今回のブログは、基板の表面処理について紹介します。

プリント基板は、紙やガラス基材に樹脂を浸透させた絶縁版に銅箔を
張りつけた銅張積層板(Copper Clad Laminate)を加工したものです。
エッチングや積層などを施してプリント基板を製造しています。

名前の通り、プリント基板の導電部分(パターン)は銅です。
空気に触れることで徐々に酸化し錆びてしまいます。

部品実装などで半田付けする部分を除き、レジストを
塗布することで表面を保護し、酸化を防止しています。
(酸化だけでなく、絶縁性等も含めた基板保護になります)

半田付け部分はどうするのか・・・と、いうのが、
今回紹介する基板の表面処理になります。

基板の表面処理は大きく分けて3種類あり、

①プリフラックス
②半田レベラー
③金メッキ

となります。

①プリフラックス
　水溶性フラックスを塗布した表面処理です。
　フラックス、プリフラックス、OPS(Organic Solder preservative)など、
　色々な呼ばれ方をします。弊社では「フラックス」と呼んでいます。

フラックスは無色透明で、何もコーティングされていないように見えます。
プリント基板の製造では最も一般的に使用される表面処理方法です。

・長所
　コストが最も安価
　半田濡れ性が良い
　平坦度があり、チップ部品の実装に適している

・短所
　保管期限が短い(通常、2～3カ月)
　導電性が無い

等があります。

●保管期限について
　適切な保管を行った場合の保管期限になります。
　通常は直射日光を避け、温度25度以下、湿度50%RH以下での保管が目安のようです。
　なお、IPCでは湿度10%RH以下で保管するように定められています。
　(IPCについては後日記事にする予定です)

なお、このフラックス仕上げは部品実装・半田付け前に
塗布されるフラックスとは全く異なる処理です。
区別するために、基板製造時の表面処理を「プリフラックス」、
部品実装前に行う処理を「ポストフラックス」と呼んでいます。

②半田レベラー
　溶融した半田を浸潤塗布し、余分な半田を熱風で吹き飛ばして仕上げる表面処理です。

パッドやランドに半田が付いた外観になります。
長期保管が必要な場合に選択されます。

・長所
　保管期限が長い(6カ月)
　フラックスの次に安価
　半田濡れ性が高く、特にリード部品の半田上がりが良い

・短所
　平坦度が低い
　半田ブリッジが発生しやすい
　スルーホール/VIAの内壁に半田が付く為、穴径が(他の表面処理に比べ)小さくなる

等があります。

平坦度が低いというのが、どういった状態かというと・・・

このように、半田は熱風で吹き飛ばした後に冷えて固まりますが、
半田の多い部分と少ない部分が発生し、凹凸が発生します。
余分な半田が半田ブリッジの発生につながることもあります。

また、半田レベラーには、共晶(有鉛)半田と鉛フリー(無鉛)半田がありますが、
現在は鉛フリーが殆どです。弊社でも指定が無ければ鉛フリーとなります。
(特殊用途でなければ共晶(有鉛)半田レベラーは選択されません)

続いて金メッキなのですが、長くなってしまいましたので・・・
次回もお楽しみに！

@kitaoka

今回のブログは、信号と電源の重畳（ちょうじょう）について、紹介させて頂きます。

例として、
PoC　(Power over Coax)
PoE　(Power over Ethernet)
等、信号線に電力を重畳する例や、

PLC　(Power Line Communications)
のように、電力線に信号を重畳する例があります。

どちらも信号と電源を1本のケーブルで接続できたり、
敷設済みのコンセントを通じて通信出来たりと、非常に便利です。

この信号と電源の重畳と分離は基板設計上で物理的に
工夫されているので紹介させて頂きます。

同軸タイプの「PoC」を例に挙げてみます。

ホスト機器側で、電源と信号の重畳を、
ターゲット機器側で、電源と信号の分離を行う回路例です。

同軸ケーブル1本で、接続し、ホスト側から電源を給電する為、
ターゲット機器側にコンセント等の電源供給設備が不要になります。

数十Ｗの電源と、インピーダンスコントロールの必要な高速信号を
同居させるわけですから、アートワーク上で工夫しないと、
信号が大きく減衰したり、反射やノイズの影響を受け、正常に通信できないこともあります。

実際に、Fakra規格の通信が正常に動作せずに困っているとの相談を受けたことがあります。
回路図上は問題となるところが見受けられず、アートワークデータを確認したところ、
明らかに反射の影響が大きく出るデータになっており、信号の重畳・分離を考慮して
設計されておりませんでした。
弊社にてアートワーク設計を見直すことで、正常動作し喜んでいただけました。

