PCBおよびSMT実装におけるフィジューシャルマーク：精度と設計ルールの完全ガイド

最新のプリント基板（PCB）は複雑で、0.4 mmピッチのボール・グリッド・アレイ（BGA）、0201サイズのチップ部品、微細ピッチのQFN（Quad Flat No-Lead）パッケージといった高密度部品を実装しています。この高度な製造環境では、マイクロメートル単位の実装精度を達成することが不可欠です。

自動化製造における大きな課題は、1時間に数千個の部品を扱う実装機が、いかにしてPCBを正確に位置特定するかです。コンベア上の基板は理論上の完璧な位置に来ることはなく、わずかな物理的オフセット（水平・垂直シフト、回転歪み）が常に生じます。微細ピッチ部品では0.1 mmの誤差でも実装不良を招きます。

フィジューシャルマークはSMT実装に的確なソリューションを提供します。これらの精密な円形銅パッドは、ビジョンシステムにとって“GPS座標”の役割を果たし、はんだペースト塗布や部品実装前の基板位置合わせに必須の基準点となります。

本記事は、フィジューシャルマークの機能・種類・ flawless なSMT実装に不可欠な標準設計ルールを網羅した技術ガイドです。この精度は堅牢な設計と高度な製造を要します。高品質PCB実装サービス（例：JLCPCB）は、製造性設計（DFM）の原則を用いてデジタル設計から完全に実装された製品を生み出します。

フィジューシャルマークとは？

フィジューシャルマークは、PCB表面に設けられた特定の高コントラストで非ドリルの基準点です。ステンシルプリンタ、ピック＆プレース（PnP）機、AOIシステムといった自動SMT装置の機械ビジョンに認識されることを唯一の目的として設計されています。

各種表面実装部品と3つの円形フィジューシャルマーク（MARK1・MARK2・MARK3）をコーナーに配置したプリント基板（PCB）。

フィジューシャルマークによるビジョン位置合わせ・補正の仕組み

フィジューシャルマークは、CADデータの理想的なデジタル世界と生産ラインの現実の物理世界を橋渡しします。補正プロセスをステップごとに見てみましょう：

1. 基板ロード： PCBをマシン（例：ステンシルプリンタ）に装填。

2. 期待位置： カメラがGerber/セントロイドファイルで定義された1番目のフィジューシャルの予想位置へ移動。

3. 実際位置： カメラが画像を取り、フィジューシャルの正確な中心を認識し(X,Y)座標を記録。

4. 繰り返し： 2番目・3番目のフィジューシャルでも同様に実施。

5. オフセット算出： マシンが期待座標と実座標を比較し、X軸・Y軸・回転オフセットを正確に計算。

最後に、その基板専用の補正行列を全体実装プログラムに適用します。

これにより、すべての部品が理論位置ではなく実際位置を基準に実装され、歪みやシフトを補償します。

フィジューシャルマークの種類と階層：グローバル・ローカル・パネル

真のDFMエキスパートを示すには、すべてのフィジューシャルが同じ目的を持つわけではないことを理解する必要があります。位置合わせは、異なる種類の誤差に対応する階層で行われます。

グローバル・フィジューシャルマーク

● 目的： 基板全体をマシン座標系に合わせ、コンベア上の全体位置・回転を補正。

● 配置： 最低2個だが3個推奨。L字配置（例：近接(0,0)、(X,0)、(0,Y)）で、可能な限り離して精度を最大化。

● なぜ3個？ 2個でもX/Y/回転補正は可能だが、3個で明確な位置決めができ、製造時の基板伸縮誤差も検出可能。

● 要件： 両面SMT実装では、両面にグローバル・フィジューシャルが必須。

ローカル・フィジューシャルマーク

● 目的： 0.5 mm以下ピッチのBGA/QFP/QFNといった高精度部品の位置合わせを補正。

● グローバルだけでは不十分な理由： FR-4基板材は完全に安定しておらず、製造・リフローで僅かに反り・伸縮します。大きな基板では100 ppmの歪みでも端の部品で0.01 mmの誤差となり、微細ピッチ部品でショートを起こします。

