PCBアセンブリは非常に複雑なプロセスであり、精度が常に最重要事項です。たとえわずかな欠陥であっても、電子機器に様々な問題を引き起こす可能性があります。PCBの機能や電子機器への応用に悪影響を与える可能性のある欠陥は数多く存在します。その中で最も蔓延しているのが、いわゆる「PCBトゥームストーン」または「トゥームストーン化」です。しかし、これは一体何なのかご存知ですか？この問題を回避するにはどうすれば良いのでしょうか？その答えを探っていきましょう。
PCB トゥームストーンとは何ですか?
PCBの墓石現象は、マンハッタン効果、ストーンヘンジ効果、または跳ね橋効果とも呼ばれ、表面実装部品の組み立て工程で発生しやすいはんだ付け不良です。この現象は、影響を受けた部品が墓地の墓石のように見えることから、このように呼ばれています。墓石現象が発生すると、表面実装部品（多くの場合、抵抗器やコンデンサなどの受動部品）の一方の端がPCBパッドから浮き上がった状態になり、もう一方の端ははんだ付けされたままになります。この問題は、通常、小型のSMT部品で発生します。サイズが小さいほど、リスクが高くなります。
PCBトゥームストーンの7つの主な原因
本質的に、墓石現象は、はんだ付け工程中に部品に作用する力のバランスが崩れることによって引き起こされます。この現象を理解するには、はんだ付け工程における「濡れ」の概念を探る必要があります。濡れとは、溶融したはんだが部品のリードとPCBパッドの両方の金属表面と結合するプロセスを指します。理想的な状況では、濡れは部品の両端で同時に均一に発生します。しかし、濡れが不均一になると、墓石現象につながる可能性があります。墓石現象を引き起こす不均衡には、いくつかの要因が関係しています。
不均一な温度プロファイル
プリント基板内部の温度勾配により、部品の一方の端が他方の端よりも先に半田付けされることがあります。これは、リフロー炉内の熱分布の不均一性、またはプリント基板材料の熱特性の変化によって引き起こされます。
はんだペーストの塗布が不均一
パッドに塗布されるはんだペーストの量が不均一だと、濡れムラが発生します。はんだペーストの量が不均一になる原因は、通常、ステンシルの設計が不適切であるか、はんだペーストの印刷プロセスが不適切であることが挙げられます。
パッド設計の問題
パッドのサイズが不一致であったり、パッドの配置が適切でなかったりすると、表面張力に差が生じる可能性があります。パッド寸法がわずかに異なるだけでも、特に小型部品の場合は、ツームストーン現象が発生する可能性が高くなります。
コンポーネントの形状
部品の形状や寸法によっては、その物理的特性により、トゥームストーン現象が発生しやすい場合があります。例えば、非対称設計やアスペクト比の大きい部品は、通常、トゥームストーン現象が発生しやすい傾向があります。
PCB材料特性
基板全体における熱伝導率のばらつきは、加熱ムラの主な原因の一つです。これは特に、内層の銅密度が不均一な多層基板において顕著です。
表面仕上げのバリエーション
PCBの表面処理によっては、はんだの濡れ性に影響が出る場合があります。従来の熱風はんだレベリング（HASL）処理は安価ですが、表面に欠陥が生じ、ツームストーン化が促進されます。
コンポーネント配置の問題
PCB 上の部品の位置ずれははんだ付けプロセスに影響し、PCB トゥームストーンが発生するリスクが高くなります。
PCBトゥームストーンの影響
部品のトゥームストーンは軽微な問題のように思えるかもしれませんが、その影響は深刻で広範囲に及ぶ可能性があります。まず、電子機器全体の機能に影響を及ぼします。トゥームストーンが発生すると、回路が断線し、デバイスの部分的な故障、最悪の場合、完全な故障につながります。次に、トゥームストーンが発生した部品が何らかの接触を維持していたとしても、断続的な接続につながり、時間の経過とともに信頼性の低いパフォーマンスにつながる可能性があります。最後に、PCBトゥームストーンの検出と修正は容易ではなく、製造コストと時間の増大につながります。
PCB トゥームストーンを防ぐには?
幸いなことに、PCB 設計者と製造業者がトゥームストーンのリスクを最小限に抑えるために採用できる戦略がいくつかあります。
- パッドの設計を最適化します。一貫したサイズでパッドを設計し、はんだの濡れが良好になるように適切な間隔を確保します。
- リフロー プロファイルを微調整する: はんだ付けプロセス中は、熱バランスを維持するために加熱速度と冷却速度を制御することが重要です。
- はんだペーストの塗布を改善する: 高品質のステンシルを使用し、均一なペーストの堆積のために印刷プロセスを最適化します。
- コンポーネントの向きを考慮する: 均一な加熱を確保するために、リフロー炉上のコンポーネントをボードの移動方向に沿った位置に配置します。
- 適切な PCB 仕上げを使用する: トゥームストーンが発生しやすい小型 SMT コンポーネントの場合は、より均一な表面を提供できる ENIG、浸漬錫、OSP などの仕上げを選択することをお勧めします。
さらに読む：一般的なPCB表面処理8種類：適切なものを選ぶには？
- コンポーネントの配置を改善: 高度なピックアンドプレース マシンを活用して、すべてのコンポーネントが高精度で組み立てられていることを確認します。
- PCBレイアウトの最適化：内層では、銅箔の配置に重点を置き、熱を均一に分散させます。サーマルビアとバランスの取れた銅箔は、基板内の熱分散に役立ちます。
結論
PCBトゥームストーンは、多くの電子機器製造企業が依然として直面している問題です。デバイスの小型化と回路数の増加に伴い、この問題への解決策は重要になっています。PCBトゥームストーンの原因と適切な対策を理解することで、メーカーはトゥームストーンの発生を防止、あるいは少なくとも大幅に削減することができます。
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