PCB基準マーク：全体・局所の位置合わせ

プリント基板実装の基準マーク（フィデューシャルマーク）は、実装設備が物理的な位置を設計座標に対応付けられるよう、基板の銅パターンに形成する光学的な基準です。基板単位の基準は個々のプリント基板（PCB）の位置を合わせ、パネル基準は面付け全体の位置を特定し、ローカル基準は選択した部品の周辺で位置合わせを補助します。これらの適用範囲を分けて確認したうえで、マークの視認性と、実際の部品搭載工程で使用する補正方法を確認してください。使用可能な基準マーク計画には、レイアウト上の円だけでは不十分です。仕上がった状態で認識できるマーク、一貫した座標、そして意図した部品位置に搭載できることを示す証拠が必要です。

グローバル、ローカル、パネルの基準マークは異なる位置合わせを担う

グローバル、ローカル、パネルの基準マークは、単に直径が違うのではなく、基準とする領域が異なります。本記事では、「基板単位」は1枚のPCB全体のグローバル位置合わせ、「パネル」は面付け全体の位置合わせ、「ローカル」は部品または狭い部品領域の周辺での位置合わせを意味します。実装資料によっては、パネルに対する各基板の基準を「ローカル」と呼ぶ場合もあります。名称だけに頼らず、図面で基準の適用範囲を明示してください。

基準点によって何を決定できるかを理解する

円形のマークは中心位置を与えますが、それ自体では向きを決定できません。離れた位置にある複数のマークは、回転を求めるための基線になります。同一直線上にない3つの基準位置は、ソフトウェアにその機能が実装されていれば、より詳細な平面変換に利用できます。これは幾何学的な違いであり、マークを1つ増やせばどの装置でも改善するという約束ではありません。

参照実装は、2点では平均スケーリング、3点では軸別スケーリングと直角度のずれ、追加点では平均化を用います。実機が対応する変換を確認してください。平面内の座標補正は反ったPCBを平らにするものでも、局所変形した全パッドの位置を確定するものでもありません。

レイアウトを承認する前に、次の表を使って位置合わせの役割と確認責任者を割り当ててください。実装業者と認識方法および補正方法を合意し、各確認項目を完了するために必要な証拠を記録します。

基板図とパネル図で基準マークの配置を示す

基板とパネルの両方のフィデューシャル図を確認してください。基板図は回路に対応する基準を、パネル図は配列の向きや取り扱いとの関係を示します。i.MXのレイアウト例は基板基準と部品基準を区別しています。グローバル基準とローカル基準の役割を図面で明示してください。

基板図：基板全体の基準とパッケージの基準を分ける

基板図 — 実装する面から見た図
+------------------------------------------------------+
| o B1                                          o B2   |
|                                                      |
|               o L1                                   |
|                    +----------------+                |
|                    |U1ランドパターン|                |
|                    |      領域      |                |
|                    +----------------+                |
|                                       o L2           |
|                                                      |
| o B3                                                 |
+------------------------------------------------------+
B1/B2/B3: 基板単位の基準
L1/L2: U1に対応するローカル基準の一対の例

図1. 基板上の3点配置と、それとは別のローカル基準の一対を示す概念図です。文字は説明用の識別表示であり、マークの横にシルクを印刷する指示ではありません。円は光学認識用の銅パターンを表し、ドリル穴ではありません。配置は模式的で、縮尺どおりではありません。図示した個数は普遍的な要件ではありません。

パネル図：個々の基板インスタンスを明示する

パネル図 — 実装する面から見た図
+------------------------------------------------------+
| o P1                                          o P2   |
|       +------------------+  +------------------+     |
|       | o A1       o A2  |  | o B1       o B2  |     |
|       |                  |  |                  |     |
|       |      基板A       |  |      基板B       |     |
|       |                  |  |                  |     |
|       | o A3             |  | o B3             |     |
|       +------------------+  +------------------+     |
| o P3                                                 |
+------------------------------------------------------+
P1/P2/P3: 残存する外周材料上のパネル基準
A1/A2/A3とB1/B2/B3: 個別の基板基準群

