プリント基板の基礎入門

基板を安く買う(2)　プリント配線板編[1]

私が創業した2004年から、本稿で「コストダウンのつぼ」という形で文末に掲載してきましたが、結構好評である反面、最近ではまとめて掲載して欲しいというご要望をいただくことが増えてきました。端的に申し上げて「ノウハウ本」というには不十分ではありますが、前回の設計編に続いて今回からは基板の仕様について述べてゆきたいと思います。

「プリント配線板だけ」のコストを下げることは簡単ではありませんが、基本的には、実装された「プリント回路板」としての費用抑制の知識について筆者が知りうる内容を極力簡単に述べてゆきたいと思います。

1. 外形寸法(シート面付け)
   ワークサイズにいかに効率よく製品を配置するかが重要になります。そこで、ワークサイズのラインアップに加えて「めっきしろ」と「加工しろ」の数値を確認した上で基板の外形寸法を決めることが重要です(詳細は「基板の取り数」の項参照)。従って、機構設計の段階でプリント配線板の外形寸法も検討対象に加えていただくことをお勧めします。
   また、1機種あたり複数のプリント配線板を使用する場合、可能な限り1枚のシートに面付けしてください。例え4層板と両面板であっても1シートに集約した場合、コストパフォーマンスが向上する場合もあります。また、複数のプリント配線板を1つのシートに面付けする場合も検討が必要です。プリント配線板の取り数は、シートに面付けした場合の最大外形寸法に依拠しますので、必ずしも個別の基板を無理やり小型化する必要はありません。
   例えば、A、B、2種類の基板をシート面付けする場合、A：90×80 B：85×75とするより、1辺のいずれかの数値を合わせてA：90×80 B：90×75または85×80としたほうが、1枚のシートに面付けしやすくなります。このあたりの詳細は、お付き合いのプリント基板メーカーに問い合わせしてみるとよいでしょう。ただし、その際、部品の配置による実装機の流し方向も検討しておく必要があります。
2. 材料
   材料の標準化も重要なテーマです。最近はあまり耳にしなくなったものの、材料費が安いという理由でCEM-3(ガラスコンポジット材)を選択される例を目にしたことがありますが、あまり意味はありません。耐トラッキング性能を考えて選定した場合を除いては、FR-4(ガラスエポキシ材)で統一することをお勧めします。
3. 層数
   申し上げるまでもなく層数は少ないに越したことはありません。納期との関連もありますが、意に反して引き回しのスペースに窮したような場合には極力時間をかけることが第一です。特にBGAパッケージが実装される基板では、BGAのパッドからの引き出し次第で層数が決定されてしまいます。
4. 表面処理
   基本的には、「プリフラックス処理」で統一することをお勧めします。ただ、プリフラックス処理の場合、プリント配線板メーカーが長期保存の品質劣化を理由に3ヶ月程度しか品質を保証してくれません。
   一方、その都度購入しようとすると、今度は小口品の受注を渋り、「まとめ発注」を依頼してきます。そこで、長い間保管することになる場合は一般論として「レベラ処理」をお勧めしたいと思います。
   以前の本稿コラムで、金フラッシュめっきをお勧めしたことがありますが、下地の劣化が実装品質に影響を及ぼす事例が報告されており、鉛フリー実装を採用した場合には接合強度が著しく低くなることがわかっています。金めっきの下地の品質(銅箔やニッケルめっき部分)が安定していれば問題はありませんが、特に海外で生産しているようなプリント配線板は、工程と品質の継続的なフォローが不可欠です。ただ、ライン/スペースが100μ/100μ以下のような高密度のプリント配線板では、表面の平滑性や「ウィスカ」への対応の必要性から金めっきを採用せざるを得ないかもしれません。

次回は、も引き続き基板の個別仕様に関するコストダウンの方策について述べてみたいと思います。

基板を安く買う(1)　設計編

部品を配置してパターンを作り、プリント配線板の製造用データを作成する。当たり前のことですが、CADが登場するまで、私たちの先輩方はこれを手作業でこなしてきました。私自身がプリント配線板業界に初めてお世話になったときには、まだ「手張り」のアートワーク設計が主力でした。

