PCB製造プロセスPCBの反りは、製造業者が直面する一般的な問題です。プリント基板が反ると、性能と信頼性に影響が出ます。反りは、部品の位置ずれ、はんだ付け品質の低下、さらにはデバイスの故障など、多くの問題を引き起こす可能性があります。そのため、PCBメーカーやPCB設計者にとって、この問題を十分に理解することは非常に重要です。このブログでは、PCBの反りの原因と、さらに重要な、このような問題を防ぐ方法について説明します。それでは、読み進めてください。
PCB の反りとは何ですか?
PCBの反りとは、PCB基板が本来の平面形状から歪んだり曲がったりする欠陥です。これは、ベアPCBだけでなく、完成したPCBAでも発生する可能性があります。しかし実際には、すべてのPCBにはわずかな反りがあり、これは製造工程において避けられないものです。 PCB製造における積層プロセスこの問題に関しては、IPC-6011などのIPC規格があり、 IPC-6012 許容可能なPCB反りレベルを規定しています。また、最大反り許容値が異なるクラスも設定されています。
| CLASS | 最大反り許容値 | 長さ400 mmのPCBの例 |
| クラス1 | PCB長さの最大0.2%の反り | 最大0.8 mm反り |
| クラス2 | PCB長さの最大0.15%の反り | 最大0.6 mm反り |
| クラス3 | PCB長さの最大0.1%の反り | 最大0.4 mm反り |
| クラス4 | PCB長さの最大0.05%の反り | 最大0.2 mm反り |
PCB の反りを測定する方法は?
PCB の反りを測定するために一般的に使用される方法は 5 つあります。
- 隙間ゲージ法
反りのあるPCBの高低差を測定するには、隙間ゲージを使用します。これは通常、反り値が大きい場合に使用されます。
- 高さゲージ
この方法では、機械式またはデジタル式の高さゲージを使用して高点と低点の高さの差を測定する必要があります。これにより、反りの正確な結果をインチまたはミリメートル単位で得ることができます。
- コンターゲージ
コンターゲージは、反りのある基板の形状をトレースするために使用されます。ゲージを基板の表面に当てると、基板の輪郭に合わせて調整されるため、目視または実測で反りを評価することができます。この方法は、不規則な形状の反りに対して特に有効です。
- 光学プロフィルメーター
この方法は、光学式表面形状測定装置を用いて反りのある基板をスキャンし、基板表面の3Dプロファイルを作成することで、高精度な測定を実現します。そのため、基板の微細な変形も特定できます。
- 有限要素法 (FEM)
有限要素法は、様々な応力条件下でのPCBの反りをシミュレーションおよび解析できる計算手法です。材料特性と環境要因を入力することで、FEMは潜在的な反りを予測し、メーカーが変形リスクを最小限に抑えたPCBを設計するのに役立ちます。
PCBの反りの主な原因
- スタックアップの非対称性
PCBの層が非対称に配置されている場合、PCBの反りが発生します。この場合、加熱プロセス中に熱応力が基板全体に均等に分散されません。その結果、冷却後にPCBが反ったり曲がったりすることがあります。
- 銅の不均一な分布
各層の銅箔が均一に分布していないと、PCBが反り返ることがあります。PCBの片面の銅箔が他面よりも極端に多い、または少ない場合、基板の膨張が不均一になり、反りが生じる可能性があります。
- 材料の不適合性
材料によって熱膨張係数（CTE）とTgが異なり、加熱・冷却時の膨張・収縮率も異なります。この不均一な応力により、特にリフローはんだ付けなどの工程における温度変化時に基板の反りが発生します。
- 不適切なボードの取り扱い
ウェーブはんだ付けやリフローはんだ付けの際に、基板を強く締めすぎると反りが生じる可能性があります。締め付けられた基板は加熱されると自然に膨張します。膨張を防ぐために締め付けると、特に重い部品をはんだ付けする必要がある場合、基板が永久的に変形する可能性があります。
参考文献： ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けの違いは何ですか?
- プロセス制御の不備
PCB製造プロセスでは、様々な工程で温度サイクルが繰り返されるため、基板材料は繰り返し膨張と収縮を繰り返します。過度の温度サイクルや不適切なプロセス制御は、深刻な反りの問題を引き起こす可能性があります。
PCB の反りを防ぐにはどうすればよいでしょうか?
- 熱管理技術
効果的な熱管理技術を導入することで、PCBの反りの可能性を低減できます。例えば、リフローはんだ付けプロファイルを最適化して温度勾配を最小限に抑え、均一な加熱と冷却を確保します。さらに、PCB設計に放熱機能を組み込むことで、より効率的に熱を放散できます。
- 最適化されたPCB設計
PCB設計プロセスでは、部品配置のバランスを確保し、トレース配線を最適化することが重要です。さらに、基板の反りを防ぐために、均一な熱分布を維持するために、対称的な中間層プリプレグを使用し、基板の両面に均等な銅箔面積を使用する必要があります。
- 素材の選定
材料を選択する際には、熱特性と機械特性の両立が不可欠です。そうすることで、PCBの反りリスクを最小限に抑えることができます。基板材料としては、安定性に優れたFR4の使用を検討してください。また、基板は薄い方が変形の可能性が低いため、より適しています。
- 均一な銅分布
銅箔がPCBの両面に均等に分布していることを確認することで、安定した熱伝導を維持し、PCBの反りを防ぐことができます。補完層は銅箔の被覆率が同等である必要があり、片面の未使用領域を銅箔で埋める必要がある場合もあります。その際、特に埋め込んだ層で制御されたインピーダンスをサポートする必要がある場合は、設計ルールで適切なクリアランスを定義することが重要です。
- 組み立て前にPCBを焼く
部品を組み立てる前に、基板をベーキングする工程は非常に重要です。この工程は基板から水分を除去するだけでなく、積層樹脂を完全に硬化させ、残留応力を軽減することで、基板の反りのリスクを軽減します。
- 適切な保管
パネルの積み重ねを避け、適切な保管を行うことで、PCBの反りを防ぐことができます。保管環境は乾燥しており、温度管理が重要です。保管中の曲がりや変形を防ぐため、パネルは適切な支えで平らに保管してください。
PCB の反りは修正できますか?
PCBの反りが発生すると、特に完成したベアボードやPCBAで問題が発生した場合、完全に「修正」することは困難です。軽微な反りであれば、基板をリフローまたは制御された条件下でベーキング処理することで内部応力を軽減できますが、深刻な反りは通常修復不可能であり、交換が必要になります。したがって、反りのあるPCBを一括して修正しようと労力を費やすよりも、根本原因を調査し、再発を防ぐ方が賢明です。
最終的な考え
PCBの反りは、電子機器の製造プロセスにおいて頻繁に発生する課題です。一度発生すると修正は困難ですが、根本原因を特定し、前述の重要な対策を実施することで、発生を未然に防ぐことができます。MOKO Technologyは、20年近くの経験を持つPCBおよびPCBAメーカーであり、IPCおよびISO規格に準拠した高品質の基板を製造しています。お客様にお届けする基板は、反りの問題がないことを保証します。 今すぐお問い合わせください。 PCB プロジェクトについてご相談いただき、無料でお見積もりをお受けください。
