プリント基板の基礎入門

銅箔のはなし

当然のことですが、基板のパターンは銅でできています。今回は、基板に使われる銅についてお話したいと思います。

基板に使われる銅には2種類の銅箔が使われます。ひとつは、リジット基板に使われる「電解銅箔」、もう1つは、フレキシブル基板や大電流基板に使われる「圧延銅箔」です。

電解銅箔は、硫酸銅（Sn2SO4）の槽に通電し、陰極（ステンレスなど）に析出した銅をシート状に加工したものです。陰極側の銅箔は基板の表面となり、反対側はソフトエッチ（表面を軽くエッチングすること）により粗化されて基材に接します。粗化するのは基材との密着性を向上させるためです。エポキシ樹脂では、樹脂自身が接着しやすくなっていますが、フェノール樹脂と接合する場合は、樹脂自身に接着性がなく、接着剤を使って接合します。一方、圧延銅箔は、純度99.9%以上のインゴットを加熱した上で圧延して作ります。通常のリジット基板は電解銅箔が使われ、フレキシブル基板や銅箔が3オンスを超える場合には圧延銅箔が使われます。

樹脂と金属をくっつけているわけで、しっかり付いているかどうか気になるところです。樹脂と銅箔の接合強度は、JISC6481で引き剥がし強さに試験方法が規定されています。試験は、常温の場合・はんだ処理後・加熱時のそれぞれの条件にて実施することが謳われています。詳細については、JIS規格を参照してください。最近、海外製の基材が使われるケースがありますが、銅と基材の密着強度のほか、諸々の特性が国産のものに比べて劣ることもあります。材料が安いのは事実ですが、お使いになる場合には、基板の特性や信頼性データにもご注目ください。材料のカタログに記載されている場合もありますので確認するとよいでしょう。

銅箔の厚さは、18um、35um、70umが主になっています。生基板を製造する過程で銅メッキを施す両面板や、多層板の表層などは18umが使われることが多く、メッキ工程をしない片面版や多層板の内層、また電流値の高いパターンは35umや70umが多く使われているようです。そのほかに、薄いものではビルドアップ基板などの超高密度のパターン用に使われる12um(9um)、厚いものでは大電流パターン用に使われる105umなどがあります。大きな電流が流れる基板ではさらに厚い銅箔も使われるようです。厚さ35umの銅箔１ft2の重さは1オンス(305g)なので、35um銅箔を1オンス銅と呼びます。18umμは1/ 2オンス、70umμは2オンスです。最近では銅の価格が高騰しており、基板の価格にも跳ね返っているようです。以前は、多層板の電源やGND（内層）には70um材が多く使われてきましたが、最近では、35umもかなりの頻度で使われるようになりました。

コストダウンのツボ

「基板」の信頼性評価データについては先日の別のコラムで述べましたが、「基材」信頼性についてはいかがでしょうか？　前の項で申し上げましたが、基材の製造方法が同じでも、製造会社によって性能は異なるものです。例えば、高耐熱基板のニーズの拡大に伴い、従来のBT樹脂基板より安く、Tg（ガラス転移温度）が高いFR-4材が開発されたりして、基材各社も差別化に取り組んでおられます。

一方、海外からは価格の安い基材も輸入されるようになり、ユーザー側の選択の余地も広がっています。言い方を変えれば、使う側の判断が求められるわけです。基材の特性については、基材メーカーのカタログに特性が表記されていますので参考にしていただき、お客様に最適なものを選択してください。基材を選定する場合、価格の高低のみを判断材料にすることは避けたほうが無難です。

基板の製造工程(11)　（出荷検査）

プリント配線板の品質を向上・維持するためにJISやULなどの規格があり、いくつかの検査方法が標準化されています。しかし判定を全て機械化することは現状では難しく、出荷前の最終検査は結局人の目に頼っているのが現実です。ただ、目視といっても、ほとんどが拡大鏡（倍率3～5倍程度）で対応しており、仕様次第では10倍以上の拡大倍率で検査する場合もあります。

ここで検査する項目は、胴体表面の外観、ミーズリングやボイド、レジストのずれやにじみ、シルク文字のずれやかすれ、Vカットのずれなどで、これらの項目は全数検査となります。これを、基板メーカーの検査員の方々がまさに目を皿のようにして1日中眺めているのです。

