PCBA の検査や市場で BGA はんだ接合部の破断や MLCC のクラックが見つかったとき、まず疑われるのは実装工程の中で基板をたわませる工程です。基板分割、ICT ピン治具の押さえ、プレスフィットコネクタの圧入、ねじ締め、筐体組込みがそれにあたります。どの工程も基板を短時間たわませますが、終わった後に反りは残りません。それでも、はんだ接合部やセラミック部品にはすでにひずみが加わっています。
ひずみゲージ測定は「この工程は厳しすぎないか」という問いをデータに変えます。各工程が部品の近くでどれだけのひずみを、どれだけの速さで生じさせるかを測り、限界値と比較し、治具や工程を変えた後に再測定して効果を確認します。
応力の発生源と寸法安定性の図面指示については PCB の機械的応力と寸法安定性 を参照してください。本記事では、ひずみの測り方、限界値の決め方、測定後の対策に絞って説明します。
1. 反りではなくひずみを測る理由
反りは静的な形状で、定盤に置いた基板の弓反りとねじれを測ります。工程で起きる損傷の多くは動的なたわみによるものです。ICT の押さえ板が下りた瞬間、カッターがタブを切断するとき、プレスフィットのピンが入るとき。その後、基板は元に戻るため、後から反りを測っても何も分かりません。
はんだ接合部と MLCC は次の二つの量に影響されます。
- ひずみの大きさ：部品付近の基板表面がどれだけ伸びたり縮んだりするか。単位はマイクロひずみ（µε）。
- ひずみ速度：ひずみが変化する速さ。同じひずみでも負荷が速いほど、はんだ接合部の脆性破断が起きやすくなります。
そのため、測定は工程の実施中に行う必要があり、事後検査では代用できません。
2. 測定方法：3軸ロゼットと主ひずみ
基板表面のひずみの方向は事前に分からず、単軸ゲージでは一方向しか測れません。一般的には 3 軸ロゼットゲージ（0°/45°/90°）を使い、三つの読みから次の値を求めます。
- 主ひずみ：最大・最小主ひずみ。その点での最大の伸びと縮み。
- 対角ひずみ：基板がねじれているかどうかを示します。
- ひずみ速度：主ひずみの時間変化の傾き。
データ収集装置には、分割や圧入で生じるミリ秒単位のピークを捉えられるサンプリングレートが必要です。IPC/JEDEC-9704A（プリント回路アセンブリのひずみゲージ試験ガイドライン）は、ロゼットの選定、貼付、収集、データ処理の一般的な方法を示しており、試験計画の根拠として使えます。
3. ゲージの貼付位置
ゲージは貼った位置の表面ひずみを測るため、位置によってデータの意味が決まります。
- 重要部品の四隅：大型 BGA や狭ピッチ CSP の角、外周ボール列の近く。
- 大型 MLCC の近く：特に基板端、タブ、取付穴に近いコンデンサ。
- 荷重点の近く：分割タブ、プレスフィットコネクタ、ねじ穴、ICT 押さえ棒の当たる位置の周囲。
- 部品面を優先：通常は部品実装面に貼ります。スペースがない場合は裏面の対応位置を使い、報告書に記載します。
すべての測定点を番号付きで基板図に記入し、写真を残して、再測定時に同じ位置を使えるようにします。
4. 工程ごとの測定
PCBA はラインから筐体に入るまでに複数の負荷工程を通ります。試験計画は、疑わしい一工程だけでなく、すべての工程を対象にします。
| 工程 | 負荷のかかり方 | 測定の重点 |
|---|---|---|
| 基板分割（V カットのカッター、ルーター、プレス） | タブ切断時の局所的な曲げ | タブ付近の部品；分割方法の比較 |
| ICT ピン治具 | 押さえ板の力とプローブの反力 | サポートピン間のスパン |
| プレスフィットコネクタ | 圧入力が基板に伝わる | コネクタ周辺の部品；受け治具の適合 |
| ねじ締め・筐体組込み | 取付面の凹凸による強制変形 | ねじ穴周辺；締付順序 |
| ハンドリング、ケーブル挿抜 | 片手持ち、コネクタ挿抜 | 基板端とコネクタ付近 |
工程ごとに複数枚を測定し、設備、治具番号、設定を記録します。記録がないと、変更前後のデータを比較できません。
5. 限界値はどこから決めるか
最もよく聞かれるのは「どこからが過大か」という質問です。共通の数値はありません。限界値は次の条件で変わります。
- 部品：ボール径とピッチ、パッケージサイズ、MLCC のサイズと端子構造。
