最も一般的なPCB欠陥とその解決策

プリント基板には多くの問題があるが、その中にはあまり目立たないものもある。これらの問題は実装不良と呼ばれ、診断には専門知識が必要です。例えば、静電気放電、化学物質の漏れ、パッドの浮き上がり、コンポーネントのシフトなどはすべて故障の原因として考えられます。故障モードを特定するには、PCBが故障するまでストレステストを行う必要があります。

静電気放電

静電気放電（ESD）は、電子回路における一般的な問題である。静電気放電は、電子部品の誤った取り扱いや過大な電圧レベルに起因します。多くの場合、結果として生じる損傷は潜在的または致命的なものです。この問題は、PCBを部分的または完全に機能不全に陥らせます。

静電気放電を検出して修理する方法はいくつかあります。目に見えて製品の性能に影響するものもあれば、そうでないものもあります。最初の方法は、デバイスを検査し、コンポーネントが影響を受けているかどうかを判断することです。場合によっては、回路基板上に極小の穴が現れます。

化学物質の漏洩

PCBに含まれる化学物質の漏洩は、多くの産業にとって問題となりうる。米国では1977年にPCBの生産が禁止されたが、環境中にはまだごく微量しか存在しない。環境循環が環境中のPCBの主な発生源であり、PCBは生態系全体に運ばれる。これらの汚染物質は低レベルではあるが、人間や環境に深刻な影響を及ぼす可能性がある。

電子機器への使用だけでなく、1950年代から1970年代にかけて、PCBは校舎の建設にも使われた。多くの学校でPCBを含むコーキング材や蛍光灯器具が使われていた。これらの製品の問題は、PCBが漏れて他の建材や土壌を汚染することだった。これが広範囲に汚染を引き起こしたため、禁止されたのである。

リフトアップパッド

パッドの浮き上がりは、はんだ付け時の過剰な熱や力など、さまざまな原因で発生します。その結果、満足のいくはんだ接合にならないことがあります。このような欠陥は再はんだ付けを必要とし、短絡の危険にもつながります。パッドが浮き上がるその他の原因としては、汚染物質の混入、洗浄不良、フラックス不足などがあります。パッドの浮き上がりは、回路の機能や基板の外観に影響を与えます。

パッドの浮き上がりは、銅の層が薄く、スルー・メッキが施されていない基板で最も頻繁に起こります。浮き上がりの根本原因を特定することは、さらなる損傷を防ぐために極めて重要です。片面回路基板の場合、問題は不適切なウェーブはんだ付けの結果であることが多い。プリント基板を扱う際には細心の注意を払い、部品を扱う際には過度の力を加えないようにすることで、リフトを防ぐことができます。

コンポーネント・シフト

部品ズレは、PCBアセンブリで遭遇する最も一般的な欠陥の1つです。これは、部品の誤った配置を含む多くの要因によって引き起こされる可能性があります。例えば、正しい向きで配置されていない部品が浮いてしまい、部品の位置がずれてしまうことがあります。

場合によっては、部品がずれる原因は、パッド形状に対する部品のミスマッチにある。このため、部品は最も近い熱質量に向かって移動する。その他の原因としては、リード線の曲がり、部品の不適切な配置、酸化などがあります。幸いなことに、部品の移動には多くの解決策がある。例えば、正しいリフロー・プロファイルを守ること、未リフロー組立工程での移動を減らすこと、積極的なフラックスを使用することなどは、いずれも部品の移動を最小限に抑えるのに役立ちます。

はんだボールの欠陥

はんだボールの欠陥は、SMTアセンブリプロセスで一般的です。これは、はんだ本体から分離したはんだボールのことです。これを防ぐには、チップマウンターの実装圧力を正確に設定する必要があります。これにより、はんだペーストがパッドから絞り出されるのを防ぎ、はんだペーストが適切に生成される可能性が高まります。

良いはんだ接合部は、きれいで、対称的で、凹んだ形をしている。一方、悪いはんだ接合部は大きく、軸が長い。もうひとつの一般的な欠陥は接合部の乱れで、薄片状、歪み、不均一な外観を持つ。