図2. パネルの認識と個々の基板の認識は、別々に判断する事項です。両方の基準群を描くことで、意図した基準の階層関係を確認できますが、それだけで装置に自動使用を指示するものではありません。

実際のリリース図面には、基準マークの識別子、中心座標、単位、面、座標原点を記載してください。下面図が下から見た図なのか、上から見た図を鏡像化したものなのかを明示します。回転した基板インスタンスは、繰り返しのアートワークからプログラマーが向きを推測することに頼らず、明確に識別してください。

提案したマークに、実装業者のクランプ領域とカメラアクセスの制約範囲を重ねて確認してください。中心が露出していても、周辺の認識領域が遮られていれば不十分です。この確認では基準の視認性に焦点を絞ります。搬送レールの構造や分割方法は、より広い面付けレビューで扱う事項です。

形状、表面処理、光学コントラストを確認する

形状、表面仕上げ、コントラストを認識方式に合わせます。単一円は平面内で回転しても輪郭が変わらず、有用な候補です。ある参照システムは円形を要求し、フリップチップBGAのレイアウト例は独立した外周リングを任意で設ける円形を示します。両者を同じライブラリ記号として扱ってはいけません。

文字印刷の点ではなく、専用の銅パターンを使ってください。参照レイアウトは保護層やめっきを備えたエッチング銅と、電気的に未接続のフィデューシャルパッドを用います。印刷記号で位置基準を再定義せず、部品銅パターンとの関係を保ちます。

表面処理の確認では、製造されたマークを基板図面およびカメラ画像と比較します。見えている縁が連続しているか、反射が輪郭の一部を隠していないか、繰り返し認識しても同じ中心を特定するかを確認してください。写真で明るく見えるという理由だけでマークを承認しないでください。

この比較には、指定した表面処理を含めてください。めっき処理したマークと、はんだレベリング処理したマークが、照明を変えずに同じ画像になると想定してはいけません。実務上の確認は、色だけで表面処理を指定したり、最も反射率の高い表面を要求したりすることではなく、代表的な基板で試験することです。

専用の光学基準マークには、はんだペーストを塗布しないでください。これは、基板に指定された保護用表面処理とは別の事項です。参照先のサプライヤーは、ペーストを付けないことを基準マークの重要な検討事項に挙げています。 フットプリントライブラリの設定によって意図しないペーストが印刷されないよう、銅およびレジストのデータと併せてペーストデータも確認してください。

ソルダーレジストのクリアランスと近傍の視覚的特徴を確認する

ソルダーマスクがフィデューシャルへ侵入しないようにしてください。開口部は所定の輪郭を露出し、周辺の認識を妨げないことが必要です。銅形状、マスク開口、周囲の視覚的特徴を別々に確認し、1つの離隔値で全体を表現しないでください。

同心円の形状では、寸法を明確に定義してください。

Dc = 銅マークの直径
Dm = ソルダーレジスト開口の直径
c  = 銅の縁からレジストの縁までの公称半径方向ギャップ

c = (Dm - Dc) / 2

この関係は幾何学を示すものであり、推奨フットプリントを示すものではありません。開口径を示す図面と、半径方向のギャップを示す図面では、規定している量が異なります。製造ばらつきやレジストの位置ずれによって、片側の実際のクリアランスが小さくなる場合があります。公称上の同心性が保証されていると考えず、基板メーカーに図面公差を評価してもらってください。

マスク開口、光学的な禁止領域、カメラの検索半径を区別します。禁止領域は周辺環境を管理し、検索半径は一致候補を受け付ける位置を制限するもので、マーク径とは別です。誤った円を認識する検索領域は、開口を広げるだけでは修正できません。

出力した銅、マスク、ペースト、文字レイヤーを一緒に検査し、実際のマークを配置カメラでも確認します。近くのパッド、ビア、曲線配線、反復マークが基準と誤認されないか調べてください。周辺の類似形状は、適切なマーク形状でも認識を妨げる場合があります。