CADの登場により、設計の負荷は以前に比べて格段に少なくなり、部品のデータを予め登録してくれたり、誤った作業を即座に表示してくれたり、実装時の注意事項を情報として記憶してくれたり、などCADと上手に付き合うことで計り知れないメリットが生まれるのです。

回路情報をネットリストとして出力するほかにも、部品表の管理や出来上がったデータの管理など、ものづくりのノウハウを後に伝えてゆくためのツールとしての役割は決して小さくありません。是非上手にCADを使っていただくことをお勧めします。データの標準化を進めることで品質の標準化や安定化を図り、開発コストや基板単価の低減に結びつけることが可能になります。今回は、プリント配線板を安く買うためのノウハウについて個人的な知識からいくつかご紹介しようと思います。今回はパターン設計の観点からコストダウンの方法を考えてみたいと思います。

プリント配線板のパターン設計費は、原則的には時間工数によって計算することが多く、端的に言えば工数に時間単価をかけて費用を計算します。新規設計の場合は部品の「ピン数」に単価を乗じて費用を産出する方法もありますが、これもピンあたりに費やす時間単価が元になって計算されているようなものなのです。そこで、この工数をいかに短縮化するかが重要になります。このコラムの『基板設計の段取り』の【図1】の手順で設計作業が進みますが、個別の工数を削減することが基板設計費用を低減する近道ではないかと考えます。このため必要なコンセプトは「データの標準化」です。具体的な事例で説明してゆくと、回路図シンボルからネットリスト、部品表（ライブラリ）、プリント配線板の仕様、配線データへと一連でリンクするようなデータを構築してゆくことで、ネットリストや部品表の作成工数を低減し、配線作業のスムーズな展開へと結びつけることが可能になります。鉛フリー実装の導入に際しても標準化は重要なキーワードです。

など対応を整備しておけば、以降の作業が楽になります。(ただし、すべて完璧に対応すると費用がかさみますので、オーバースペックにならないような検証作業が必要です。)

今まで述べてきたような機能をCADで完璧に網羅しようとすると設備のスペックも高度なものになります。CADの指定がある場合を除いては、CADの性能もよく吟味しないとCAD自体がオーバースペックになってしまい、設計費用に占める固定費が割高になってしまいます。従って、CADを選定する際には、自社の要求スペックと設備の性能をよく比較することが必要になります。本来であれば、回路図エディターとパターン設計CAD双方のデータのやり取りができれば完璧ですが、高いCADを購入しなくてもデータの標準化は可能です。要するに使う側の工夫によってCADのコストパフォーマンスは無限に拡がってゆくのです。

最後に、設計ご担当の方と実装ご担当の方の綿密な意見交換が必要になることはいうまでもありません。

基板とBGA

BGAはICパッケージのひとつに過ぎません。ところが、これを採用するために多くの方々が苦労されていることも現実です。鉛フリーはんだの採用が拡がる中で品質の確保も並行する必要もあります。前回は「目からウロコ・・・」の中でBGA実装にあたって目視検査の重要性を述べましたが、今回はそれ以前の基板を中心としたお話です。

私が基板メーカーに在籍していた頃、初めてBGAパッケージを採用する際に、基板とデバイスの接合部が「見えない」ことが大問題になるお客様が多々ありました。当たり前のことですが、BGAは実装された後にはんだの接合部分を目視で検査することができません。日本のものづくりの原点は製品の品質の高さであり、「見えないもの」の品質の確保をどうするかは重大な問題です。そのため、何とかQFPパッケージの採用でしのぐような努力が多くの局面で試されていました。

BGAは海外で開発されましたが、日本では前述の趣旨からQFPの端子ピッチの狭小化が主に推進されてきました。QFPの現在の市場での主流は0.5mmピッチですが、0.4mm/0.3mmピッチのものも一部では使用されており、「見える」ことがいかに我が国で真剣に検討されたかがわかります。しかし、0.5mm未満のピッチのパッケージは基板のパッドと間隙が狭く製造が難しいこと(通常のエッチング公差では歩留まりが低い)、高度な実装技術が必要であること、また高速信号の処理能力でBGAに劣ることなどの理由から、極小ピッチのQFPパッケージは市場での主流にはなりませんでした。