ポイントとしては、「反射を起こさない(スタブを作らない)」、
「インピーダンスコントロールを行う」、「部品の適正な配置」
と言った、一般的なことではあるのですが、知識が無いと難しいのかもしれません。
また、ターゲット機器は物理的制約(小型化)が大きいこともあり、設計自体の
難易度が高いことも多いかと思います。

ご興味あれば是非お問い合わせください。

@kitaoka

今回のブログは、バックドリル工法について、紹介させて頂きます。

バックドリルとは

・ビアのスタブを除去する為の工法

となります。

具体的な例として・・・

上図は、8層基板の断面図で、信号がビアを介して1層目から3層目に接続されています。
4層目から8層目のビア部分はスタブになります。

このスタブをドリル加工で除去する工法を「バックドリル」と言います。

このような工法が生まれた背景として、ビアのスタブが

・アンテナとなる為、放射ノイズの問題
・インピーダンスの不連続による伝送損失
・反射による問題

など、信号線の高速化に伴い無視できなくなった為です。

具体的な基板加工としては、積層・パネルメッキ等の一連の加工が終わった後、
スタブ部分をビアのホール径よりも大きいドリルで削り取ることとなります。

基板の厚み公差、ドリル加工での深さ方向の公差など、加工時に生じる公差と基板自体の歩留まりを考えると、完全なスタブ除去は難しく、写真の通り、多少のスタブは残ってしまいます。

なお、デバッグ結果から、ある一定の層を除去するだけでも
特性が改善されるとの評価も得られております。

思想は異なりますが、ビアのスタブを無くす手法として、ビルドアップ基板があります。
ビルドアップ基板と比較したメリット・デメリットを上げてみます。

・メリット
ビルドアップ基板に比較すると基板コストは低い
貫通ビアである為、設計は比較的容易

・デメリット
量産に向かない
高密度化には向かない(ドリル加工であるため、狭ピッチでの加工が困難)

試作や少量の製造であれば非常に効果のある製造工法かと思います。
ご興味ありましたら是非お問い合わせください。

@kitaoka

前回に引き続き、「パッドオンビア＋穴埋め」の製造工程について、紹介させて頂きます。

標準的な基板とパッドオン＋穴埋めの基板では、パネルメッキ後の工程に違いがあります。

①積層
②ドリルによる穴空け加工
③パネルメッキによる導通の確保

この後、レジストやシルク・表面処理を行うと、標準的な基板となります。

「パッドオンビア＋穴埋め」ではパネルメッキ後に、標準外の穴埋め工程が必要になります。

④樹脂(または伝導性ペースト)充填
⑤硬化・平坦化
⑥ふたメッキによる導通確保

この標準外の作業は、人手によるものが大半ですので試作ならではの工法になり、コストも
少しお高くはなりますが、基板サイズに制約が有る際や、出来るだけ小型化したいなど、
基板やデバイスピッチの狭小化を求める製品向けに提案しております。

@kitaoka

今回のブログは、パッドオンビア＋穴埋めの基板工法について、紹介させて頂きます。

そもそも、パッドオンビアとは何か？から紹介させて頂きます。

パッド(Pad)とは、部品を取り付けるために設けられた銅箔部分(表面処理によって、金メッキや、半田メッキ等が施されます)のことを指し、
このパッド部分にビア(VIA)を設けることを、パッド オン ビアと呼んでいます。

上図のように、標準的な設計では、部品から引き出しラインを引いてパッドの外にビアを設けます。
一方、パッドオンビアは、その名の通りパッドの上にそのままビアを設けるため、標準的な設計に比べ、部品間隔を詰めたり、配線を多く通すことができる為、基板の小型化に有効な手法となります。

デメリットももちろんあります。
ビアを設けることから、穴が開いてしまいます。
部品実装する際、この穴に半田が流れ込むことで実装不良となる恐れがあります。

放熱パッド等であれば、半田が流れ込まないようにパッドの形状や、レジスト形状を工夫することも可能ですが、狭ピッチBGAのパッドや2端子チップのパッド等、工夫することが不可能な形状も存在します。

ここで登場するのが今回紹介する「パッドオンビア＋穴埋め」という工法です。
穴が問題になるなら塞いでしまえ!
と言うことですね。

樹脂や導電性ペーストでビアの穴を塞ぎ、蓋メッキを施すことで導通を確保し
実装上の問題点をクリアにします。

ただ、工法が標準外になりますので、次回ブログでそのあたりを紹介できればと思います。

@kitaoka