ノートパソコン用充電器のPCB製造における問題点とその解決策

PCB（プリント基板）は、ノートパソコン用充電器を含む現代の電子機器産業で広く使用されています。ノートパソコン用充電器は、小型で内部構造がシンプルであり、使用される材料も少ないという特徴があります。電子機器産業における重要な要素の一つとして、PCBは部品を搭載するための土台として重要な役割を果たしています。

ノートパソコン用充電器に使用されるPCBは両面基板です。大量生産される両面PCBに関して、もし基板上の部品設計が不適切であったり、設計仕様に適合していなかったり、あるいはPCB基板が酸化、オープン回路、ショート回路、ソルダーレジストの剥離といった問題を抱えている場合、はんだ付けの品質と性能に影響を及ぼし、不良なはんだペースト印刷、PCBのオープン回路、ショート回路、ソルダーレジストの剥離などを引き起こします。この記事では、上記の問題に基づき、ノートパソコン用充電器向けPCBの品質をさらに向上させるためのいくつかの解決策を提示します。

PCBはんだペースト印刷ソリューションの改善

不良なはんだペースト印刷は、トランスフォーマのピン部におけるはんだペースト印刷不良と、PCBの酸化によるはんだペースト印刷不良に分類できます。

トランスピンへの不適格なはんだペースト印刷

トランスフォーマピンへのはんだペースト印刷に関する解析では、はんだペースト印刷時の温度の観点から解析を行う必要がある。実際の作業記録によれば、予熱温度は100°C以上である。第1ウェーブはんだ付け温度は230°C〜260°Cの範囲であり、第2ウェーブはんだ付け温度は150°C以上である。両方のウェーブはんだ付け温度は260°C未満であり、印刷時間は3〜6秒の範囲で、印刷要件に適合している。したがって、印刷温度および印刷時間はいずれも規格を満たしていると結論づけることができる。 次に、トランスフォーマピン仕様の解析を行う。黒ジャンパ線の長さは22mm〜25mmの範囲にあり、そのためにはんだペースト印刷が不合格となっている。したがって、黒ジャンパ線は20mm〜23mmの範囲に修正する必要がある。その結果、はんだペースト印刷の不良率は0に低減される。

PCBの酸化によるはんだペースト印刷不良

PCBの酸化によりはんだペースト印刷が不良となる原因は、以下の通りです。

a.PCBの酸化によってはんだペースト印刷が不良となるパッケージ上の問題には、主に次のものが含まれます。
① PCB はメーカーで長期間にわたり十分に密封されずに保管されています。言い換えると、PCB ボードは真空包装が不完全な状態で保存されています。
① PCBは長期間にわたり倉庫に保管されており、一定の温度と湿度の管理が行われていない。

b.PCBメーカーはOSP（有機はんだ付け性保存剤）の管理にほとんど注意を払わず、定期的なSPC（統計的工程管理）も実施していない。現在までのところ、管理範囲は0.35μm±0.1μmとなっているが、実際の測定値は約0.34μmであり、これは下限値に近い。

c.乾燥技術が適切に実施されておらず、水分を吸収するためのスポンジスティックが過剰に水を吸ってしまうため、PCB 表面の水分を完全に除去することができない。また、乾燥温度は 80°C に設定されているが、実測温度は 75.6°C であるため、完全な乾燥が達成されず、その結果、高温オーブンを通過した後に PCB パッドが酸化してしまう。

d.作業者が素手でPCBボードに直接触れることで、回路基板の表面に汚染物質が残留する可能性があります。

上記の三つの問題の解決に対応する改善策について、この段落で述べる。真空包装については、メーカーは必ず PCB を真空パッケージで包装しなければならず、そうでなければ返品となる。さらに、一度真空パッケージを開封した場合、PCB は 7 日以内にはんだペースト印刷工程を通過しなければならず、SMT（表面実装技術）実装後の PCB は、定期的に点検される一定温度・一定湿度の環境で保管しなければならない。製造工程中、OSP は 2 時間ごとに検査し、同時に SPC も実施する必要がある。加えて、乾燥技術の管理を強化し、吸水スポンジは毎週交換し、4 時間ごとに洗浄しなければならない。実際の温度は設定温度と一致していなければならない。さらに、PCB を素手で触れてはならないことを、作業者および従業員に周知しなければならない。

このような一連の対策により、PCBの酸化によって発生していた不良はんだペースト印刷は、従来の0.0089％から0.001％へと大幅に低減されます。

PCBオープン回路のソリューション改善

PCBのオープン回路は、ビアオープン回路と銅箔オープン回路の2種類に分類されます。

オープン回路経由のソリューション

ビアにおけるオープン回路は、基板材料、積層、ドリル加工、銅めっきなど、多数の製造プロセスが関係するため、一般的な技術的問題よりはるかに複雑です。さらに、この種の欠陥は、SMT実装が行われるまで決して発見されません。その結果、この問題の本質的な解決策は、根本からの予防にあります。