一方、BGAは1.27mmをはじめとして、1.0/0.8/0.5mmなど、QFPより広いピッチを採用しており、通常の実装ではセルフアライメント効果も手伝ってGFPより実装不具合は比較的少ないようです。しかし、ボイドやマイクロクラックなど、不具合が発生した場合の原因の特定が難しことや、実装段階での温度管理の条件出しが容易でないこと、さらに接合部分が見えずにリペア作業が難しいこともあって採用に踏み切れないお客様も多いようです。

設計にあたっては、1.27mmピッチの場合、一般的なランド径はφ0.65にすると、隣接するランドとの間に2本のパターンを引くことができます。(図1)
一方1.0mmピッチの場合はランド径をφ0.6とすると1本のパターンを引くことができます。(図2)(現実には仕上がり値は若干小さくなります)

ただ、ランドからはパターンを引き出す必要があります。そのため、対角線上にViaを設定する必要がありますので、内側のランドからは簡単にパターンを引き出すことができなくなります。ランドのピッチが狭くなれば一層パターンの引き出しが難しくなりますので、BGAパッケージの選定には注意が必要です。

コストダウンのツボ

BGAを採用すると、「配線が引けない」という問題にぶつかるケースが少なくありません。その際、IVH(Interstitial Via Hole)やBVH(Blind Via Hole)といった非貫通スルホールを採用せざるを得なくなりますが、こうなる前に、「可能であれば」検討していただきたいことがあります。

1. デバイスはできるだけピッチ1.0mm以上のものを選定する
2. デバイスの内側のランドから引き出す信号線の数を極力減らす
3. デバイス実装面の反対面への実装は避ける
4. パターン設計にかける時間をできるだけ長く確保する

非貫通のスルホールを使うと、ビルドアップ基板を採用せざるを得なくなる恐れがあります。ビルドアップ基板は配線の高密度化が容易ですが、サイズを変えないと基板の単価が高くなってしまいます。パターンの密度は一般的にBGAの部分が高くなりますから、この部分の配線をうまく引き出すことができれば、非貫通のスルホールを使う必要がなくなります。そのため、あまりピッチの狭いものは選定しないほうが無難です。Viaを使ってパターンを引き出すことができればCOH(Chip on Hole)の採用を回避することもできます。

また、奥のランドになるほどパターンの引き出しが難しくなります。従って、デバイスの設計にあたっても端子のピン配置には留意していただくことをお奨めします。回路設計部門と基板設計部門との相互協力が一層重要になります。

三番目は、実装後の問題です。実装後に接合部分の検査や解析が必要になるケースがありますが、X線検査装置を使用することになった場合、裏面のデバイスの影が画像に写り込んで実装部分の確認がしずらくなります。

四番目は、最も重要なことではないかと考えますが、これは、非貫通スルホールを回避するための検討時間です。開発時間を短期間で抑えることはセットメーカー各社の至上命題ですが、同時に基板の仕様をいかにダウンサイジングするかということも
あわせて考える必要もあるからです。ピッチが1.0mm以上あるFPGA(Field Programmable Gate Array)やPLD(Programmable Logic Device)を採用される場合には特にじっくり検討した上で基板の仕様を決定していただくことをお奨めしたいと思います。

基板設計の段取り

基板の製造工程はほとんどが自動化されているのは周知の通りです。さらに、パターンの高密度化により、検査工程も自動化が進んでいます。200um以下のパターンを人間の目視で完璧に良否を判定することは事実上不可能です。しかし、基板のパターン設計では、人智に頼る部分が多く残っています。自動設計のための優れたツールが登場していることも事実ですが、部品のライブラリ登録や、部品配置やアナログ回路の引き回しなどでは、全て機械に頼ることは現実的には不可能です。高速回路の引き回しなど、配線時に信号の波形をチェックするにも、まず、人がパターン配線をしなければ始まりません。今回より、基板の設計についての手順を簡単にお話してゆきたいと思います。できる限り初歩的な話を中心に進めてゆきたいと思いますが、まずは、設計の流れについてお話したいと思います。