● 機能： まずグローバル・フィジューシャルで基板位置を取り、次にカメラを該当部品へ移動し、実装直前にローカル・フィジューシャルで高精度補正を行う。

● 配置： 通常、部品ランドパターンの対角に2個配置。

コーナーに3個のグローバル・フィジューシャルと、QFA部品用に2個のローカル・フィジューシャルを配置したPCB設計ファイル。

パネル（アレイ）・フィジューシャルマーク

● 目的： 複数のPCBを1枚のパネル（アレイ）として生産する際の製造工程で使用。

● 配置： 個別基板上ではなく、アレイを囲む“ツーリングレール”または“廃棄枠”に配置。

● 機能： ステンシル印刷・ピック＆プレースなど重要工程でパネル全体を位置合わせ。その後、個別基板のグローバル・フィジューシャルで更に精密に合わせる場合もある。

パネル全体の位置合わせ用パネル・フィジューシャル、基板ごとのグローバル・フィジューシャル、部品用ローカル・フィジューシャルを示すPCBパネライゼーション図。

フィジューシャルマークの必須設計ガイドライン

フィジューシャルマークは、ビジョンシステムが明確かつ曖昧さなく検出できて初めて有効です。業界標準の設計を守ることが信頼性の高い実装に不可欠です。

形状とサイズ

● 形状： ビジョンシステムの世界標準は実心円。向きに関係なく中心を容易に算出できる。正方形・ひし形・十字など複雑形状は避け、信頼性・効率が低下する。

● サイズ： 一般的かつ信頼できる標準は、直径約1.0 mm（40 mil）の銅パッド。

はんだマスク開口

● ルール： フィジューシャルは裸銅で、はんだマスクがかかってはならない。

● 要件： はんだマスク開口はフィジューシャルパッド直径の2倍以上。1.0 mmパッドなら2.0 mm以上が理想。

● 理由： 光沢銅マークの周囲に裸基板（緑のFR-4など）の高コントラストリングを作り、カメラ識別を容易にする。

銅逃げ（クリアランス）

● ルール： フィジューシャルパッド周囲に“キープアウト”エリアを設定。サイズははんだマスク開口と同径（例：2.0 mm）とする。

● 理由： 近接する反射銅（トレース・プレーン・ビア・文字）がないクリアゾーンを確保し、ビジョンシステムの中心誤認を防ぐ。

1 mm銅パッド、2 mmはんだマスク、2 mm銅逃げの寸法を示すフィジューシャルマーク設計仕様。

基板端からの最小距離

● ルール：フィジューシャルマーク（クリアランス含む）と基板端の間に最低3.35 mmのクリアランスが必要。

● 理由： コンベアのクランプ・レール・治具でフィジューシャルが隠れないよう確保するため。

フィジューシャルマーク（クリアランス含む）と基板端の最小距離3.5 mmが必要。

表面仕上げ

PCBの表面仕上げはビジョンシステムの読み取り精度に影響します。JLCPCBは複数の仕上げを提供しており、実装に最適な選択が可能です。

● 高精度推奨： フラットで反射の少ないENIG（無電解ニケル/置換金）またはOSPが最適。均一で平坦な表面によりビジョンシステムが中心を最大精度で算出。0.4 mmピッチBGAといった極微細部品には推奨。

● 標準・コスト重視： JLCPCBが鉛入り/無鉛で提供するHASL（ホットエア・レベリング）は一般的で信頼性があります。ただし、HASLはパッドに僅かな凹凸と反射を残すため、超高精度用途では完全に平坦なENIGに比べて読み取りがやや難しくなります。標準SMT設計には十分です。

詳細： PCB向けHASLとENIG表面仕上げの比較

フィジューシャルマークを誤って設計すると？

正しいフィジューシャルを入れないことは最も多いDFMエラーの1つです。結果は即座にコストがかかります：

1. 実装却下： 製造業者はジョブを保留にします。自動SMTラインは有効な基準点なしでは動作できません。

2. はんだペースト位置ずれ： ステンシルプリンタが最初にフィジューシャルを使用します。この段階でずれるとはんだペーストがパッド外に塗布され、欠陥が必然となります。

3. 半田付け不良： ずれたはんだペーストは次を直結して引き起こします：

• はんだブリッジ： 微細ピッチパッド間にペーストがブリッジしてショート。
• 開放： はんだペーストがパッドを完全に覆わず接続不良。
• トムブストーニング： チップ部品の一方パッドだけペースト量が適正で、他方が不足しリフローで“墓石”のように立ち上がる。

