ゲートウェイ、センサノード、リモート I/O モジュールなどの産業用ワイヤレス機器は、小型の筐体内に無線回路、スイッチングレギュレータ、高速デジタル回路を収めている。EMC の性能は主にレイアウトおよび筐体設計の段階で決まる。しかし、図面上では問題なさそうに見える設計でも、ライン上では誰も気づかないようなわずかな組立て誤差により、プレコンプライアンス測定で不適合となる場合がある。
本記事では、組立工程が引き起こしうる、あるいは防止しうるEMCリスク要因と、それらを早期に検出するための検査および初品検査の手法について取り上げます。OEMまたは認定された第三者試験機関が実施するEMC認証試験については扱いません。
アセンブリが制御できることとできないこと
アセンブリでは修正できない貧弱なリターンパス設計ただし、それはボードが設計意図と一致していることを確認することはできる。すなわち、行われるべきあらゆる接地接続が行われていること、あらゆるシールドが正しく装着されていること、すべてのデカップリングおよびフィルタリング部品が存在し、正しい位置に配置され、正しくはんだ付けされていることを確認できる。
これらのいずれかの点で設計意図から外れた基板は、機能テストには合格しても、エンジニアリングサンプルとは異なる形でノイズを放射したり結合したりする可能性があります。すると、エンジニアは不具合が設計上の問題なのか製造上の問題なのか判断できないため、事前適合試験の結果を解釈することが難しくなります。
組立工程で生じるEMCリスク要因
グランドビアおよびグランドピンのはんだ健全性
低インピーダンスのリターンパスは、グラウンド接続が完全であることに依存します。組立工程において、関連する故障箇所には次のようなものがあります。
スルーホールコネクタシェル、シールドタブおよびホール充填が不十分なグランドピン
過度なボイドや不均一なボイド分布を伴う、QFN などのパッケージ上の露出グラウンドパッド
はんだペーストの塗布が不十分だった接地パッド
電気的には連続していても、機械的または熱的に弱い接合部は接地インピーダンスを増加させる可能性があり、目視検査では確認が困難です。スルーホール接地機能に対しては、窒素保護付きの自動選択式ウェーブはんだ付けにより、再現性のあるスルーホール充填が可能になります。隠れた接合部については、斜角機能付きオフラインX線QFNおよびBGAパッケージの下でのボイドおよびフィル評価を可能にします。
シールド缶の実装およびギャップ管理
RFシールド缶は、平らに取り付けられ、周囲の縁全体で連続した接触が確保されている場合にのみ機能します。組立工程で生じるギャップの原因には、次のようなものがあります。
配置のオフセットまたは回転
リフロー時の部品の傾き
フレームの一角を持ち上げてしまう基板の反り
既に設置されているシールドを乱すリワーク
意図しないすき間は、その長さに関連する周波数でエネルギーを漏らすスロットとして作用します。したがってリフロー時の反りの制御は、平坦度の問題であるだけでなく、EMCリスクマネジメントの一部でもあります。人造石製備品薄型または非対称の基板が熱処理中に反らないよう保持し、JTR-1200D-N のようなマルチゾーンリフロー炉では、異なる熱容量に合わせてプロファイルを調整できるため、大型のシールドフレームと小型の受動部品を同時にリフローさせることができます。
特にコーナー部におけるシールド継ぎ目については、単なる「設置良好」という総合的な判断ではなく、明確な検査基準を設ける必要がある。
デカップリングおよびフィルタコンポーネントの省略とオフセット
デカップリングコンデンサ、フェライトビーズおよび RF フィルタ素子は小型で数も多く、フィーダーエラーにより搭載が抜け落ちたり、ペーストや実装上の問題でずれたりしやすい部品に含まれます。欠落した 0402 や 0201 コンデンサが機能不良を引き起こすことは稀です。しかし、電源レールのノイズを増加させたり、目立った症状もなくフィルタを弱めたりする可能性があるため、不良がそのまま EMC 測定まで持ち込まれ、「設計上の問題」として扱われてしまいます。
位置もまた重要です。パッドから離れた位置にずらされたデカップリングコンデンサは、レイアウト設計によって得られるはずだったループ面積の利点の一部を失ってしまいます。これらの部品におけるずれや立ち上がり（トゥームストーニング）は、外観上の問題ではなく、機能上の欠陥として扱うべきです。
3D AOI の適用範囲：存在と位置の検証
省略されたコンポーネントのリスクは、その後工程では見えなくなってしまうことです。基板がリフロー工程を通過してしまうと、標準的な機能試験では、すべてのバイパスコンデンサが実装されているかどうかを確認できません。ここで検査設計が重要になります。
3D AOI重要なデカップリングおよびフィルタリング部品について、次の点を確認できます。
