PCB設計工芸技術標準は良率にどのような影響を与えるのか
PCB製造において、良率は企業の競争力を左右する重要な指標です。そして、その良率に大きな影響を与える要因の一つが、PCB設計工芸技術標準がどの程度正確に実行されているかという点です。多くの企業が高性能な製造設備に多額の投資を行っていますが、設計工芸技術標準の重要性を軽視してしまい、結果として良率が思うように向上しないケースも少なくありません。本記事では、PCBGOGOの3つの実務事例をもとに、PCB設計工芸技術標準が良率へどのように影響するのか、また企業がどのように標準化運用によって良率を向上させられるのかを解説します。
PCB設計工芸技術標準が良率に与える影響の全体像
PCB設計工芸技術標準は、設計、材料、製造プロセス、検査という4つの工程すべてに影響しますが、特に設計段階の影響が最も大きく、その割合は60パーセント以上を占めます。
設計段階で発生する不具合は先天的欠陥に分類され、後工程でのプロセス調整では補正が困難です。PCBGOGOのDFMデータによると、約70パーセントの良率低下要因は、線幅や線間距離の不足、不適切なビア設計、パッケージ間隔不足など、設計段階で設計工芸技術標準が遵守されていないことに起因しています。
事例1 線幅と線間距離が標準未達で発生したエッチング短絡
ある消費者向け電子機器メーカーは、スマートウォッチ用PCBの製造をPCBGOGOへ依頼しました。設計上の線幅および線間距離は2milと設定されていました。
しかし、IPC 2221 印刷配線板設計通則によると、一般的なFR 4基板では最小線幅および線間距離は3mil以上が必要です。2mil設計はHDI基板向け条件であり、特殊材料と高難度プロセスが前提となります。
当該顧客はコスト削減のため通常のFR 4材料を選択し、設計条件の詳細を事前に共有していませんでした。その結果、エッチング工程で側面腐食が発生し、配線短絡が多発しました。初回試作の良率は58パーセントにとどまりました。
PCBGOGOのエンジニアはIPC 2221および社内HDI基準に基づき、線幅と線間距離を3milへ変更すること、高Tg FR 4材料への切り替えを提案しました。さらに高精度エッチング装置とリアルタイム監視を導入し、エッチングファクターを3.5以上に制御しました。
AOI外観検査と電気検査を組み合わせた結果、最終的に良率は99.3パーセントまで向上し、製造コストも15パーセント削減されました。
事例2 不適切なビア設計によるスルーホール内空洞
産業用制御機器向けPLC基板の設計では、ビア径0.3mm、導体径0.25mmが指定されていました。
IPC 2221では、ビア径は導体径より0.2mm以上大きく設定することが推奨されており、本来は0.45mm以上が必要です。配線密度を優先してビア径を縮小した結果、めっき工程で薬液の流動が不十分となり、スルーホール内に空洞が発生しました。
初回試作では約30パーセントの基板が電気性能不良で不合格となりました。
PCBGOGOはビア径を0.5mmへ拡大し、さらにブラインドビアと埋め込みビア構造を採用する設計改善を提案しました。製造工程ではパルス電解めっき技術を導入し、めっき層の均一性を確保しました。
これにより空洞問題は完全に解消され、良率は99.5パーセントへ改善しました。顧客は以降すべての製品でPCBGOGOの設計指針を採用し、生産効率は20パーセント向上しました。
事例3 パッケージ間隔不足による実装不良
ある車載電子機器メーカーが設計したカーナビゲーション用PCBでは、BGAパッケージのピッチが0.4mmに設定されていました。
IPC 7351 表面実装部品およびフットプリント設計標準では、BGAパッケージの最小ピッチは0.5mm以上が推奨されています。0.4mm設計では、はんだペースト印刷が不均一になりやすく、実装不良のリスクが高まります。
実際、SMT工程で未はんだやブリッジが多発し、初回試作の良率は62パーセントに低下しました。
PCBGOGOはBGAピッチを0.5mmへ拡大し、ランドサイズを最適化する設計修正を提案しました。製造工程では高精度マウンターとはんだペーストレーザー印刷装置を使用し、印刷精度を安定化させました。
結果として、はんだ不良率は0.1パーセント未満に低減し、良率は99.4パーセントに向上しました。この製品は車載規格認証を取得し、市場販売数は30パーセント増加しました。
標準化運用によって良率を向上させるために
これらの事例から分かる通り、PCB設計工芸技術標準は良率に対して決定的な影響を持ちます。
企業が良率を向上させるためには、設計段階でIPC規格および製造メーカーのDFMルールを厳格に遵守し、先天的欠陥を排除することが重要です。
材料選定では、用途や信頼性要求に応じて標準に適合した材料を選択します。製造工程では標準化された作業フローと安定したプロセス条件を維持し、検査工程では高精度検査装置を用いて規格に基づいた厳密な判定を行う必要があります。
PCB設計工芸技術標準を正しく理解し、設計から量産まで一貫して実行することが、高良率製造への最短ルートと言えるでしょう。