一言で「設計」といっても、回路設計と配線設計は異なります。私たち基板の世界では、お客様から回路図をいただいたところから作業が始まります。回路設計用のシステムを総称して、CAE(Computer Aided Engineering)と呼びますが、ここから配線設計用のCAD(Computer Aided Design)データが出力されます。このデータに基づいて基板を設計・製造して実装作業に使います。実装作業後のテスタ用のデータも同様です。回路図(データ)から基板の製造にとりかかるまでの段取りを【図１】に記します。

通常、回路情報をいただくところから作業が始まりますが、手書きの回路図やネット情報が支給されない場合は、回路シンボルを作成してネットデータを作成するところから取り掛かる場合もあります。

さて、CADを使って設計することの一番のメリットは、データを一元的に管理することができて、データを随時チェックできることではないかと考えます。回路からパターンを設計して組み立てるまでの流れを【図2】に記しますが、この一連の流れをデータで管理することができるので、製品の品質を標準化して安定させることができ、後々までノウハウを残すことができるのです。CAEで作成した回路情報やシミュレーションデータを基にCADを使ってパターンを設計します。設計が完了すると基板製造や部品実装に使われるCAM(Computer Aided Manufacturing)データが出力されます。基板製造用のデータはガーバーデータとも呼ばれ、実装用データにはメタルマスクの製造データや、部品の座標データなどが網羅されています。また、基板の導通検査やインサーキットテスタ(ICT)に使われるデータをCAT(Computer Aided Test)データと呼びます。

コストダウンのツボ

従来は、回路図を支給していただいて基板を設計するのが通常のやり方でした。ただ、最近、回路設計の対応の可否についてお問い合わせをいただくケースが増えています。理由として、市場のニーズにより、回路データとパターン設計データのやりとりがスムーズにできるツールが登場して、距離が近づいたことが挙げられると思います。シミュレーションツールなどはその典型例といえるものです。回路図エディタとパターン設計用CADの双方を備えている設計会社もあります。

ただし、製品の回路図となればノウハウのかたまりですから、簡単に外部に委託できるものでもありません。一方、回路設計ツールとCADの境目が曖昧になっている現実もあります。

そこで、基板の用途や仕様によって、回路設計から外部に委託することを提案したいと思います。回路図の入力作業(ネットリストの作成)からパターン設計まで、本来はセットメーカー側で対応するべきですが、高価な設計ツールが必要になるなどのデメリットもあって、すべてのお客様にお勧めできるものではありません。

製品の回路図を外部に委託することは、ノウハウの流出を招き、自社への技術の蓄積を放棄することにほかなりません。しかし、一部の評価基板や治具基板程度であれば、アウトソースできるケースが多々あることも事実です。また、「フォワードアノテーション/バックアノテーション」「クロスプロービング」「ライブラリ管理ツール」など、CAD機能の充実も進んでいます。

基板の用途や仕様によっては、回路設計もアウトソースするほうが得策になる場合もあります。私たちは、お客様の手間を煩わせることなく、スムーズに製品を提供するお手伝いをいたします。

規格のはなし

ものごとには「決まりごと」が必要です。車を運転するときは道路標識があり、交通法規は秩序の人命を守るために作られた決まりごとです。基板を作る場合にもこのような「決まりごと」があります。

＜表1・世界各国の規格＞

規格の名称	管理機関	制定国	略号
日本工業規格	経済産業省	日本	JIS
電気用品取締技術基準	経済産業省	日本	（電取法）
JPCA規格	（社）日本電子回路工業会	日本	JPCA
Military Specifications and　　　　　　　　　　　Standards　　　　　（アメリカ軍用規格）	Depertment of Defense	アメリカ	MIL
アメリカ材料試験協会規格	American Society for Testing and　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Materials	アメリカ	ASTM
アメリカ規格協会規格	American National Standards　　　　　　　　　　　　　　　　　Institute, Inc.	アメリカ	ANSI
アメリカ電気工業会規格	NNational Electric Manufacturers　　　　　　　　　　　　　　　　　Associations	アメリカ	NEMA
UL規格	Underwriters Laboratories Inc.	アメリカ	UL
IPC規格	Institute for Interconnecting and　　　　　Packaging Electronics Circuits	アメリカ	IPC
イギリス標準規格	British Standards Institute	イギリス	BS
ドイツ規格	Deutsches Institüt für Normung　　　　　　　　　　　　(Deutsche Normen)	ドイツ	DIN
オーストラリア標準協会規格	Standards Association of Australia	オーストラリア	GI
国際電気標準会議規格	International Electrotechnical Commission		IEC