- はんだと表面処理：鉛フリーと共晶はんだでは許容ひずみが異なります。
- 板厚：同じひずみでも、厚い基板と薄い基板では曲率が違います。
- ひずみ速度：限界値は通常ひずみ速度によって変わり、負荷が速いほど許容値は低くなります。
限界値の主な出所は三つです。部品メーカーのアプリケーションノート、顧客や業界の社内規格、IPC-9702 などの曲げ特性評価方法による自社試験。試験報告書には限界値の出所と版を記載します。使える限界値がない場合は、まず工程ごとの現状ひずみをベースラインとして記録し、故障解析の結果と照合しながら社内管理値を決めていきます。
6. ひずみが過大なときの対策
結果が限界値を超えた場合は、基板変更が不要な工程側から手を付けます。
- ICT 治具：押さえ棒やプローブ密集部の下にサポートピンを追加し、上下の力を釣り合わせ、支持スパンを短くします。
- 基板分割：同じ測定点でルーター、V カットのカッター、プレスを比較し、タブ近くの敏感な部品には最もひずみの小さい方法を選びます。
- 圧入：基板面に合った受け治具を使い、すべての圧入点の真下を支えます。
- ねじ締め・筐体：取付面の平面度を確認し、締付順序とトルクを規定します。
工程側で改善しきれない場合は設計に戻ります。
- 敏感な部品をタブ、ねじ穴、圧入部から離します。
- 分割タブの数、位置、形式を見直します。PCB 面付け設計 を参照してください。
- MLCC は長辺を分割線または主な曲げ線と平行に配置し、両端子間の引張りを小さくします。
- 板厚の増加や支持構造の変更を検討します。
変更のたびに同じ測定点で再測定し、改善をデータで確認します。
7. PCB メーカーができること
ひずみ測定は主に実装と組立の工程で行いますが、結果は PCB の設計と製造仕様に戻ってくることが多くあります。
- 面付け：タブ位置、V カット深さと残厚、ミシン目穴の数は分割時のひずみに直接影響します。発注時に面付け図に明記します。
- 板厚と公差：板厚は剛性を決めます。板厚と公差は最新の 公差能力 で確認します。
- 圧入穴：穴径と穴銅が圧入力を決めます。プレスフィットコネクタ穴の製造仕様 を参照してください。
- ゲージ貼付エリア：ひずみ試験を予定する基板では、重要部品の近くにソルダーレジストのない平らな貼付エリアを確保できます。
SKPCB の対応
SKPCB の PCB は全注文で 100% 電気検査を実施しています。PCBA では SPI、インライン 2D AOI、リフロー後 3D AOI、X 線、ICT、FCT に対応しています。PCBA サービス を参照してください。自動車向けの注文は IATF 16949:2016 認証を取得した拠点で製造します。品質保証 を参照してください。
ひずみ試験の要求がある場合や、測定結果に基づいて面付け、板厚、圧入穴を調整する必要がある場合は、お見積もり の際に試験計画または報告書を添付してください。対応可能な製造仕様をエンジニアが確認します。
FAQ
Q：ICT 工程だけ測れば十分ですか？
A：十分ではありません。基板分割、圧入、ねじ締め、筐体組込みも基板をたわませ、故障はどの工程からも起こり得ます。各工程を測定したうえで主な原因工程を判断します。
Q：ひずみの標準限界値はありますか？
A：共通の数値はありません。IPC/JEDEC-9704A が定めるのは試験方法です。限界値は部品、はんだ、板厚、ひずみ速度で変わるため、部品メーカーの資料や顧客規格に基づき、出所を報告書に記載します。
Q：ゲージは部品面と裏面のどちらに貼りますか？
A：通常は部品面の部品角付近です。スペースがない場合は裏面の対応位置を使い、報告書に記載し、再測定でも同じ位置を使います。
Q：限界値を超えたら必ず基板設計を変えるのですか？
A：必ずしもそうではありません。多くの場合、まず工程を変えられます。ICT サポートピンの追加、ひずみの小さい分割方法、圧入用受け治具、締付順序の規定などです。工程で改善しきれないときにレイアウトや面付けを変更します。
Q：実装ひずみを減らすために PCB メーカーは何ができますか？
A：主に図面どおりの製造です。タブ配置、V カット残厚、板厚、圧入穴の要求を守ります。これらは発注時に明記する必要があります。