高品質なSMTはんだ付けのためのPCB設計10選

表面実装技術（SMT）はんだ付けの欠陥、ブリッジ、トムストーン、開放ジョイントなどは、ランダムな生産エラーではありません。これらはプリント基板設計の一部なのです。

これらの根本的なPCB設計の欠陥は、手戻りの増大、検証試験の失敗、現地での重大な故障、プロジェクトの遅延といった高コストな問題を引き起こします。

本記事では、製造性設計（DFM）原則に基づき、はんだ付け結果を改善する10の技術的なPCB設計テクニックを紹介します。これらは実装可能な変更で、量産前にECADソフト上で行うことで、高品質・高歩留まりのSMT実装が可能になります。複雑な高密度基板を手掛ける経験豊富なエンジニアも、初めてのSMT実装プロジェクトに挑戦するホビーユーザーも、これらのDFM原則を習得することが信頼性の高い堅牢なSMT実装には不可欠です。

PCB設計と成功したSMTはんだ付け：不可欠な関係

なぜPCB設計がこれほど重要なのかを理解するために、SMTはんだ付けプロセスを簡単に可視化してみましょう。

1. ステンシルを使って、基板のパッド上に正確にはんだペーストを印刷します。

2. ピックアンドプレースマシンで部品を実装します。

3. 基板全体をリフロー炉で加熱し、厳密に制御された温度プロファイルでペーストを溶融させ、パッドと部品リードに染み込ませ、冷却時に固体の電気・機械的ジョイントを形成します。

設計者が行うすべての選択は、このSMTはんだ付けプロセスの物理法則に直接影響します。パッドの幾何学、部品間の距離、熱容量の管理は、はんだペーストが溶け、流れ、固化する方法を制御します。バランスの取れていないPCB設計は、バランスの取れない物理プロセスを生み出し、はんだ付け欠陥を引き起こします。

4つのSMTはんだ欠陥：トムストーン、ブリッジ、開放ジョイント、はんだボール。

PCB設計の専門知識が方程式の前半であり、後半は製造パートナーが精度高くビジョンを実行し、潜在的な問題を高コストになる前に捉えることです。

JLCPCBの自動化されたPCB実装サービスは、SMT実装だけでなく、シルクスクリーンのパッド乗りからクリアランス不足まで、潜在的なSMT欠陥を特定する無料の高度なDFMチェックも含まれています。これにより、PCB設計の意図が初回で完全に実現されます。

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以下、高品質SMTはんだ付けを確実にするための最も影響力の大きい10のテクニックです。

#1 ランドパターン（パッド）を完璧にして信頼性の高いSMTはんだ付けを実現

ランドパターン、つまりパッドは、はんだジョイントの文字通りの基盤です。最も一般的なPCB設計ミスは、パッドサイズが不適切、つまり大きすぎたり小さすぎたり、さらに単一コンポーネントでバランスが取れていないことです。

2端子パッシブSMD部品（0402抵抗や0603コンデンサなど）では、両パッドの熱容量を完全に同一にする必要があります。一方のパッドが明らかに大きいと、リフロー炉で加熱が遅れます。この不均一な加熱により、小さい方のパッドで先にリフローが起こり、表面張力がその端を引っ張って反対側が垂直に浮き上がります。これが有名な「トムストーン」または「マンハッタン」効果です。

解決策： 予防こそが解決策です。常に部品メーカーの推奨フットプリント寸法（データシートに記載）を遵守してください。カスタムフットプリントを作成する場合は、業界標準に従い、パッシブ部品ではパッド寸法と熱的接続を完全に対称にします。

関連記事： リフローはんだ付け中のはんだ欠陥を防ぐ方法

#2 銅ポアとサーマルリリーフを最適化して安定したはんだ付け性能を実現

これはテクニック#1の直接の拡張です。パッドを大きな銅プレーン（グランドや電源ポア）に直接接続すると、巨大な不均衡のヒートシンクが生じます。プレーンがパッドから熱を奪い、リフロー温度に同じ速度で到達できなくなります。

ランドパターンが同一でも、この熱的不均衡によりトムストーンが発生したり、極端でない場合でもプレーン接続側に冷えた信頼性の低いジョイントができます。部品は先にリフローするパッド側に引き寄せられます。