サーマルイメージング

赤外線画像は品質管理のための強力なツールであり、プリント基板や部品の修理を迅速化します。ホットスポットを特定することで、不良部品や電力を過剰に消費している箇所を特定できます。この情報は、設計者が消費電力を削減し、バッテリーを長持ちさせるのに役立ちます。サーマルイメージングはまた、熱管理が不十分な領域を検出し、冷却の強化、ヒートシンクの大型化、あるいは再設計を必要とする場合もあります。

PCB欠陥の赤外線画像は、設計者やエンジニアが欠陥の原因を特定するのにも役立ちます。テストボードが品質管理テストに合格しなかった場合、赤外線サーモグラフィで問題を明らかにすることができます。また、基板の異なる2つの領域の温度差を表示し、2つの領域がどのように異なるかを明らかにすることもできます。

高熱伝導PCB材料が放熱問題を解決する方法

プリント基板とも呼ばれるPCBは、銅箔をガラス-エポキシ層で挟んだ層構造である。これらの層は、部品を機械的・電気的に支える役割を果たします。高導電性の銅箔はPCBの導電回路として機能し、ガラスエポキシ層は非導電性の基板として機能します。

高熱伝導性プリント基板材料

熱伝導率とは、デバイスから熱を逃がす材料の能力である。熱伝導率が低いほど、デバイスの効率は低下する。熱伝導率の高い材料は、ビアの必要性をなくし、より均一な温度分布を作り出すことができます。また、大電流部品付近のホットスポットにつながる局所的な体積膨張のリスクも低減します。

パーソナル・コンピューター用の典型的なPCBは、2つの銅プレーンと2つの外側トレース層で構成されている。その厚さは約70umで、熱伝導率は17.4W/mKである。その結果、典型的なPCBは効率的な熱伝導体ではありません。

銅貨

銅コインは、プリント基板に埋め込まれた小さな銅片です。最も熱を発する部品の下に置かれます。熱伝導率が高いため、発熱部品からヒートシンクに熱を伝えることができます。銅コインは様々な形や大きさで作ることができ、希望する場所にフィットさせることができます。

ガラス-エポキシ

電子機器において、放熱の問題はより重要になってきている。過剰な熱は性能低下や早期故障につながる可能性がある。現在、放熱の選択肢は限られており、特に極端な環境ではその傾向が顕著である。この問題に対する解決策のひとつが、高温ガラスエポキシPCB材料（HDI-PCB）の使用である。この材料は、FR4コンポジットの200倍以上の熱伝導率を持つことにより、この問題を解決することができる。

ガラスエポキシ樹脂は耐熱性、難燃性に優れている。ガラス転移温度が高く、熱伝導率が高い。断熱層、放熱層として機能する。それは含浸またはコーティングによって作ることができる。ガラスエポキシPCBの熱伝導率は、電子部品の性能と安定性を向上させます。

メタルコアPCB

メタルコアPCBメーカーは、高温に耐える新しい基板を導入した。これにより、熱伝導率の高い銅層を選択的に厚くすることができます。このタイプのPCBはより良い放熱を可能にし、微細な回路パターンや高密度チップパッケージングに使用することができます。

より高い熱伝導性に加え、メタルPCBは寸法的にも安定しています。アルミメタルコアPCBは、加熱時の寸法変化が2.5-3%であり、ハイパワーアプリケーションに最適です。また、熱膨張率が低いため、高スイッチング電力にも適しています。メタルコアPCBに最もよく使用される金属はアルミニウムで、安価でリサイクル可能です。熱伝導率が高いため、冷却プロセスが速い。

放熱に関連するもう一つの問題は、過剰な熱のリスクである。発熱部品から発生する熱を基板から除去しなければ、PCBは最高の性能を発揮できません。幸いなことに、現在ではこの問題を解決する新しい選択肢があります。高熱伝導性メタルコアPCBは、これらの問題を克服できる新しいタイプのサーマルソリューションです。

FR4基板

PCBは、銅箔とガラス強化ポリマーでできた層状の構造体である。電子部品を支え、接続する。銅はPCB内に導電性回路を作り、ガラスエポキシ層は非導電性基板として機能します。