私も実は若い頃に手伝ったことがありますが、集中力が持続したのは最初の1時間位程度で切ない思いをしたことを覚えています。しかし人の目とばかにはできません。目視検査にはツボがあるとのことで、熟練した検査員の方は、1枚数秒の検査でほとんどの不良を見つけ出してしまいます。基板工場を見学される機会があれば、是非目視検査の工程をごらんください。特に最近注目されている海外工場では視力3.0はごく普通、視力5.0(!)なんて方々がざらにいるとのことでした。

話が逸れてしまいましたが、他にロットからの抜取検査の項目として、スルホールの断面（メッキのつき具合）、外形寸法、板厚、パターン幅と間隙、穴径、ランド径、反りやねじれなども調べます。これらの項目は機械で検査します。さらに、ユーザーの依頼仕様との照合検査として、材質、層数、品名、レジスト・シルクの色や印刷面（片面か両面か）、枚数などをチェックシートで確認します。

判定基準は、JIS・UL・MILなどによって細かく規定されていますが、一般的にはJISのハンドブックが書店で販売されているのでご参考にされるとよいでしょう。これらの項目には検査機器を使い、基板メーカーでもJIS規格を参考に社内規格を制定しているケースが多いようです。ただ、最近ではJISの規定を逸脱してしまう難易度の高い仕様の基板も増えてきており、JIS規格だけでは対応しきれなくなってきています。

コストダウンのツボ

検査項目でもお話した通り、出荷検査の工程では信頼性を確保するためにいろいろな検査が実施されます。検査をパスすることは重要なことです。しかし、検査を厳しくするということは、同時にコストが上がることを意味します。

今回は、個別規格の妥当性について少しお話をしたいと思います。ただ、内容はあくまで作者である私の体験談からであるため、お客様の事情にそぐわない場合もあるかもしれませんがその辺はご容赦ください。

前の項で、基板メーカーはJIS規格を社内規格に取り入れている場合が多いと申し上げました。しかし、JIS規格では、外形寸法や穴径・パターン（ライン/スペース）などは「個別規格で規定する」と表記されているため、お客様に決めて頂くケースが多くなっています。しかし、お客様に個別規格の決定を押し付けて良いのでしょうか？

他にも例を挙げると、ソルダレジストの欠陥の項目では「実用上有害なかすれ、剥がれ、ピンホール、及び異物の混入があってはならない」とある一方、「導体間にまたがる気泡の混入はあってはならない」とも表記されています。それでは、導体間の気泡が原因でレジストインクが剥がれた場合、これを実用上で有害か否かの判断をお客様に押し付けても良いのでしょうか？

もちろん、既にお客様に側に判断基準がある場合、それに従うことは当然のことかも知れません。一般より厳しい規格を売り物に商品を販売するケースもあると思います。しかし、すべての規格を厳密に適用した場合、それが費用に跳ね返ることも事実です。極端に「見た目」にこだわれば小さなピンホールや些細なズレも不良と判定される場合があり得ます。開発担当の方が良品と判断しても品質管理担当の方から見れば不良と映るものもあるでしょう？

難易度が高い商品はおのずから発注先も限られてしまいます。さらに、そこに納期や価格の話が出てくると資材担当の方の判断も加わり、品質や納期のせめぎあいで価格低減も難しくなってしまいます。

私たちは開発段階から参加させて頂くことで、適正な仕様を提案してお客様のオーバースペックを少しでも減らし仕様を標準品に近づけることで無駄なコストアップを排除できるよう提案させて頂きたいと考えています。

基板の製造工程(10)　（導通信頼性の検査）

プリント配線板は、主に銅をエッチングしてパターンを形成します。そのため、パターン形成に関わる工程で問題が発生すると断線やショートなどの不良につながります。基板メーカーでは、作りこみ段階での品質向上（一次不良率の抑制）と不良品の流出防止の両面から品質の向上に努めています。

最近のプリント配線板はパターンの高密度化により、目視での不良品の発見が非常に難しくなったこともあり、パターン検査も自動化されてきています。今回は、パターン検査の方法についてお話したいと思います。