解決策：パッドと大きな銅領域を接続する際はサーマルリリーフ（サーマル「スポーク」または「タイ」とも呼ばれる）を使用します。サーマルリリーフは、パッドとプレーンの間に小さな銅トレースを配置し、多くは2本または4本のスポークパターンです。この設計により熱的接続が劇的に減り、パッドを素早く均一に加熱できます。

設計ルールとして、ほとんどの接続には4本の10mil（0.254mm）スポークを使用します。幅を調整することで、熱的絶縁を最適化しながら大電流電気要件を満たせます。

関連記事： PCBの熱管理を改善するためのヒント

サーマルリリーフなし／4スポークありのパッドの銅ポア接続を比較したPCB設計。

#3 SMT実装のための部品配置と間隔を制御

高密度実装を目指すのは設計の目標の一つですが、詰めすぎると製造欠陥の原因になります。以下のような欠陥が発生します。

● ブリッジ： 狭ピッチ部品を近接配置すると、はんだブリッジが発生しやすくなります。

● 修理／検査： クリアランスが不十分（一般的に0.5mm～1mm未満）だと、自動光学検査（AOI）や修理ができなくなります。

● 熱影： リフロー時に大型部品が小型部品の近くにあると、IR輻射を吸収して小型部品が適切にリフローできなくなります。

解決策： ECADソフトに部品クリアランスの明確なルールを設定します。小さなパッシブ部品なら0.5mm、大型ICなら1～2mmが目安です。これはJLCPCBの無料オンラインDFMツールで実施できる重要なDFMチェックで、量産前に高コストな配置エラーを自動検出します。

#4 ソルダマスク定義（SMD vs. NSMD）を最適化してクリーンなはんだジョイントを実現

はんだマスク（緑や黒などの保護層）は、見た目だけでなくはんだ付けプロセスにとって重要です。マスク開口と銅パッドの関係を意図的に設計しないというミスがよくあります。主に2種類あります。

1. Solder Mask Defined（SMD）： マスク開口を銅パッドより小さくし、はんだ付け可能面積をマスクで正確に規定します。

2. NSMD（Non-Solder Mask Defined）： マスク開口を銅パッドより大きくし、銅パッド自身がはんだ付け面積を決め、マスクとパッドの間にギャップがあります。

SMDパッドとNSMDパッドの違い。

解決策： ほとんどのSMT部品にはNSMDが強く推奨されます。溶融はんだが銅パッド上面だけでなく側面にも付着し、より強固で信頼性の高いフィレットを形成できるからです。

SMDパッドはBGAなどブリッジ防止に有用ですが、機械的ストレスで割れやすい弱いジョイントになります。JLCPCBの高度な製造プロセスは両方に対応可能ですが、SMDパッドは特別な注意が必要です。

SMDパッドが必要な場合、ソルダマスククリアランスを銅パッドより小さくし、製造レジストランス公差を考慮してマスクを銅上に3mil（0.076mm）以上重ねる必要があります。

JLCPCBでSMDパッド付き基板を発注する方法をご覧ください。

#5 ビアを戦略的に配置して熱管理とはんだ付け性を改善

ビアは配線に不可欠ですが、SMTパッド上またはその近くに開口ビアを置くと大きな問題が起きます。リフロー中、溶融はんだが毛細管現象でパッドからビア孔へ吸い込まれます。この「はんだ引き上げ」現象によりジョイントからはんだが不足し、弱い接続または完全な開放回路になります。

解決策： 最良のプラクティスは、ビアをパッドから離し、短いトレースで接続することです。BGAなど高密度配線でビアインpadを使わざるを得ない場合、高度な製造プロセスを指定する必要があります。ビアは非導電性エポキシでフィルインし、銅でキャップして平坦なはんだ付け面を作ります。