大電力部品は、プリント基板の端ではなく中央付近に配置するのが最適です。これは、エッジ付近では熱が蓄積され、外に散らばってしまうからです。また、大電力部品からの熱は、敏感なデバイスから離れた場所に配置し、PCBを通して熱を逃がす必要があります。

高熱伝導性PCB材料は熱放散に最適なソリューションであり、熱の迅速な伝達を可能にし、熱の蓄積を防ぎます。ハイテクPCBは、基板材料として銅ベース、アルミニウム、またはセラミックを使用しています。これにより、放熱の問題が解決され、PCBの耐久性が向上します。

PCBプロジェクトを発注する前に知っておくべきこと

PCBプロジェクトを注文する場合、注意すべき点がいくつかあります。例えば、注文前にトレースをダブルチェックする必要があります。さらに、BOMとドリルファイルが一致していることを確認する必要があります。さらに、正しい材料を選択する必要があります。

トレースのダブルチェック

PCBメーカーにPCBを注文する際は、基板上のトレースと間隔を再確認することが重要です。あなたのプロジェクトのトレースの厚さと幅は、回路を流れることができる電流の量を決定します。オンライン・トレース幅計算機を使って、理想的なトレース幅を見つけることができます。こうすることで、接続が切れる可能性を減らすことができます。

BOMのチェック

PCB部品を注文する最初のステップは、BOMをチェックすることです。部品番号の欠落や間違いを避けるのに役立ちます。BOMを使用することは、部品を調達する際にも有益です。部品の説明は、バイヤーとアセンブリハウスが適切な代替部品を見つけるのに役立ちます。また、部品が正しいMPNを持っているかどうかの確認にも役立ちます。

PCBプロジェクトをメーカーに送る前に、BOMをチェックすることが重要です。小さなミスでもPCB組み立て工程で問題を引き起こす可能性があるからです。また、BOMに加えられた変更を記録し、明確にラベル付けする必要があります。BOMの最新バージョンは、あなたが使用すべきものです。

BOMを入手したら、注文する部品のコストを調べる必要がある。あなたが支払うことになるものを正確に知ることが重要です。部品の価格は、あなたのPCBプロジェクトのBOMと一致する必要があります。そうでない場合は、部品を交換するか、あるいは設計を変更しなければならないかもしれません。

ドリルファイルのチェック

PCB製造会社にPCBプロジェクトを発注する前に、ドリルファイルを簡単にチェックすることができます。しかし、注文する前に覚えておかなければならない重要なことがいくつかあります。最初のステップは、ファイルが正しい形式であることを確認することです。ガーバーファイルビューアーを使用して、ファイルをダブルチェックすることができます。

ドリルファイルとは、PCB上の穴あけ位置を説明する二次ファイルです。このファイルはガーバーファイルと一緒に送信する必要があります。Drill ファイルが穴の位置やサイズを指定しない場合、PCB 注文は審査に落ちます。

ドリルファイルには工具リストも含まれていなければならない。各コンポーネントの穴に必要な工具のリストである。工具リストはドリルファイルに埋め込むか、別のテキストファイルとして送信する。この工具リストを製作図面に記載しないと、自動検証ができなくなり、データ入力時にミスが多くなる。

正しい素材の選択

PCBプロジェクトに適切な材料を選択することは不可欠です。PCB材料の物理的特性は、基板の性能に大きく影響します。例えば、誘電率が低いと誘電体が薄くなり、基板の厚みが薄くなりますが、誘電率が高いと損失が大きくなります。この情報は、PCB材料の選択を絞り込み、必要な性能を提供するものを見つけるのに役立ちます。

次に、PCB上の配線層の数を決定する必要があります。単純なPCB設計の場合、1層か2層しかないかもしれませんが、中程度に複雑な設計の場合、4層から6層が必要になるかもしれません。より複雑な設計では、8層以上が必要になるかもしれません。層数は、PCBプロジェクトのコストに直接影響します。

プリント基板の色から表面仕上げを知る方法

If you’re wondering how to know the surface finish of a PCB, you’re not alone. The color of a PCB can reveal its surface finish. You may also see a color designation called ENIG or Hard gold, Silver, or Light red. Regardless of what you see, you’ll want to make sure the PCB is plated to protect the surface.