存在コンポーネントは不在ではなく、パッド上にあります。
位置と回転:パッドに対するオフセットが定められた制限内にある
極性または向き部品が分極している箇所
はんだ接合部の形成：両端部のフィレット形状およびぬれ
実務的な対策としては、AOI プログラム内で EMC クリティカルな部品を分類し、それらの有無チェックに対してはデフォルトのしきい値ではなく、厳格でレビュー済みの判定基準を適用することです。上流で 3D SPI を組み合わせれば、プロセスはクローズドループになります。すなわち、チップ立ちや部品ずれを引き起こすはんだペースト量や位置ずれの問題を、リフロー後ではなく、その前に検出して是正できます。MYCRONIC システムを用いたジェット印刷やディスペンスは、高さのある部品付近でステンシル印刷が困難な高密度基板においても有効です。
検査結果の有意性は、その背後にある基準によってのみ決まります。プログラムを作成する前に、最初の逸脱が発生してからではなく、何がEMCクリティカルな部品に該当するかを定義しておきましょう。
初回品確認：EMCクリティカルチェックの追加
初回品検査は設計意図を検証するための自然な場であり、ここで確認された内容は後のすべてのユニットに継承されます。産業用無線ボードの場合、標準的な初回品チェックリストに以下の項目を追加することを検討してください。
EMC重要コンポーネント一覧:設計チームから提供された、デカップリング、フィルタリング、フェライト、およびシールド部品の短いリストであり、BOM と実装図面に対して個別に検証しなければならないもの
シールド座席フレームが隅や縁に持ち上がりが見られず、平らに設置されていることを、目視および3D測定で確認すること
接地接続：接地スルーホール形状のホールフィル検査、およびQFNパッケージ直下のグランドパッドのX線検査
アンテナおよびRF立入禁止エリア：設計上、クリアであることが求められている箇所に、意図しない部品、残留物、またはコーティングに敏感な領域が存在しないことの確認
基準からの逸脱量産前に、別種の誘電体や別メーカー品など、フィルタまたはデカップリング部品に対するいかなる認可済み代替品も、文書化し設計チームへ通知しておくこと
目的は書類仕事を増やすことではなく、EMC に関連する部品に関する質問を、設計責任者を交えたうえで、最初に一度だけ行うことを確実にすることです。
コンプライアンス事前分析を支援するプロセス記録
ボードが事前適合試験に不合格になった場合、最初に確認すべきなのは、それが合格したボードと異なっているかどうかです。UIDトレーサビリティとレーザーマーキングを備えたスマートMES各ボードを、その構成ロット、プロセスパラメータ、および検査結果に関連付ける。もしあるユニットが異なる挙動を示した場合、エンジニアは、そのユニットの製造記録を良好に動作したユニットの記録と比較することができる。
これらは製造記録およびプロセス能力に関するものです。計測や校正の認定ではなく、EMC 試験ラボの認証でもありません。正式な EMC 試験およびそれに伴うあらゆる宣言についての責任は、OEM とその認定試験機関にあります。
組立段階におけるEMCリスク自己チェックリスト
組立工程に産業用ワイヤレス設計をリリースする前に、このリストを使用してください。
BOM 内で特定されフラグ付けされた、EMC がクリティカルなデカップリング部品、フィルタ部品およびフェライト部品
これらの部品の有無および位置ずれに対して定義された3D AOI基準
座面および隅角継手の検査要件が規定されたシールドフレームおよびカン
ホール充填およびX線検査の対象として特定された、グランド接続されたスルーホール機能およびQFNグランドパッド
反りが発生しやすい領域、特にシールドフレーム周辺について、治具によるサポートの観点から見直しを実施
組立図面に示されたアンテナ禁止エリアおよびRFゾーン
シールドおよびフィルタ処理されたエリアに合意された改修制限
EMC重要項目を追加した初品チェックリスト
フィルタおよびデカップリング部品について文書化された承認済みの代替規則
トレーサビリティのレベルが合意されているため、予備適合性評価の結果に差異が生じた場合に製造記録を比較できる
産業用ワイヤレス設計を製造に向けて準備している場合、PCBCart は、生産開始前に、EMC で重要となる部品検証を含め、これらの実装段階における要因に照らしてお客様のファイルを確認できます。DFM 事前レビューのためにプロジェクトを提出するBOM、組立図、およびEMCに重要な部品のリストをご用意ください。
役立つリソース
•PCB EMC設計における初回成功の実現
•高周波回路および電磁両立性のためのPCB設計
•産業用PCBAのためのDFM監査チェックリスト：手戻り率を40％以上削減する38の設計ルール
•PCB SMTアセンブリにおけるAOI、ICT、AXIの比較と使用タイミング