JLCPCBのビアインpadプロセスは樹脂フィルイン＋めっきキャップ方式で、BGAパッド上にビアを配置しても後続のSMT実装に影響しません。

JLCPCBのめっきビアインpadと標準ビアの比較

#6 ステンシル設計でリフロー結果の均一性を確保

設計者が「はんだペーストステンシルは銅パッドの複製」と誤解することがあります。これは見落とされがちな最適化ポイントです。ステンシル開口は、はんだペーストの体積と形状を決め、意図的に設計する必要があります。狭ピッチ部品（ピッチ0.5mm未満）では1:1開口ではペースト量が多すぎ、ブリッジを起こします。

解決策： 製造データにステンシル修正を指定します。

● 狭ピッチICでは、開口面積を5～10％削減します。

● 0402/0201パッシブのトムストーン防止では、矩形開口を内側を向いた「U字」または「ホームプレート」形状に変更し、表面張力を制御します。

JLCPCBは3つの高度ステンシル技術（ナノコート、電解研磨、超音波耐接着）を用意。カスタムステンシル層（ペースト層）をアップロードすれば、これらの高度開口設計を意図通りに製造し、ペースト量を直接制御できます。

0402パッシブや狭ピッチQFPなどのSMT部品向けステンシル開口推奨表。

#7 明確かつ正確な基準点（フィジューシャル）でSMT配置精度を確保

フィジューシャルは、自動実装装置の光学アライメント標的として機能する小さな円形銅パターンです。ピックアンドプレースマシンのビジョンシステムがこれを使って基板の正確な位置と向きを特定します。なければマシンは「盲目」となり、特に狭ピッチ部品を誤配置します。

解決策： 基板の角に最低2つ（できれば3つ）の「グローバルフィジューシャル」と、狭ピッチ部品用の「ローカルフィジューシャル」を配置します。標準は1mm径銅パッドに2mm径ソルダマスク開口です。

この標準に従えば、JLCPCBの高速自動SMTラインに対応し、セットアップ時間を短縮し、配置精度を保証します。

3つのグローバルフィジューシャル、2つのローカルフィジューシャル、4つのパネルフィジューシャルを含む標準的なフィジューシャル配置例。

#8 パッド上のシルクを避けてSMTはんだ付け欠陥を防止

基本的なDFMチェックなのに驚くほど見落とされます：シルクスクリーン（白や黒の文字）がはんだ付け可能パッドに重なることを許容してしまうことです。シルクは非導電性インクで、パッドに乗ると物理的バリアとなりはんだ付けを阻害し、開放回路または弱いジョイントを生じます。

解決策： 最終PCB設計レビューでDRC（設計ルールチェック）を実行し、視覚的にも確認します。すべてのシルク要素が露出銅パッドからクリアランス（0.1～0.2mm）を確保するようクリップします。

PCBソルダマスクの「Do and Don't」比較。

「Do」側はマスクからパッドが正しく露出。「Don't」側はシルク文字にパッドが誤って覆われている例。

これはJLCPCBの無料自動DFMチェックツールJLCDFMがGerberをアップロード時に検出する最も一般的なエラーの一つで、単純ながら高コストなミスを防げます。

#9 部品を効率的なSMT配置・リフロー向けに配向

ランダムな部品配向は、SMT実装の速度と品質を直接妨げます。自動／手動検査を複雑化し、エラーを増やします。特にダイオードなど極性部品では、北向き・南向きが不統一だとエラーの大きな要因になります。

解決策： 検査指向設計。 配向を標準化します。例：すべての極性コンデンサを「北」または「西」向きに、すべてのICをピン1を同じ位置（左上など）に統一します。この簡単な整理でAOIシステムのプログラミングが簡単になり、検査が高速かつ正確で信頼性の高いものになります。

#10 パネル化を計画し、デパネリング応力とはんだジョイント損傷を低減

基板は単体で製造されません。V溝（スコアライン）または「マウスバイト」（ブレイクアウェイタブ）で区切られた大型パネルで製造され、実装後に「デパネリング」で分離します。この作業は大きな機械的応力と撓みを与え、MLCCなど脆い部品を割る原因になります。

解決策： 感度の高い部品（MLCC、BGA、クリスタル）は基板端、特にV溝ラインから離します（3mm～5mmキープアウトが安全）。独自パネルを設計する場合、メーカーのガイドラインに従ってください。

