不適切な基準マーク設計がPCBの印刷品質に与える影響

あらゆる電子部品の重要な担い手として、プリント基板部品に優れた機械的支持を提供し、論理回路に従って、さまざまな厚さの銅箔ラインとさまざまなサイズのはんだパッドによってそれらの部品を接続し、製品の電気的性能を実現する。ほとんどの電子製品がSMTによって製造されているため、PCB設計の品質は、電気的性能の正常な動作と、有効な動作の両方に直接関係している。PCB組立製造. フィデューシャルマークが印刷品質に与える影響を踏まえ、本稿では、点から面への手法において、電子製品製造分野におけるPCBの製造性が持つ重要な影響について論じる。

フィデューシャルマークの機能

SMT デバイス方式による電子製品の量産工程において、組立用の各バッチの PCB は、正しい基板であり、かつ位置が正確であるという要件を満たさなければなりません。特別な設計を伴わない手動操作では効率と精度が低くなり、製品不良を引き起こす可能性があります。

ボードの正確な位置決めは、一般的に位置決め穴または基準マーク（フィデューシャルマーク）によって確保することができます。位置決め穴の設計は、ブランドおよび型番に依存するためPCB組立装置各プリント基板には位置決め穴は設けられていませんが、基準マーク（Fiducial Mark）は各プリント基板に必須です。

フィデューシャルマークは、特殊な光学式位置決め用シンボルです。製造工程において、組立装置はフィデューシャルマークを照射し、生成された画像座標をシステム内にあらかじめ設定された標準データと比較します。座標が標準データと一致しているか、あるいは差異が許容範囲内であれば、装置はプリント、実装、はんだ付けなどの工程のために機内へ送られるプリント基板（PCB）の正しさを判定します。そうでない場合、PCB は不正と判定され、基板の搬送は一時停止されてアラームが発報されます。

したがって、基準マークは電子製品の正確性を保証するうえで重要な役割を果たしている。しかし、多くのPCB設計者設計したPCBが実装装置に認識されず、その後の正常な生産が行えなくなることがあります。PCB設計の過程では、基準マーク（Fiducial Mark）の要件や規定を把握しておくことが極めて重要です。

フィデューシャルマーク設計の要件

・基準マークの構成および設計パラメータ

統合されたフィデューシャルマークは、マークとクリアランスで構成されており、図1に示されています。フィデューシャルマークの一般的なパターンを図2に示します。

一般的に、直径1mm（±0.2mm）のソリッドサークルが、ベア銅、錫めっき、またはニッケルめっきに透明な防錆コーティングを施したフィデューシャルマークとして最適な選択となります。実装装置によってフィデューシャルマークを容易に認識させるために、フィデューシャルマークの色は周囲のエリアの色と明確に異なっている必要があります。さらに、フィデューシャルマークの周囲には、それより1mm大きいクリアランスを設ける必要があります。一般的に、クリアランスの半径は少なくとも2R（Rはフィデューシャルマークの半径を指す）とし、クリアランスの半径が3Rの場合、装置による認識効果が最も良好になります。

・基準マークのルーティング要件

3つの非線形点が1つの平面を決定するという理論に基づき、図3に示すように、PCB上には「L」字パターンで3つの基準マークを配置する必要があります。 もし基板上のスペースが限られていて3つの基準マークを配置できない場合は、図4のように、少なくとも対角線上に並ぶ一対の基準マークを基板上に配置しなければなりません。

対角線上の基準マークは、完全に対称に配置してはいけません。そうしないと、基板が正しくない場合でも装置が誤差を検出できず、不正確な基板や誤実装による不良が発生してしまいます。特別な要件があり高精度な位置決めが必要な部品については、実装精度を高めるためにローカル基準マークを設計することができます。

さらに、基準マークとPCB端部との距離は、SMT装置によって規定される最小距離要件よりも大きくし、基板端ではなくPCB内部に配置するとともに、基準マークの最小クリアランス要件を満たす必要があります。 また、印刷装置および実装装置の認識効果を高めるために、基準マークのクリアランス内には配線、シルク印刷、パッド、Vカットなどを配置してはいけません。さらに、そのクリアランスと、同種の他の金属ポイント（たとえばテストポイント）との距離は、少なくとも5.0mm以上確保しなければなりません。

・フィデューシャルマークの製造要件

In theベアボードPCB製造の工程、基準マークによるサイズ変化は25μm以内でなければなりません。サイズ変化が大きすぎると、コンピューター画像で取得されるデータの偏差が標準値の変動範囲を超えてしまい、ボードローダーとアラームの両方に影響を及ぼし、生産効率が低下します。

基準マークの表面平坦度は15μm以内に管理し、同一の内部背景を共有させる必要があります。そうしない場合、平坦度が低いことにより装置の認識性能に影響を及ぼす可能性があり、場合によっては装置が正常に動作しないこともあります。

同一ボード番号を持つPCB上のすべての基準マークは、サイズおよび形状が同一でなければなりません。すべての基準マークは、直径1mmの塗りつぶし円で表示することが推奨されます。基準マークとPCBの基材との間に高いコントラストが得られる場合、最良の性能が得られます。さらに、銅箔基板上では、基準マークは銅箔から分離されている必要があります。

ケース分析

わかりやすい説明を提供するために、PCB試作サイズ50mm×30mmのものは、図5に示すように、対角線上に配置された基準マークとともに、Protelソフトウェアで作図されている。

図5のフィデューシャルマーク設計において、本装置は、プリンタによる正しい印刷作業を確実に行うために、カメラを用いて正しい基板装填方向でパラメータを認識および比較することができます。

しかし、図6に示すように試作機が180°反転している状況など、基板の搬入方向が誤っている場合でも、装置は依然として基板搬入方向の正しさと現在のPCB上の位置を維持します。この条件下では、既定の手順に従って通常の印刷作業が実行されます。

これは製造効率を大幅に低下させます。さらに悪いことに、PCBA の効率は非常に高いため、不良 PCB が発生して製造が停止するまでの間に、多くの問題のある PCB が生産されてしまいます。このような状況では、製造時間と効率が低下し、製品品質にも影響が及びます。

Fiducial Mark の配置において完全な対称を避けることに加えて、Fiducial Mark の端部と基板端部との距離にも注意する必要があります。この距離は 3.5mm～5mm の範囲に設定しなければなりません。さらに、Fiducial Mark のマークサイズは中程度でなければならず、大きすぎても小さすぎてもいけません。円形パターンの場合、直径は 1.0～3.0mm の範囲に制御する必要があります。直径が大きすぎると、装置は比較的大きな位置補正を行うため、印刷不良を伴う比較的大きなずれが発生します。直径が小さすぎると、装置がそれらを認識できず、基板の搬入を拒否したりアラームを発したりする可能性があります。

結論として、基準マークの設計自体は比較的容易であるものの、いくつかの細部は見落とされがちです。もし不適切に設計されると、本来基準マークが備えるべき機能が実現できないだけでなく、問題が発生して印刷エラーや製造の遅延を招く可能性があります。したがって、回路設計者は回路設計に関する理論的知識と、PCB 製造における実装装置の要求を十分に理解し、生産ラインのあらゆる側面から挙げられるすべての要件を考慮して、製品の生産性、製造効率および経済性を高めなければなりません。

役立つリソース
•SMT基板の設計要件 第四部：マーク
•PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス - 複数の付加価値オプション
•PCBCart の高度な PCB アセンブリサービス - 1 個から対応