4. 部品実装ずれ： ずれた実装はシフト/回転部品を生む。パッドが隠れたBGA/QFNではX線検査がないと検出できない致命的不良。

位置合わせ不良による一般的SMT実装欠陥：トムブストーニング、微細ピッチICのはんだブリッジ。

これらの問題はDFMの重要さを示しており、高度なPCB実装メーカーと組むことで大きなアドバンテージとなります。JLCPCBのSMT実装サービスは生産前にフィジューシャルエラーを検出する自動DFMチェックを組み込んでおり、手戻りと遅延を回避します。JLCPCBは無料オンラインDFMツールも提供。

JLCPCBのSMT実装サービスがDFMを活用して高精度を実現

適切に設計されたフィジューシャルは“製造性設計”に不可欠で、プロジェクト要求をSMT実装ラインに明確に伝えます。

JLCPCBでは、お客様の設計DFM機能をSMT実装プロセスで活かします：

● 高度ビジョンシステム： 高速ビジョンシステムが搭載されており、フィジューシャルマークを自動検出・補正。01005サイズ部品まで高精度実装を可能に。

● 自動DFM解析： Gerber/セントロイドファイルをアップロードすると、即座にDFMレビューを実施し、生産前に典型的なミスを捕捉。

● 統合品質管理： ステンシル印刷→ピック＆プレース→最終AOIまで一貫した高精度で、最高歩留りと信頼性を実現。

些細な設計ルールの見落としで壮大なプロジェクトが台無しになることはありません。これらのフィジューシャル設計ルールを守ることで、自動SMTプロセスに対応した基板が完成します。

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まとめ

フィジューシャルマークは、自動SMT実装を行うPCBにとってオプションではなく必須です。CADデータのデジタル精度と物理製造プロセスをつなぐ重要な役割を果たします。設計に数分かけて3個のグローバル・フィジューシャルと必要なローカル・フィジューシャルを正しく組み込むだけで、大きな遅延、高コストの手戻り、悲惨な実装不良を防げます。

これらDFM原則の理解は、単なるPCB設計にとどまらず、歩留りの高い生産ランを確実にするための不可欠な要素です。設計完了後は、JLCPCBの信頼できるコスト効率に優れたSMT実装サービスで精度を検証してください。

フィジューシャルマークに関するFAQ

Q1：片面基板でもフィジューシャルマークは必要？

はい。片面実装でもその面にグローバル・フィジューシャルが必要です。ステンシルプリンタ（はんだペースト塗布）もピック＆プレースも、作業前に基板位置合わせを行うためです。

Q2：ビアやツーリングホールをフィジューシャルに使える？

いいえ。ツーリングホールは物理的取付穴で光学的に精密ではなく大きすぎます。ビアもはんだマスクでテント（被覆）されたり詰められたりし、アニュラリングは信頼できるターゲットではありません。専用の円形銅パッドを必ず使用し、適切なはんだマスク開口を設けてください。

Q3：KiCad/Altium/Eagle/EasyEDAには“fiducial”部品があるが、それで十分？

はい。CADソフトのライブラリに含まれるフィジューシャル部品を使うことを推奨します。これらは通常IPC準拠（例：1 mmパッド、2 mmマスク開口）に設定されており、はんだマスクでテントされないよう保証されています。

Q4：フィジューシャルにシルク印刷をかぶせてもよい？

いいえ。フィジューシャルマーク上にシルク印刷を置いてはいけません。フィジューシャルは裸銅（表面仕上げ済み）で、はんだマスク開口が必要です。シルクインクはカメラ視界を遮り、コントラストを破壊し、フィジューシャルを使用不能にします。

Q5：基板が極端に小さくグローバル・フィジューシャルスペースがない場合は？

ウェアラブルなど極小基板でよくある問題です。この場合パネライゼーション（複数小基板を大パネルに配置）を活用します。大パネルはツーリングレールに“パネル・フィジューシャル”を置き実装機が位置合わせします。パネル単位の位置合わせに加え、個別基板の微細ピッチ部品には可能な限りローカル・フィジューシャルを配置することを推奨します。

Q6：円形や異形PCBではフィジューシャルをどこに配置すべき？

高精度実装のため、3つのグローバル・フィジューシャルを基板外縁に配置します。0°・90°・180°程度、非対称かつ非直線の“L”字配置とし、マシンが基板中心と回転を明確に認識できるようにします。