基板実装や回路設計にかんするあれこれ 基板実装や回路設計にかんするwiki記事の自分用の覚え書きです

組み込みシステムにおける回路設計は、システム開発全体の中では以下のような段階に位置する。

ハードウェア仕様の決定→各種デバイスの選択→回路設計→論理シミュレーション→試作機作成→検証および回路の修正

現在の回路設計の作業は、ほとんどがCADシステムを用いて行われているとされ、その作業は、対象となるデバイスのシンボルを配置して、シンボル同士を結線することである。CADシステムによって、自動配線、自動シミュレーションの機能が提供され、階層設計も可能となっている。階層設計とは、回路図を階層的に管理することであり、ラフな構成から始まり、段階的に細分化し、最終的に詳細回路を設計すれば、全ての回路が構成できる、というものである。

回路設計　試作

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ディスペンサとは液体定量吐出装置であり、液体を精度良く定量供給するコントローラ及びその周辺機器の総称である。語源は英語のdispenseである。一般的にはキャッシュディスペンサ、ドリンクディスペンサ、シャンプーディスペンサなどが認知されているが、製造業界では液体定量吐出装置及びその周辺機器を特に意味する言葉として定着している。
歴史

ディスペンサはアメリカのEFD社[現：ノードソン(EFD)]で開発された。日本には1972年に岩下エンジニアリングがアメリカより輸入販売を開始し、その後国内でもディスペンサの製造販売が開始されており、現在では、国内では数社がノードソン[EFD]社の製品に続いて参入し、海外にも輸出している。
制御原理

ディスペンサは定量塗布を制御するコントローラを基本に、それに付随して用途に応じたアクセサリ類を同時に使用する。材料を入れるバレルや、材料の種類に応じたノズル、ニードルなど。また、塗布の自動化の目的で、ディスペンサを搭載したロボットや、自動塗布装置なども多くの製造現場で使用されている。
用途

エレクトロニクス分野のみならず医療・検査業界、食品等あらゆる製造業に普及している。
エレクトロニクス業界
表面実装工程で電子回路基板への接着剤、はんだの塗布や液晶材の注入に使用。

医療・検査業界
サンプルの前処理、製薬･試薬等の生産工程における分注作業の吐出に使用。

化粧品業界
研究開発のための実験等に不可欠な多品種液体秤量の吐出に使用。
材料の定量供給方式

吐出材料を一定量供給する方式としては下記の分類を行うことができる。

流量制御方式
加圧ON/OFF型
流路ON/OFF型
容積計量方式
計量室固定型
計量室変化型

水頭差補正

水頭差とはバレル内部の液量が変化することに起因して発生する吐出量の変化を意味する。バレル内部の空間容積が大きくなることで、圧縮エアを送り込んだ際にタイムラグが発生し、それがディスペンサの反応を誘発してしまう。一般に吐出作業を行う際には、吐出量の変化が嫌われるため、下記の方式により水頭差補正を行っている。また、シリンジ（バレル）が長い場合や液剤粘度が高い場合にも起こる。

時間補正方式

吐出時間を調整することにより材料の吐出量を一定に保持する制御方式である。制御方法は単純であり、毎回の吐出ごとに正確に補正ができる利点がある。材料吐出時間（タクトタイム）が変化してしまい、自動化された生産ラインの中では使用できないという欠点が指摘されることがある。メーカーにより実際の補正時間の増加は初期値の10%から30%以内と説明されることがあるが、大容量のシリンジ（バレル）を使用していた場合、材料の種類によっては大幅な補正時間増加となる場合もある。微量吐出の分野では水頭差変化は数ミリSecから数十ミリSecの範囲内であり問題視されることが少なかったため、これまでの水頭差補正方式としては多く採用されている。

圧力補正方式

時間補正方式によるタクトタイムの変化という欠点を克服すべく開発されたのが圧力補正方式である。材料残量が少なくなった際に吐出圧力を強くし、それにより吐出量を一定に保持する方式である。以前は時間補正方式同様に事前に吐出データを採取し、それにより補正圧力を決定する必要があったが、近年ではコントローラー内部に補正データを有し、サンプリングレスでの圧力補正機能を備えた製品も開発され、僅かでも材料吐出時間が増加する時間補正方式の欠点を補う方式であり、今後微量塗布の分野でも応用が可能である。