ENIG

ENIG surface finish is one of the most popular finishes for PCBs. It is made by combining gold and nickel. The gold helps protect the nickel layer from oxidation, and nickel acts as a diffusion barrier. The gold layer has a low contact resistance and is usually a thin layer. The thickness of the gold layer should be consistent with the requirements of the circuit board. This surface finish helps extend the life of the circuit board. It also has excellent electrical performance and enhances electrical conduction between the PCB’s components.

ENIG surface finish has a higher cost but a high success rate. It is resistant to multiple thermal cycles and displays good solderability and wire bonding. It is composed of two metallic layers: a layer of nickel protects the base copper layer from corrosion, and a layer of gold acts as an anti-corrosion layer for the nickel. ENIG is suitable for devices that require high levels of solderability and tight tolerances. ENIG is also lead-free.

Hard gold

Hard gold is a costly PCB surface finish. It is a high-quality, durable finish that is often reserved for components that see a high level of wear and tear. Hard gold is usually applied to edge connectors. Its main use is to provide a durable surface for components that undergo frequent actuation, such as battery contacts or keyboard contacts.

Hard electrolytic gold is a gold plated layer over a nickel barrier coat. It is the most durable of the two and is typically applied to areas that are susceptible to wear and tear. However, this surface finish is very expensive and has a low solderability factor.

Silver

Depending on the PCB’s composition, it can be produced with different colors and finishes. The three most common colors for PCB surfaces are silver, gold, and light red. PCBs with a gold surface finish are usually the most expensive, while those with a silver finish are cheaper. The circuit on the PCB is primarily made of pure copper. Because copper oxidizes easily when exposed to air, it is very important to protect the outer layer of the PCB with a protective coating.

Silver surface finishes can be applied using two different techniques. The first technique is immersion, in which the board is immersed in a solution containing gold ions. The gold ions on the board react with the nickel and form a film that covers the surface. The thickness of the gold layer must be controlled so that the copper and nickel can remain solderable, and the copper is protected from oxygen molecules.

Light red

The surface finish of a PCB can be glossy, non-glossy, or light red. A non-glossy finish tends to have a more porous look, and a glossy finish tends to be reflective and hard shell-like. Green is the most popular PCB color, and it’s also one of the least expensive. It’s important to clean PCBs before using them to avoid oxidation.

Although solder mask color isn’t a direct reflection of PCB performance, some manufacturers use it as a design tool. The color is ideal for PCBs that require brilliant visibility and sharp contrasts. Red PCBs are also attractive when combined with silkscreens.

Electroless palladium

Using the electroless palladium surface finish on your PCBs prevents the formation of black pads on the board, and has many benefits, including excellent solderability and aluminum and silver wire bonding. This type of finish also has an extremely long shelf life. However, it is also more expensive than other finishes and requires a longer lead time.

The ENEPIG PCB surface finish process involves several steps, each of which requires careful monitoring. In the first step, copper is activated, followed by the deposition of electroless nickel and palladium. After that, the circuit board goes through a cleaning procedure, to remove oxidation residues and dust from the surface.

Lead-free HASL

If you’re looking for a new PCB, you may wonder how to tell lead-free HASL surface finishes from lead-based PCBs. While HASL has an attractive look, it’s not ideal for surface-mount components. This kind of finish is not flat, and larger components, like resistors, can’t align properly. Lead-free HASL, on the other hand, is flat, and does not use lead-based solder. Instead, it uses a copper-based solder that is RoHS compliant.

HASL offers high-quality solderability, and it can withstand multiple thermal cycles. It was once the industry standard, but the introduction of RoHS standards pushed it out of compliance. Nowadays, lead-free HASL is more acceptable in terms of environmental impact, as well as safety, and is a more efficient choice for electronic components. It also aligns more closely with the RoHS directive.