プリント基板（PCB）

プリント基板PCBのひずみ測定の重要性について、常々遭遇することを含めて記載します。

プリント回路基板（PCB）のひずみ計測

PCやスマートフォン、車など無数の電子部品が使用されており、これらの製品の多くにプリント基板（PCB）が使用されています。

PCBは製造過程だけでなく、輸送や使用中（変形、振動、衝撃、熱暴露など）に機械的・熱による影響を受けます。

PCB製造中における不具合や負荷

• コネクタ、電源レール、冷却プレート、コンタクトピン、バッテリホルダなどの取付け時のひずみ
• 表面実装型デバイス（SMD）、スルーホールデバイス（THD）などの実装時に起こる破損
• ボールグリッドアレイ（BGA）のはんだ接続箇所の応力による亀裂および破断
• 着脱中に起こる過渡的なひずみ
• ハウジングへの挿入、ねじ締め、圧入などで生じる機械的負荷の増加
• 製造中の高い曲げひずみによって生じるコンデンサの破壊
• インナーサーキットテスト（ICT）中、テストプローブから過剰な力を受けた場合

搬送や機器運転の際における負荷（応力）

• 機械負荷（静的）
• 振動と衝撃（動的）
• クラックの原因となる熱応力
• 加熱冷却サイクルの繰り返しなどによる疲労破壊

上記のような負荷が重大な故障につながります。

PCBテストに関する要件と国際基準の拡張

OEMメーカーは部品供給者に対し以下のような理由でPCBの機械的品質の確認を要求するようになってきております。

• 鉛フリーはんだの使用により機械的負荷に対して弱くなり、従来より壊れやすくなったこと
• SMD（表面実装型デバイス）に代えて、BGA（ボールグリッドアレイ）など、より小さな部品に変更したこと
• 電気的な接点結合力が強化されたことで機械的張力が増加したこと

ひずみゲージを用いたPCBの評価方法はIPC/JEDEC-9704Aで規定されており、品質評価や故障解析などに有効です。

PCBのひずみを計測する方法

CAEなどのシミュレーションは、数値モデルをベースにしているので、その範囲が限られます。従って、基板上のひずみなど応力を測定するには、物理的なテストが不可欠です。ひずみ値は、PCBの機械的変形を計測する信頼できる値になります。

ひずみゲージは、PCBの変形を極めて正確に計測できるよう1軸ゲージで最小1.2×1.1ｍｍ角、3軸でも2.5×2.5ｍｍ角と、超小型のものから選択可能です。

PCBのひずみ計測箇所

完成したPCB基板は、はんだ付けなど様々な方法で接合された材料特性が異なる部品で構成されますので、機械的にとても複雑です。極端なことをいえば、接合する部品1つでも変われば、応力が変わります。シャフトなど簡単な形状をしていれば引張、圧縮、ねじれなどの応力は正確に解析が可能ですが、 PCB基板はそうはいきません。

かといってPCB全域をチェックすることは、コスト・時間の面などから現実的ではありません。 従ってPCBの計測は、下記のような障害の危険性が特に高いと推定される箇所に行います。

• 基板の固定に使用される基板端部
• コンデンサなど大きな部品は剛性を高めるので、剛性が高い（硬い）箇所
• はんだ接合箇所

文中の写真画像は全てイメージです。