液ダレ防止

低粘度材料を塗布する場合、シリンジに入れた材料がニードルより垂れる現象（液ダレ）が発生する。液ダレを防止するために一般的には液ダレ防止弁、または負圧機能を使用する。
液ダレ防止弁は内部にスプリング機能を採用した簡易バルブ機能であり、シリンジに加圧された際に弁が開く構造となっている。負圧機能方式は、コントローラーによりシリンジに負圧を発生させ液ダレを防止するものである。負圧は手動設定が一般的であるが、負圧を過大に設定し材料がコントローラー内部に逆流し装置を故障される可能性がある。他に圧力補正方式があるが、この方式では水頭差により変化する負圧を自動的に算出し補正を行うコントローラーも開発されている。

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System-on-a-chip は、従来別々のダイで構成されていたものを統合することで、独立して動作するシステム全体を1つの集積回路上に実現するものである。例えば、マイクロプロセッサとメモリ、周辺機器インターフェースなどを1つのチップに集積するものである。

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略称 English 日本語 素子数
SSI Small Scale Integration 小規模集積回路 2 - 100
MSI Medium Scale Integration 中規模集積回路 100 - 1000
LSI Large Scale Integration 大規模集積回路 1000 - 100k
VLSI Very Large Scale Integration 超大規模集積回路 100k - 10M
ULSI Ultra Large Scale Integration 超々大規模集積回路 10Mを超える
GSI Giga Scale Integration ギガ・スケール集積回路 1Gを超える


製造技術の進化に伴う高集積化の進展に合わせて、新たな名称が付けられたが、規模の違いが使用方法に差異をもたらすものではないので、次第に廃れて行った。現在では「LSI」以外はほとんど使われなくなっている。

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ボンディングワイヤは金、銅、アルミニウムが広く使用されている。

金(Au)

金を使ったボンディングワイヤには、純度99.99%以上の高純度金に様々な微量元素を添加し使用される。 これは金線と呼ばれる。 ワイヤ径は15マイクロメートルから大電力を扱うICのための数百マイクロメートルのものまである。
金線を使ったボンディングでは、ボールボンディングとウェッジボンディングが行われる。 金の場合酸化しづらいため、ボールの形成は空気中で行われる。 集積回路側にボールボンディングを行い、外部電極側にウェッジボンディングを行うことが多い。 ボンディング中には、たるみを防ぐためにループの形状などを制御している。

銅(Cu)

銅を使ったボンディングワイヤには、純度99.99%以上の高純度銅に様々な微量元素を添加し使用される。 75マイクロメートル程度まではボールボンディングを行い、250マイクロメートル程度までの大電流用の太い銅ボンディングワイヤではウェッジボンディングが行われる。
銅は酸化しやすいため、ボールの形成が金のように空気中で行うことが出来ず、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中か、水素等の還元ガス雰囲気中で行う必要がある。 銅の酸化しやすさは、製品の保存期間にも影響を与える。 保存期間を伸ばすには、銅ワイヤの酸化を防ぐ特別なパッケージが必要となる。 また、銅ワイヤは金やアルミニウムなどと比べて硬度が高く、接続する集積回路にダメージを与えることがあるためボンディングが困難な場合がある。

アルミニウム(Al)

アルミニウムボンディングワイヤには、 主に細線で使用されるアルミニウム合金ワイヤと、主に100マイクロメートル以上の太線で使用される純アルミニウムワイヤとがある。
アルミニウムは表面に強固な酸化物が形成されるため、ボールボンディングができない。集積回路電極側、外部電極側共にウェッジボンディングが使用される。
集積回路の配線、電極には主にアルミニウムが使用されている。 金とアルミニウムなど異なる種類の金属を接合することは、長期信頼性において問題が起こる場合がある。 そのため、アルミニウムでワイヤボンディングを行うと、同種の金属を接合することになるため、信頼性の問題が起こりにくくなるという利点がある。

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