画像認識の問題を解決するために、設計承認なしで電気的に必要な銅パターンを削除したり、パッケージのランドパターンを変更したりしないでください。まず、どの特徴が選択され、なぜ探索がそれを受け入れるのかを明らかにします。探索領域の位置違い、アートワークの変更、マークの遮蔽では、装置が同じ認識エラーを報告していても必要な是正措置は異なります。

ローカル位置合わせの確認が必要な部品を特定する

基板全体の基準だけで部品配置要件を満たせない場合は、ローカル基準を検討してください。i.MXの例はファインピッチ部品に部品用フィデューシャルを推奨しますが、有効性は基板と設備にも依存します。部品ごとに要件を判断し、一律のピッチ境界を導いてはいけません。

パッケージのランドパターン、許容搭載ずれ、基板上の位置、予定工程の証拠から検討を始めてください。実装業者には、部品の基板上の座標をどのように定め、その計算をどの基準が支えるのかを説明してもらいます。装置が部品のリードを認識するという説明だけでは、基板の位置登録に関する問いへの回答にはなりません。参照先のサプライヤーは、基板マークの認識と部品の光学的なセンタリングを別の動作として説明しています。

提案するローカル基準の一対について、対象となるパッケージ領域とマークを読み取る時点を明示してください。搭載済みの部品や他の実装要素によって隠れた後に、マークの再認識を必要とする計画は避けます。複数の部品で基準の一対を共有する場合は、プログラマーがその共通の補正領域を明示的に割り当てるようにしてください。

ローカルマークの追加を求める前に、位置登録の誤差を、誤ったパッケージデータ、部品のセンタリング、原点の不一致と区別してください。基準を追加しても、誤ったランドパターンや搭載座標は修復できません。観測されたずれとその位置の証拠を保存し、部品名だけではなく、実際に示された問題をレビューの対象としてください。

工程固有の寸法とリリース仕様を使用する

プリント基板実装の基準マーク寸法は、受け入れられた工程仕様またはプロジェクトで承認されたフットプリントに基づくべきです。公開されている推奨事項は、マークの形状や使用条件が異なります。以下の例では、その違いを維持しています。普遍的な最小寸法やJASPERの対応能力の限界を示すものではありません。

これらの数値は個別の公開例であり、必須の寸法区分を並べた一覧ではありません。平均化したり、普遍的な寸法範囲に置き換えたり、ある資料の銅マーク径と別の資料の周辺形状を、組み合わせ後のマークを確認せずに併用したりしないでください。

銅の形状と寸法、寸法公差、レジスト開口、ペースト除外、表面処理、光学キープアウトを含む、完全なフットプリント定義を承認してください。そのうえで、選択した実装工程との適合性を確認します。受入基準は、合意した条件で正しく再現性のある認識ができ、満足できる搭載結果が得られることです。配置できる最大径であることではありません。

適用するリリース文書では、基板とパネルのリビジョン、適用されるパッケージ指針、実装業者が受け入れた画像認識要件を明示してください。契約でIPC文書を適用する場合は、要求される版と適用条項を特定します。サプライヤーの記事や部品のアプリケーションノートを、条件を付けないIPC最小値の主張に置き換えてはいけません。

部品搭載工程で基準マーク計画を検証する

基準マークの検証では、承認済みの基準計画が、代表的な製造済み基板上で、予定した実装順序において機能することを示す必要があります。リリースの流れでは、文書上の合意、画像認識、搭載結果の証拠を分けてください。図面確認だけでは、部品搭載工程を適格と判断できません。

基準の適用範囲と基板／パネルのリビジョンを合意する
  -> 銅、レジスト、ペースト、視認性を確認する
  -> 搭載プログラムで選択した基準を確認する
  -> 生産条件を代表する基板でマークを認識する
  -> 得られた搭載結果を合意済みの要件と照合する
  -> 承認と、再評価が必要となる変更を記録する

重要となる工程状態で確認してください。参照先のサプライヤーが説明する表面実装（SMT）の順序では、部品搭載はペースト印刷の後に行われます。 未処理の裸基板サンプルだけに頼らず、該当するペースト印刷後の状態および第2面の状態を確認に含めてください。観察結果とともに、表面状態と搬送・保持の構成を記録します。