1. AOI（Automatic Optical Inspection ）検査
   基板を工学的に検査する方法です。サンプル基板と被検査品の不一致部分を検出する一方、デザインルールを逸脱した部分を抽出して良否を判定します。
   ショート・断線・回路の突起・細り・銅残りにピンホールなど、回路上の欠陥はほとんど検出が可能ですが、電気的な導通保証はできないことと、スルホール内部の検査ができません。
   そこで、チェッカー治具と併用することで高い検査能力を発揮することができることになりますが、検査の時間がかかるためあまり現実的ではありません。実際は内層回路のエッチング後とフィルム完成後の検査に使われることが多いようです。
   Automated Optical Inspection　とも呼ばれます。
2. フライングチェッカー
   1本のピンですべてのネットのキャパシタを検査して良否を判定する方法と、２本のピンでネットの始点と終点の導通を抵抗値から判定する２通りの方法があります。
   基板の検査は基本的にパターンのショートと断線を検査するもので、耐熱性や機構的強度・メッキの厚さなどを判定するには別の試験を実施する必要があります。高度な検査は全数検査が難しいため、通常は電気検査によって良否を判定しています。
   機械の価格が高いため保有している基板メーカーは少ないものの、特に多層板の検査に使用される頻度が増えています。専用チェッカーと同等の検出能力ながら検査費用だけで済み、専用チェッカーを作成できない試作品や小口品の検査でメリットを発揮します。数本のプローブが移動しながらチェックポイントの導通を検査するため、データ作成と検査自体に時間がかかりますが、最近は検査スピードが速い機種も登場しています。
3. 専用チェッカー
   基板のランドにピンを接触させて電流を流し、その部分の抵抗値からパターンの良否を判定します。一品一様の治具であるためデータ作成の手間が少なく、数秒で検査が完了します。検査では、まず一定の電圧をかけて抵抗値が判定基準を下回ればショート、次にパターン上の抵抗値が判定基準を上回れば断線、というように判定します。このとき、印加する電圧が高いほど精度も高くなります。
   専用チェッカーは、1台の価格が10万円程度から高いものになると100万円を超えるものも以上あるためもっぱら量産製品の導通検査に使用されます。リピート性の高い基板では治具組立の工数がかからない専用チェッカーが有利ですが、回路変更に伴いピンの位置がずれると再利用できないケースが多く再製作となりますのでご注意ください。
4. ユニバーサルチェッカー
   アクリル板に一定ピッチ(2.54mm・1.27mm)で格子状に穴をあけ、そこにピンを差し込んで基板に接触させて判定する方法です。フライングチェッカーが登場する前は廉価版の検査機として使われていましたが、ピッチが一定でSOPやQFP・BGAなどの半導体パッケージ部分の検査ができず、パターン一部しか検査が行き届かない上に、虚報（OKパターンもNGと判定してしまう）が多く、検査時間も専用チェッカーに比べて長いため最近は減少の傾向にあります。

コストダウンのツボ

「安くて」「良い」ものを。買う立場の方々にしてみれば当たり前のこと。しかし、「不良」のリスクから完全に逃れることが難しいのも事実です。せっかく一生懸命探し回って見つけたメーカーに発注したら不良品が混入していた・・・。こんな経験したくもありませんが、まったく無縁の方も珍しいのではないでしょうか？

一方、基板メーカーの立場から申し上げると、回路の高密度化で目視検査の検出能力の限界もあり、導通信頼性の保証は頭の痛いところです。

しかし、チェッカー治具は本当に必ず必要なのでしょうか？　現状、パターンの設計・基板製造・実装の各工程がバラバラになっているため、個々の工程で品質を保証しようとするとオーバースペックとなる可能性があります。要するに、基板製造にあたって歩留まりが良好な仕様、ご要求に合致した最適な仕様を達成するためには、設計の段階からのお打合せが必要になるということです。

よく、設計から実装、部品調達まで含めて全て段取りしてから発注されておられるお客様がいらっしゃいます。確かにある程度のご指示は必要にはなりますが、指示内容には忠実であってもそれだけで終わっていませんか？

私たちは、ご依頼の製品が最適な仕様であるかを必ず検討し、必要がなければチェッカーなしであっても品質を保証することは不可能ではないと考えます。設計の開始前に是非ご相談ください。お客様の不要な費用削減に全力でご協力致します。

基板の製造工程(9)　（外形加工II）

今回取り上げるのは、ミシン目・Vカット・面取りの工程です。

前回は、基板の外形加工のうち金型加工とルーター加工についてお話しました。この2つの工程は基板製造の上で必須ですが、今回取り上げる加工方法は一種のオプション工程です。

