PCBトラブルシューティング：問題を診断し、故障を未然に防ぐ
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最新のPCBは、ベンチテストでは問題なく合格しても、後になって微細な欠陥が原因で故障することがあります。
不良PCBは完全には避けられないため、トラブルシューティング技術を理解しておくことが重要です。
製造工程における人的ミスにより、配線のわずかなズレや微小なはんだボイドなどが発生することがあります。
これらの問題を早期に特定・修正できれば、再作業コストや生産遅延を大幅に削減できます。
特に試作段階で欠陥を発見できれば、ファブにとっては数千ドル規模のコスト削減につながります。
実際のトラブルシューティングは、症状の分析 → 的確なテスト → 原因特定という体系的なプロセスです。
重要なポイントは、的確な診断と予防設計を組み合わせること。
レイアウトや組立段階で問題を潰しておくことが、量産時の大きなトラブルを防ぎます。
なぜテスト後や量産段階で問題が発生するのか
一部の欠陥は潜在的で、初期テストや実機運用後に初めて表面化します。
軽微な製造欠陥は即座に故障を引き起こさないものの、負荷がかかると断続的な不具合として現れます。
また、デカップリングコンデンサ不足や電圧マージン不足といった設計上の見落としも、実負荷下で初めて問題になります。
環境要因や物理的な扱いの荒さによっても、ラボでは検出できなかった故障が発生します。
つまり、PCBは工場出荷時には正常でも、通電・発熱・実使用環境によって弱点が露呈することがあるのです。
トラブルシューティングのコスト：再作業・遅延・リスク
PCBトラブルシューティングのコストは非常に大きくなりがちです。
再作業や廃棄が発生すると、材料費・人件費が無駄になります。
例えば、1万枚のロットで不良率5％でも、修理や廃棄で数千ドル規模の損失が発生します。
修理作業は技術者の工数を奪い、納期遅延を引き起こします。
さらに、サプライチェーンの混乱や、顧客信頼の低下といった見えないコストも存在します。
小さなはんだ不良が、生産ライン全体のボトルネックになることもあります。
だからこそ、早期発見・早期修正が極めて重要なのです。
重要な視点：診断と予防の組み合わせ
トラブルシューティングは、工学的な探偵作業です。
症状を正確に把握し、その原因を絞り込むことが最も効果的な解決策につながります。
出荷前に設計仕様や製造工程を再確認することが重要です。
業界調査では、PCB品質不良が売上の10～20％の損失につながる可能性があるとも言われています。
DFMツールの活用やIPC規格への準拠により、多くの問題を初期段階で発見できます。
PCB故障の大半は人的ミスが原因ですが、それを特定・排除できれば、大幅な時間とコスト削減が可能です。
エンジニアが直面する一般的なPCB問題
電源・信号の不安定やノイズ問題
電源や信号の品質問題は非常に一般的です。
デカップリング不足やGNDプレーンの断裂は、電圧降下やノイズを引き起こします。
デカップリングコンデンサは、ICの電源ピン直近に配置する必要があります。
配置が不適切だと、電圧グリッチやリセットが発生します。
高速信号では、クロストークやEMIが問題になります。
並行配線が近すぎるとノイズが結合し、データ破損を招きます。
インピーダンス不整合は反射やリンギングの原因になります。
はんだ不良・部品故障・熱問題
PCB故障の多くは実装工程で発生します。
リフロー条件が不適切だと、コールドジョイント、ブリッジ、マンハッタン現象、ボイドなどが起こります。
これらは、くすんだはんだ外観や傾いた部品として確認できます。
IPC-A-610規格に従うことで、ほとんどの問題は防げます。
AOIやX線検査により、出荷前に多くの不良を検出できます。
過熱も主要な故障原因です。
焦げ跡や膨張は、ICやコンデンサの異常を示します。
PCBトラブルシューティングの手順
外観検査
まずは目視検査から始めます。
破損部品、浮いたパッド、はんだブリッジ、焼け跡を確認します。
電解コンデンサの膨張や部品の向きも要チェックです。
必要に応じて顕微鏡を使い、微細クラックやボイドを確認します。
電気・機能テスト
次にマルチメータで電源電圧や短絡を確認します。
オシロスコープやロジックアナライザで、クロックや信号波形を確認します。
サーモカメラでホットスポットを検出するのも有効です。
根本原因の特定：症状の裏側を見る
設計・製造起因の問題
設計ミス（フットプリント不良、クリアランス不足、層構成ミス）や
DFM違反（配線幅不足、間隔過小）は、歩留まり低下の原因になります。
一方、製造工程では、めっき不良や層ズレ、汚染による短絡が発生することもあります。
取り扱い・組立時の問題（ESD・応力）
ESDはICを静かに破壊します。
機械的ストレスで配線が切れることもあります。
BGAでは吸湿によるポップコーン現象が起こる場合もあります。
製造段階でのPCB不良予防
DFM最適化と工程管理
IPC規格とファブ固有ルールに従った設計が最重要です。
JLCPCBの無料DFMチェッカーを使えば、設計違反を事前に検出できます。
AOIやX線検査、適切なリフロープロファイル管理により、実装不良を防止します。
材料選定と清浄度管理
適切なTg・CTEを持つ基材選定が信頼性を左右します。
フラックス残渣や異物はリークや短絡の原因になるため、洗浄が不可欠です。
修正か再設計かの判断基準
少量試作では修理が合理的な場合もあります。
しかし、同一不良が繰り返し発生する場合は再設計が必須です。
目安として、2回以上の現場修正が必要なら再設計を検討すべきです。
量産では、IPCクラスに応じた信頼性確保が求められます。
JLCPCBがトラブルシューティングを減らす理由
JLCPCBは、無料のDFMチェックや設計ガイドラインを提供しています。
配線幅、穴径、クリアランス、部品配置などを事前に検証できます。
AOI、フライングプローブ、X線検査により、製造前後の品質を確保しています。
PCBトラブルシューティングチェックリスト
- 電源電圧の確認
- VCC-GND間の短絡チェック
- 重要信号の波形確認
- デカップリングコンデンサの確認
- 異常発熱の有無
よくある質問（FAQ）
Q：必須ツールは？
A：DMM、オシロスコープ、LCRメータ、サーモカメラなど。
Q：短絡や断線の特定方法は？
A：電源OFFで導通チェック、電源ONで電圧測定。
Q：設計で防ぐ方法は？
A：DFM順守、適切なデカップリング配置。
Q：JLCPCBのDFMはどう役立つ？
A：Gerberを解析し、設計エラーを事前検出します。
Q：はんだ品質の基準は？
A：IPC-A-610が国際標準です。
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