も直接的な経済的メリットです。短絡、断線、はんだ付け不良、トゥームストーニングといった一般的な欠陥を回避することで、投入された基板総数に対する合格品の割合が大幅に向上します。歩留まりの向上は、そのままコスト削減につながります。.
単位当たりの生産コストを効果的に削減する
材料の無駄の削減（不良品の減少）、設備の稼働率向上（生産ラインの円滑な稼働）、手作業による手直しコストの削減、および大量購入による割引の獲得が容易になる。.
プロセスを最適化し、生産効率を向上させる
例えば、合理的な設計は基板の組み立てを容易にし、材料の利用率を最大化します。また、適切な部品の配置や向きは、高速ピック・アンド・プレース機が最適な性能を発揮するのに役立ちます。さらに、銅の均一な配分と配線層のバランスは、基板の反りを抑制するのに役立ちます。.
製品の信頼性を高め、アフターサービス時の故障を減らす（現場での故障率を低減する）。.
熱管理上の問題、電磁両立性（EMC）のリスク、機械的ストレス点といった設計上の欠陥を解消することで、顧客先での製品の耐久性が向上し、メンテナンスコストの削減やブランドイメージの低下を防ぐことができます。.
プロセスの標準化を推進する
DFM（設計、製造、設備）の基準は、企業やサプライヤーが統一された設計・製造ルールベースや検査基準を策定するのに役立つことが多く、それによって設計および製造の全体的な水準を向上させることができます。.
PCBメーカーおよびターンキーEMSサプライヤー
Geyuan Electronicsは、PCBの専門メーカーおよびEMSサプライヤーであり、PCB製造、, プリント基板の組立, 、部品調達、およびターンキー方式の電子機器製造ソリューションを提供しています。当社は、多層基板、HDI基板、高速基板、RF・マイクロ波用基板、厚銅基板、セラミック基板、アルミ基板、フレキシブル基板、リジッドフレックス基板を、試作から量産まで製造しています。 あらゆる種類のPCBをご要望の場合は、プロジェクトの見積もりについてお気軽にお問い合わせください。.
結論
製造適性設計（DFM）の分析を通じてのみ、真に高品質なPCB製品を製造することができます。これは、単純なプロジェクトの設計であれ、複雑で高速な産業用回路基板の設計であれ、同様です。 あらゆるPCB設計においてDFMを念頭に置くことは、担当するプロジェクトに数え切れないほどのメリットをもたらすだけでなく、設計者や会社の将来の受注にも寄与します。これらの手順は製造プロセスを管理し、回路基板製造の総コストを削減します。高品質なPCBが必要な場合は、Geyuan Electronicsのチームまでお問い合わせください。 当社のエンジニアおよび製造チームは、あらゆる種類のPCB製造において豊富な経験を有しています。.