【表1】に世界各国の規格を記載します。わが国では、「JIS規格」がその代表です。基板の用語、信頼性評価の方法および条件、さらに評価用パターンの詳細にいたるまで、紙系・ガラス系など材料によって細かく規定されています。最近注目されている、鉛フリー実装に関する試験方法なども追加されました。日本版RoHS指令ともいえるJ-MOSSもJISで規格化されたものです。基板メーカー各社の標準仕様のほとんどが、JIS規格に準じて策定されています。ただし、ポリイミド・テフロン(フッ素)・金属系基材では該当規格がありません。次に、海外で使われる場合には、アメリカの「MIL規格」などが仕様決定のよりどころになります。ＵＬへの試験サンプルの提出・評価を経て、その特性がＵＬ規格に合致している場合、基板メーカーはどのような申請・評価内容であるかを示すＵＬマーキングを基板上に刻印やシルク印刷で表記することができます。「ＵＬマーキング」は各基板メーカー、各基板タイプに対して固有であるので、そのマークを見れば、どこの会社で製造されて、いかなるＵＬ評価試験を受けたものであるかわかります。基板を購入されるお客様は、ＵＬの認証を受けた基板を用いたセットが、特に米国内に出荷、使用される際には、セット全体のＵＬ認証を取得する一助になるため、ご発注の際にＵＬ認定の取得の有無を一つの判断材料にされることが多いようです。

また、「ANSI・NEMA」の規格には以前のコラムでも触れたように、基板材料のグレードが規定されています。JIS規格でも同様の分類体系がありますが、基板の業界では、ほとんどがANSI・NEMA規格の呼称を使っているようです。

さらに、上記の基板の信頼性に関する規格のほかに、最近「基板の鉛フリー化」や「グリーン調達」の動きが活発になってきました。RoHS指令はEUが提唱、推進してきましたが、有害物質の管理方法の標準化については、日本の大手電機メーカー数社が中心となってIECに提唱する動きがあるようです。（2006.02.21 日本経済新聞）

基板の製造にあたっては、これらの規格に従って、層構成・板厚、パターンや間隙、穴径・ランド径、配線の制約が決定されて仕様が決まります。

コストダウンのツボ

規格というのは、「ものづくり」のバイブルのようなものです。従って、基板を製造、購入する際には、これがしっかり守られているかが重要になります。

わが国は、電気製品に限らず高い品質を強みとして産業を発展させてきました。しかし、規格以上の高い次元での品質管理は、場合によっては「オーバースペック」(過剰品質)）となってしまうこともあります。製造コストの増大など、最終的な製品価格にも大きな影響を及ぼします。

一方、安さばかりを追求しては品質の低下を招き、結果として不良率の増加など管理工数の増大からかえってコスト増になってしまうケースも見受けられます。

私たちは、基板の開発に必要なことは、基板だけではなく、部品のことや実装などの総合的な知識ではないかと考えます。例えば、簡単な評価基板のパターンはオートルーター(CADの自動配線機能)を使ったパターン設計の方が、対話型のCADより安いコストで設計できます。基板のランド形状は、フローとリフロー、または自動実装と手実装で変わります。各種の規格は、開発の際の道しるべとして使うことはできますが、それが全てではありません。規格の内容を熟知し、それをどのように自社内で標準化してゆくかが、最も重要なことと考えます。

そのために、お客様には個別基板別の図面の作成をお願いしています。図面には一般的な規格で網羅されない項目を記載することで責任の所在が明確になります。来歴の管理も容易になり、手配や製造の際に見解の相違などに起因する不具合を防止する効果もあります。図面の記載事項は、回路図と部品表は別にして、基板の外形(公差)・板厚(公差)・基材・層構成・配線仕様・表面処理・シルク印刷などを記載して、標準仕様と図面の記載内容がオーバーラップした場合、いずれを優先するかを明記してください。