Chapter 21
実装性と検査性 — 部品を載せ、良否を判定できる基板にする
この章のゴール.
基板を「作れる」だけでなく「部品が載り、良否が判定でき、直せる」ものにすること。 リフローという熱の工程で何が起きるかを理解し、 アートワークで防げる不良を防ぐこと。
この章で使う既出の用語（定義は各リンク先）. 出図（01 章 3 節）、実装業者（01 章 4 節）、シルク（02 章 1 節）、スルーホール（03 章 3 節）、IPC（04 章 3 節）、マイナス（04 章 4 節）、GND（05 章 3 節）、電源（05 章 3 節）、サーマルパッド（06 章 5 節）、トゥームストーン（06 章 2 節）、ランド（06 章 1 節）、直結（13 章 3 節）、禁止（20 章 4 節）
1. 実装の工程
表面実装（SMT: Surface Mount Technology）の流れを押さえる。
| 段 | 工程 | アートワークが効くところ |
|---|---|---|
| 1 | はんだペースト印刷 | メタルマスク（ステンシル）の開口設計 |
| 2 | 部品搭載（マウンタ） | 部品間隔、基準マーク、部品の向き |
| 3 | リフロー | ランドの熱容量バランス、部品の配置 |
| 4 | 検査（AOI / X 線 / ICT） | 部品の見やすさ、テストポイント |
| 5 | 後付け（スルーホール、手はんだ） | サーマルリリーフ、作業スペース |
2. メタルマスクと、はんだの量
メタルマスク（ステンシル）は、はんだペーストを塗るための金属の板である。 パッドの位置に穴が開いていて、その穴からペーストが基板に転写される。
| 項目 | 標準 |
|---|---|
| 板厚 | 0.1〜0.15 mm（部品の混在具合で決める） |
| 開口 | パッドと同じか、わずかに小さい（1:1 が基本） |
開口を調整すべき場面
| 場面 | 調整 | 理由 |
|---|---|---|
| QFN / DFN のサーマルパッド | 格子状に分割、開口率 50〜70 % | 全面に塗ると部品が浮く（06 章） |
| 細ピッチ QFP（0.4 mm 以下） | 開口をやや小さく、または長方形を台形に | ブリッジ（隣とつながる）防止 |
| 大きなコネクタのシェル | 開口を分割 | ペースト量の均一化 |
| 背の高い部品と小さい部品の混在 | 段付きステンシル（部分的に板厚を変える） | 必要量が違う |
面積比という指標がある。
これが 0.66 以上でないと、ペーストが側壁に残って基板に転写されない。 細かいパッドでステンシルが厚いと、この条件を割る。
面積比が効くのは 0.4 mm ピッチ以下から.
0.3 × 0.8 mm のパッド、ステンシル厚 0.12 mm なら
$$\text{面積比} = \frac{0.24}{2 \times 1.1 \times 0.12} = 0.91$$
これは大丈夫。しかし厚 0.15 mm にすると 0.73、 パッドが 0.25 × 0.6 mm なら 0.59 で転写不良になる。
細ピッチ部品があるなら、ステンシルを薄くするか段付きにする。 これは実装業者と相談する項目である。
3. リフローで起きること
リフロー炉は、基板を温度プロファイルに沿って加熱する。
| 区間 | 温度 | 目的 |
|---|---|---|
| 予熱 | 常温 → 150 ℃ | 急激な温度差を避け、フラックス（酸化膜を除去してはんだを濡れやすくする薬剤）を活性化 |
| 均熱（ソーク） | 150 → 180 ℃、60〜120 s | 基板全体の温度を揃える |
| リフロー（ピーク） | 220 → 245 ℃、30〜60 s | はんだを溶かす（鉛フリーの融点 217 ℃） |
| 冷却 | 降温 | 結晶構造を整える |
アートワークがここに効くのは、基板内の温度差を通じてである。
「均熱」の区間が存在する理由.