ビアをオープン回路として解析すると、ビアの上面と下面には銅が均一に分布している一方で、ビアの一端には銅が存在しないことが分かります。ソルダーレジストを剥がすと、その回路がオープンであることが判明しました。

その後、PCB のドリル加工、電解めっき、ドライフィルム、エッチング、電気検査および製品検査に対して解析が実施される。ビアのオープン不良は、以下のような理由により発生する可能性がある：ドリルバリが完全に除去されていない、電解めっき前の洗浄が不十分である、ドライフィルムのラミネート速度が速すぎる、ドライフィルムの洗浄が不十分である、エッチング後に PCB 上の各ビアに対して透過検査（バックライト検査）が行われていない、電気検査時に良品と不良品の識別マークが明確でない、ビア銅に対する検査が行われていない。

上記のすべての欠陥を解消するためには、改善策を実施する必要がある。ドリルバリの不完全な除去を防ぐため、作業者は手作業による研磨と併せて研磨を行う必要がある。電解めっき前に製品を完全に洗浄するためには、ビア開口部のバリを研磨して除去しなければならない。ドライフィルムの急速な乾燥を防ぐため、ラミネート速度を2.0m/sに調整する必要がある。

銅箔オープン回路の対策

銅箔のオープン回路は通常、エッチング工程、検査工程、および電気めっき工程で発生します。したがって、これら3つの側面から対策を講じる必要があります。

エッチング工程は慎重に監視および分析する必要があります。汚れたエッチングが見つかった場合、作業者はそれを清掃しなければなりません。清掃中にドライフィルムが破損すると、オープン回路が発生しやすくなります。なぜなら最初の記事エッチング工程で検査や承認が行われない場合、不完全なエッチングは管理も是正もされず、銅箔のオープン回路が次の工程へと持ち越されてしまいます。

試験工学の観察および分析に基づくと、合格品と不合格品のサンプルが十分に管理されていない。不合格サンプルが乱雑に配置されている場合、作業者によって不合格製品が市場に流出してしまう可能性がある。

電気めっき工学においては、電気クリッパーは導電性が悪く、銅めっきは膜が薄いため、オープン回路が発生しやすいという問題があります。

以下の指示に従うことで、解決策を実現できます。
a.初品は検査および承認を受けなければならず、初品が承認されるまでは、エッチング製品を製造してはならない。
b.不完全なエッチングに対応するための修正措置は、基板端部での手動補修や基板内での二次加工を含めて、規定されるべきである。
c.左側の銅が不合格な基板端部エッチングに達する割合が10％未満の場合は、手作業での修理を行うこと。
d.トレースに沿って清掃を行い、フィルムが破損した場合は直ちに水洗いを実施する必要があります。
e.合格品と不合格品には、それぞれ明確に区別できる表示を行わなければならない。
ｆ.優れた導電性を保証できるように、バリカンのメンテナンス頻度は、週に1回から1日に1回へと改善されるべきです。

PCBショート回路対策の改善

PCBの短絡は深刻な欠陥の一種であり、破壊的な結果を招く可能性があるため、可能な限り防止しなければなりません。

PCBの短絡の不良ループに対しては、簡単なテストを実施する必要があり、短絡は通常、楕円形のスロット穴に集中していることを示している。スロット穴の内壁には銅がめっきされているため、製造には数値制御ドリルが用いられる。ドリル装置が長期間使用されているため、穴あけが完全ではない。

この問題を解決するためには、スロット穴を拡大し、異なる数値制御装置に応じて面取りに補正設定を行い、PCBの短絡が発生しないようにする必要があります。

PCBソルダーマスクの剥離対策の改善

PCBソルダーマスクが剥離する原因には、次のようなものがあります。
a.PCB はリフローはんだ付け中に高温と長時間にさらされます。
b.ソルダーレジストの密着性が不十分である、またはプリント基板の前処理が不適切に行われている。

以上2つの理由に基づき、改善策は2つの観点から分析する必要がある。 第1の理由に従い、異なる製造ラインに属する各種リフロー炉の温度プロファイルを分析した結果、リフローはんだ付けの温度プロファイルに実質的な問題はないことが分かった。 したがって、第1の理由は無視できると判断できる。

しかし、2つ目の理由に関しては、解決策は実現可能です。
a.いったん設備に故障が発生した場合は、直ちに製造を停止しなければならない。
b.オペレーターは、後工程での不適合を防止するため、設備の分解時にも再度検査を実施しなければならないことを認識しておく必要があります。

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