JLCPCBはPCB組立注文向けのパネル化要件を明確に文書化しており、部品を損傷せずに安全に実装・デパネリングできることを保証します。

PCB設計から実装まで高品質SMTはんだ付けを確実にするには

この10のPCB設計テクニックが示すように、堅牢なSMTはんだ品質は正しい計画の結果です。品質管理を「量産後検査」から「量産前設計」に移す前向きな設計選択の直接の結果です。最も一般的な故障を発生前に設計で排除しているのです。

もちろん、優れたPCB設計は始まりにすぎません。設計は製造パートナーに引き渡され、そこで検証されます。ここで、ペースト量をチェックするSPI（Solder Paste Inspection）、熱均一性を確保する多ゾーンリフロープロファイル、リフロー後AOI（自動光学検査）やBGA/QFN用X線などのプロセスが、注意深い設計の結果を検証するために不可欠です。

優れた設計には、高品質で透明性のある製造プロセスが必要です。JLCPCBのSMT実装サービスは、高速マウンター、精密熱制御リフロー炉、必須3D-SPI/AOIを活用し、設計ルールを完璧なはんだジョイントへと変換します。DFM最適化設計と当社の高度実装プロセスの組み合わせが、初回合格の鍵です。

まとめ

高品質SMTはんだ付けは神秘的なプロセスではありません。設計者の管理下にある予測可能な物理プロセスです。精密なランドパターン・サーマルリリーフから、ステンシルやデパネリングまでの戦略的計画に至るこれらの10の製造性設計（DFM）原則を組み込むことで、回路を設計するだけでなく、組立てに適した設計を行っているのです。

この前向きなアプローチは、製造リスクを最小化し、手戻りコストを削減し、より信頼性が高くプロフェッショナルで成功した最終製品を届けるために不可欠です。

JLCPCBのようにDFM問題を自動検出する高度な実装サービスとパートナーになることで、これらの利点が増大し、慎重に設計された基板が最高品質で製造されることを保証します。

SMTはんだ付けに関するFAQ

Q1：最も一般的なSMTはんだ欠陥は？ そしてどう防ぐ？

はんだブリッジが最も一般的です。接続すべきでないパッド同士がはんだで接続してしまいます。PCB設計段階で適切なパッド間隔、パッド間のソルダマスクダム、そして（テクニック#6で述べたように）ステンシル開口を小さくすることで防げます。

JLCPCBの無料DFMチェックでブリッジリスクを検出でき、高精度ステンシルサービスでカスタム開口を正確に製造します。

Q2：PCB表面仕上げ（ENIG vs HASLなど）はSMTはんだ付けにどう影響？

表面仕上げははんだ付け性とパッド平坦性に直接影響します。ENIG（Electroless Nickel Immersion Gold）は非常に平坦で信頼性があり、酸化に強く、狭ピッチSMTやBGAに最適です。鉛フリーHASLはコストは低いが、やや凹凸があります。

JLCPCBでは両方を用意しており、設計仕様に最適な仕上げを選べます。

Q3：「ソルダマスクダム」とは？ SMT実装でなぜ重要？

ソルダマスクダム（または「ウェブ」）は、狭ピッチICのピン間など、隣接パッド間に設計される薄いソルダマスク帯です。

目的は、溶融はんだが一方のパッドから隣へ流れ（ブリッジ）るのを物理的に防ぐことです。ソルダマスク拡張ルールが大きすぎるとダムが薄くなったり消滅したりし、SMT実装中のはんだブリッジリスクが劇的に増大します。

パッド間に見えるソルダマスクダム。

Q4：「はんだボール化」とは？ 設計？ 製造？

リフロー後に基板上に小さなはんだ球が散在するはんだボール化は、両方の要因で起きます。設計面では、ソルダマスク開口をパッドより大きくしすぎるとはんだペーストがはみ出して球になります。しかし、より頻度は製造プロセスに依存します。

JLCPCBは、新鮮な高品質はんだペーストの使用、基板水分管理、10ゾーンリフロー炉での最適プロファイルによる完全かつクリーンなはんだ活性化など、厳密に管理されたプロセスでリスクを最小化します。

SMT実装におけるはんだボール化