しかし、基板を複数面付けして実装効率を向上させたり、単位面積当たりの取り数を増やすには有効な方法で、実際は非常に多くのケースで使用されています。

まずミシン目とは、基板同士の間の一部分にドリルで連続的に穴をあけてスリットを入れるやり方です。穴はドリル、スリットはルーターで加工します。(図1)

加工の精度はありますが、基板を分割したときにミシン目のバリが残るのが難点です。そのため、個別基板に切り離した後、筐体とのぶつかりに注意して外形を決める必要があります。

ちなみに、スリットの幅は1～2mmのものが最も多く、ミシン目の穴の大きさは材質や板厚によって様々です。穴の大きさやピッチ、穴を明ける位置などを工夫すれば端面のバリを抑制することは可能です。

次に、Vカットは、金型・ルーター加工後に専用のマシンで溝を入れる工程です。溝の深さは基板の材質によって変わりますが、溝の深さは紙系の材料では浅め、ガラス系の材料では深めに設定します。また、基板端面からの距離によっても深さの設定は変わります。ジャンピングVカットを使えば不連続の加工もできます。

なお、板厚が薄い基板ではご注意ください。薄い板厚のものでは反りの原因になる場合があります。

ところで、スリットとVカットはよく同時に使用されることがあります。Vカットとスリットを組み合わせる場合には、図2のようにスリットを捨て板に食い込むように配置することをお勧めします。これは、加工時の金型・ルータービット・Vカットの加工ズレに対処するもので、現実に加工ズレが発生しても基板の損害を最小限にするためのものです。Sの寸法は0.5～1mm程度にするとよいでしょう。スリットのコーナーはR(1mm)をつけておけば、金型・ルーターいずれにも対応できます。

面取りとは、図3のように端子をコネクタに差し込む部分の角を削る作業のことを指します。

端子には金メッキをよく使いますが、端子の部分の金メッキは基板とコネクタの抜き差しでメッキが剥れないよう電気メッキでつけるため、メッキ用のリード線が必要です。しかし、外形加工の後にリード線をそのままにしておくと、コネクタとの抜き差しの時に接合部分がめくれ上がったりして不具合が発生します。

そこで、基板端面のリード線をそぎ落としてコネクタとの接合不良を防止する役割もあります。もっとも、端子があれば必ず必要になる訳ではありません。

コストダウンのツボ

前回ご紹介した二つの工程は基板製作の上で必須の作業ですが、今回は外形加工でもオプションとなるものです。ただ、前の項でもお話したとおり、単体の寸法が小さいもの、またコスト低減の方策としても不可欠であるためオプションという認識は薄くなっています。

今回は、特にVカットのお話を取り上げます。前の項でも申し上げた通り、基板同士の接合部にVカットを入れる方法は今や当たり前となっています。ただ、Vカットを使う場合にはいくつかの注意するべき点があります。

あくまで私の経験からのお話ですが、まず本数を多く入れないことです。基板単体の大きさが非常に小さいケースなどの例外はありますが、使いすぎると反りや歪みの原因になります。また、当然費用にも影響します。Vカットの加工機は平行に2本同時に加工するものが多く、5本や10本使うと何度もマシンで加工を繰り返すため、Vカット同士のズレを起こすリスクもあります。

2番目に、基板同士の接合部分には使わない方が得策です。金型やルーターに比べてズレが大きいためです。ちなみに、基板メーカーではVカットずれの規格を　0.2mm　に設定しているところが多く、Vカットずれが起きると2枚の基板が同時に不良品になってしまう恐れもあります。基板同士の接合には、ズレの少ないミシン目とスリットを併用することをお勧めします。実装の都合などでどうしても必要になる場合は、基板同士の間に捨板をつける方法もありますが、これもあまりお勧めできません。

3番目には、できるだけ基板の中心を通したり十字に使わないことです。実装時の熱ストレスにより反りやねじれを起こすことがあります。

このように、Vカットは基板を面付けする便利な方法である反面、費用が増加したり反りの発生の原因になったりします。

私たちは、単にコストを下げるだけでなく、いつも最高のコストパフォーマンスを提供できるよう努力しています。特に外形寸法や仕様を決定した後では基板のコストダウンの選択肢がぐっと減ってしまいます。お悩みは仕様決定の前にお気軽にご相談ください。