基準の階層関係を厳しく確認できる検査位置を選んでください。面付けでは、合意した試行に、該当する隅部と内側の基板インスタンスを含めます。ローカル補正では、割り当てたパッケージ領域を含めます。サンプル数と繰り返し投入時の確認は、責任を持つ技術者と合意してください。後の比較で識別可能な基準状態を使用できるよう、プログラムと画像認識レシピのリビジョンを保存します。

認識できない場合だけでなく、誤った特徴への一致が成功した場合も調査してください。画像、意図した識別子、選択された位置、影響を受けた基板インスタンスを記録します。誤ったパッドを繰り返し選択する動作には再現性がありますが、有効な位置合わせではありません。

試行の前に、搭載結果をどのように確認し、どの条件で保留にするかを含めて受入基準を合意してください。普遍的な画像認識スコアのしきい値や再試行許容回数を作らないでください。装置の校正と保守は、それぞれの管理された手順で扱います。この確認で判断するのは、設計とリリース済み工程が適合しているかどうかです。

基準マーク確認の5つの適用場面

基準マークの確認内容は、基板の基準階層と実装順序によって変わります。次の5つの適用場面は、次にどの基準関係、工程状態、リリース判断を確認すべきかを示します。

小型の単一基板コントローラー

小型コントローラーでは、基板単位の認識で、実装するすべてのパッケージに対応できるかを確認してください。搬送・保持の構成が許す位置で基準を使用可能に保ち、受け入れた代替方法は文書化します。部品の検討で目的が明確にならない限り、限られた配線スペースをローカルマークで消費しないでください。より細かいピッチのデバイスを導入する際は、配置を再確認します。

製造パネル内で繰り返し配置された基板

同一基板を繰り返し面付けする場合は、パネルの位置特定と各回路インスタンスの位置特定を区別してください。基板番号、向き、基板ごとの基準認識の有無と内容を確認します。可変ラベルや変更されたアートワークの近くにあるマークは、別途確認してください。1つのパネル画像が受け入れられたことを、すべての基板インスタンスが正しい座標に対応している証拠として扱ってはいけません。

ファインピッチプロセッサーまたは高密度パッケージ領域

ファインピッチプロセッサーでは、ランドパターンと実際に使用する基準との関係を調べてください。搭載要件と工程の証拠に基づいて、ローカル基準の一対が必要かを判断します。光学認識は、隠れたはんだ接合部の検査と分けてください。基準マークの認識は、はんだ接合部の受入試験ではありません。

両面実装

両面PCBでは、処理する各面の基準計画を作成してください。面の表し方と、最初の実装作業後にも見えるマークを確認します。第2面の認識時における、実際の支持状態と表面状態を確認してください。第1面で受け入れられたレシピが、反対面も自動的に検証するとは考えないでください。

別の実装業者への移管

製造移管では、公称径だけでなく、受け入れられたマーク定義と基準階層を送ってください。新しい業者は、自社のプログラム割り当てと認識の証拠を確立する必要があります。既存のパッドを使う、または専用マークを省略するという工程固有の判断は、前の製造から自動的に引き継がず、改めて確認してください。

よくある質問

以下の回答は、前述した基板、パネル、部品の基準適用範囲を使用しています。最終的な受入判断は、選択した設計と実装工程に基づきます。

次のステップ：明確な位置合わせ計画を提出する

明確な位置合わせ計画があれば、実装業者は具体的な判断事項を確認できます。基板図とパネル図、銅／レジスト／ペーストのデータ、部品搭載ファイル、表面処理仕様、ローカル位置合わせの確認が必要なパッケージの一覧を準備してください。承認済みリビジョンを明示し、以前の製造で得られた関連画像や観察記録を添付します。

JASPERとのOEMプロジェクトでは、プリント基板実装サービスを相談する際に、これらの情報を含めてください。技術レビューでは、基準の適用範囲、視認性、プログラムでの割り当て、搭載結果の受入をまとめて確定するよう求めます。リリースデータに示されたマークが、予定する工程で実際に使用できるマークであると確認できた場合にのみ、計画を承認してください。