大きな銅面につながったパッドは温まりにくく、 小さなパッドはすぐ温まる。 この差が大きいと、片方が溶けたときにもう片方がまだ溶けていない。
均熱区間は、この差をならすためにある。 しかし差が大きすぎればならしきれない——そこで不良が出る。
アートワークの仕事は、この差を小さくしておくことである。
トゥームストーン（部品が立つ）
小さなチップ部品（1005 / 0603 メトリック以下）で起きる。
| 原因 | 対策（アートワーク） |
|---|---|
| 左右のランドの熱容量が違う | 片側だけベタ直結にしない。両側をサーマルリリーフに揃える（13 章） |
| 片側だけ太い配線 | 両側の配線幅を揃える、または両側とも細い接続にする |
| ランドが大きすぎる | IPC の密度レベルを見直す（06 章） |
| 部品の向きがバラバラ | 同じ向きに揃える（07 章） |
| ペースト量の左右差 | ステンシル開口を対称に |
その他の不良とアートワーク
| 不良 | 中身 | アートワーク側の対策 |
|---|---|---|
| ブリッジ | 隣のパッドとつながる | パッド間隔、レジスト土手、ステンシル開口の縮小 |
| ボイド | 接合部の中の空隙 | サーマルビアを埋める（12 章・18 章）、開口の分割 |
| 部品の浮き | サーマルパッドのはんだ過多 | 開口率 50〜70 % |
| 未はんだ | 濡れない | パッドにシルクが乗っていないか、面積比、表面処理 |
| マンハッタン現象 | トゥームストーンの別名 | 上と同じ |
4. マウンタ（実装機）のための配慮
| 項目 | 目安 | 理由 |
|---|---|---|
| 基準マーク（フィデューシャル） | 基板に 2〜3 個、対角に。φ1 mm の銅の丸＋φ3 mm のレジスト開口 | 実装機が基板の位置と傾きを認識する |
| ローカルフィデューシャル | 細ピッチ BGA の対角に 2 個 | 局所的な位置補正 |
| 搬送レール領域 | 基板の両端 3〜5 mm は部品禁止（面付けなら捨て板側でよい） | 実装機が掴む場所 |
| 部品間隔 | 0.5 mm 以上（背の高い部品は 1 mm 以上） | ノズルが当たる |
| 部品の向き | 揃える | 速度と品質 |
| 極性表示 | シルクで明確に。1 番ピン、カソード（ダイオードのマイナス側）、+ | 誤実装の防止、検査 |
基準マークがないと実装できない.
「ないと精度が出ない」ではなく、そもそも実装機が基板を認識できない。 実装業者から真っ先に指摘される項目である。
面付けするなら、パネル全体に 3 個、各基板に 2 個が標準。 面付けは業者が行うことも多いので、基板側の 2 個は必ず自分で入れる。
5. 検査性（DFT: Design For Testability——検査しやすい設計）
| 検査 | 中身 | アートワークで必要なこと |
|---|---|---|
| AOI（自動光学検査） | カメラで外観を見る | 部品が隠れない配置、極性マークが見える、シルクが読める |
| X 線検査 | BGA の下を透視 | 特になし（ただし裏面に重なる部品があると見づらい） |
| ICT（インサーキットテスト） | 針を当てて回路を測る | テストポイント |
| ファンクションテスト | 動作させる | コネクタ、テスト用の端子 |
| フライングプローブ | 針を動かして測る | テストポイント（少数ロット向き） |
テストポイント
ICT で針を当てるための、露出した銅のパッドである。
| 項目 | 目安 |
|---|---|
| 径 | φ0.9〜1.0 mm（露出部） |
| ピッチ | 2.54 mm 以上（治具の針が入る） |
| 基板端から | 3 mm 以上 |
| 面 | できるだけ片面に集約（両面治具は高価） |
| 対象 | 全ネット（理想）、最低でも電源・GND・重要な信号 |
| 部品からの距離 | 1 mm 以上（針が部品に当たらない） |
ビアをテストポイントに兼用するかどうか.
ビアのランドに針を当てる運用は広く行われている。安く、場所を取らない。
ただし、
- テンティング（レジストで塞ぐ）していると使えない
- ランドが小さいと針がずれる
- めっきが針で傷つき、信頼性に影響するという議論がある
量産を前提とするなら、専用のテストポイントを設けるほうが確実である。 少量なら兼用でよい。どちらにするかを、実装業者と早期に決める。
6. 修理性 — 直せる基板
量産では「直さず捨てる」判断もあるが、試作と初期ロットでは修理が必ず発生する。
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| こてが入る空間 | 部品の周囲 1〜2 mm |
| サーマルリリーフ | GND ピンを直結にすると、こてで溶けない（13 章） |
| 部品番号のシルク | 見えないと、どれを交換するか分からない |
| BGA の周囲 | リワーク（実装済みの部品を外して付け直す作業）装置のノズルが入る空間（周囲 3 mm 以上） |
| 背の高い部品の位置 | 隣の部品の作業を邪魔しない |
リフローとステンシルを見る
パッド寸法とステンシル厚から面積比を計算し、 左右の熱容量の差からトゥームストーンのリスクを表示する。 温度プロファイルとの関係も見られる。
7. この章のまとめ
| ポイント | 内容 |
|---|---|
| ステンシル | 開口はパッドと 1:1 が基本。面積比 0.66 以上。QFN は開口率 50〜70 % |
| リフロー | 均熱区間は温度差をならす区間。差を作らないのがアートワークの仕事 |
| トゥームストーン | 左右の熱容量を揃える。向きを揃える |
| 基準マーク | 基板に 2〜3 個。ないと実装できない |
| 搬送レール | 両端 3〜5 mm は部品禁止 |
| テストポイント | φ0.9 mm、ピッチ 2.54 mm、片面に集約。ビア兼用は業者と相談 |
| 修理性 | こてが入る空間、サーマルリリーフ、読めるシルク |