基板の製造工程(8)　（外形加工I）

基板の表面処理が完了すると、ワークサイズの不要な部分を切り捨てる外形加工の工程に移ります。外形加工は金型加工とルーター加工の2種類あります。ルーター加工とは、側面に刃のついたドリルのような円形のビットで基板端面をなぞるように切る方法です。

金型は「紙系」材料の基板を加工する場合と、「ガラス系」材料の基板を加工する場合で異なります。「紙系」の基板ではほとんどの場合、すべての穴とミシン目・スリットを一括してパンチング（打ち抜き）します。一方で、「ガラス系」の基板では、径の小さい穴はパンチング加工ができないことと、スルホールやミシン目はドリル加工によって穴をあけるため、筐体への取付け穴やスリットのみ加工します。また、紙ベースの材料をパンチングする場合には基板を予め加熱しますが、ガラスベースの基板は常温のまま加工します。更にガラスベースの基板は材料が堅いため、金型の耐久性を向上させるために刃に焼きいれの加工を施します。

費用の側面から見ると、金型加工は金型代が高くつくものの加工費用が安いためイニシャル費用を回収できる大ロット、ルーター加工は金型のイニシャル費用が回収しずらい小ロットや試作品向きです。加工時間から見ても金型加工では、ルーターマシンと異なり短時間で一度に加工できるメリットがあります。

また、円や異形の外形の基板を面付けする場合、「プッシュバック式」の金型があります。これは、抜いた製品を元の位置にはめ込むようにして戻す手法の金型で、1回の加工で打ち抜く作業と元の位置に押し込む2つの仕事をこなします。金型費が通常の2倍程度になってしまうのが厳しいところですが、小さな基板を面付けすることができ、スリットやVカットを組み合わせて反りも抑制することができます。

ところが、多層板では大口ロットであってもルーター加工を使うケースが増えてきました。一番の理由は加工での品質の差です。ルーター加工ではビットの太さや回転の速度など調整することができるため基板端面は滑らかで、切断面の仕上りが滑らかです。金型加工でも破断面の品質を確保するために打ち抜きの力を均一になるように気を遣い、基板にかかるストレスを軽減する工夫もされていますが、どうしても基板端面を破砕することになるため基板端面にストレスがかかって白くなります。また、破砕面からガラスの粉が落ちたりするため、一部の製品向けには金型は使いづらいのです。携帯電話を代表とする板厚が薄いビルドアップ基板では外形加工はルーターを使う事が多いそうです。

最後に例外のお話をひとつ。ここまでのお話は一般的に使用されている紙フェノールやガラスエポキシ系の基板を想定しています。最近増えつつあるFPC（フレキシブル基板）や放熱特性を重視したメタルベース基板は、材質の特性上ルーター加工が難しく金型加工になります。

コストダウンのツボ

前の項で費用の面で、金型の加工費が安いと申し上げました。事実、1枚の基板の加工時間を考えると、金型を使った場合はセッティングが済んでしまえば一瞬で加工が完了しますが、ルーター加工は基板の周囲やスリット部をなぞるように加工するため相応の時間がかかります。原則論でいえば、金型加工とルーター加工ではそれなりの価格差があってしかるべきなのです。

まわりくどい言い回しで大変申し訳ございません。しかし、最近ではその価格差が急激に縮小しているのです。ある量産メーカーで生産技術部隊の方のお話を聞かせていただいて私なりに想像するに、以下のような事情があると考えます。

メーカー側の事情

1. 民生向けの基板の多くがユーザーの要望でルーター加工に置き替り、メーカーがルーターマシンを多く導入した結果、量産効果で加工費が下落して金型用のプレスマシンを保有する意味が薄れた。
2. 従来から保管している金型の保管スペースが大きくなりすぎて、保有コストがバカにならなくなってきた。
3. ルーターマシン自体の価格が下がってきた。

ユーザー側の事情

1. ユーザー側で資産圧縮の動きが広がり資産計上しなければならない金型が敬遠され始めた。
2. 製品のライフが短くなり、製品あたりのイニシャル費用を低減する必要性が大きくなった。

片面板の世界ではまだ金型加工が主流ではありますが、私たちは、今後ルーター加工がこの業界の主役になると考えています。特に大口ロットの海外生産が当たり前になって小口製品への対応力はさらにクローズアップされると思われます。