スルーホール ピンに最適な PCB 穴サイズを選択する方法

PCB の穴にコンポーネントを取り付けるのに、少しきつすぎたり、緩すぎたりして苦労したことはありませんか?スルーホール ピンに適切な穴サイズを選択することは単なる推測ではなく、パフォーマンスと信頼性にとって重要です。

この投稿では、実証済みのルール、IPC 標準、および実際のヒントを使用して、最適な PCB 穴サイズを選択する方法を学びます。また、CNC ボール盤などの精密ツールが常に完璧な結果を保証する方法についても説明します。

はじめに: PCB 穴サイズの選択が重要な理由

PCB 上の穴のサイズを正しく設定することは簡単に思えますが、大きな影響を与えるのは小さな詳細です。スルーホール コンポーネントを適切に取り付けるには正確な穴が必要で、ほんのわずかな不一致でもすべてが台無しになる可能性があります。穴が狭すぎると、曲げたり力を入れたりしないとピンが入りません。緩すぎると部品がぐらついたりずれたりして、はんだが流れにくくなったり、くっつきにくくなったりします。つまり、接合部が弱くなり、やり直しが増え、最悪の場合、ボードが機能しなくなることを意味します。

はんだがピンの周りをどのように流れるかを考えてみましょう。移動するには少しスペースが必要ですが、それほど多くはありません。このスペース (クリアランスと呼ばれます) は、はんだが適切に流れ、ピンとパッドの両方をつかむのに役立ちます。ただし、これを無視すると、特に鉛フリーはんだを使用する場合、はんだがうまく付着しなかったり、ボイドが発生したりすることがあります。ジョイントの冷え、接続の不完全さ、パッドの亀裂などの問題が後で現れる可能性があります。

製造業にも独自の課題が加わります。ドリル穴のサイズは常にわずかに異なり、銅めっきが追加されると、最終的な穴の直径は小さくなります。したがって、たとえドリルが正しかったとしても、完成した穴は依然としてずれている可能性があります。そのため、設計者は事前に計画を立て、ピンのサイズと穴あけ方法の両方に合わせて公差を組み込む必要があります。多少の過不足があると、組立ラインで挿入に失敗し、コストと遅延が増大する危険があります。

すべては精度にかかっています。すべてのボード、すべてのコンポーネント、すべての穴がスムーズに連携しなければなりません。それは、穴のサイズが実際にどれほど重要であるかを理解することから始まります。

スルーホール PCB 設計の基本を理解する

スルーホール技術は何十年も前から存在しており、今日でもエレクトロニクス製造で広く使用されています。この方法では、SMT のように表面にコンポーネントを配置するのではなく、基板にあらかじめ開けられた穴にコンポーネントのリードを挿入します。これらのリード線は反対側から突き出ており、所定の位置にはんだ付けされているため、強力で安全な接続が得られます。電源や変圧器など、過酷な環境で使用されるものなど、耐久性が重要な製品にはスルーホール部品がよく見られます。

この種の設計で使用される穴には、主に 2 つのタイプがあります。1 つはメッキ スルーホール (PTH)、もう 1 つは NPTH として知られる非メッキ スルーホールです。 PTH の穴壁の内側には薄い銅の裏地が付いています。この層により、電気信号が 1 つの基板層から別の基板層に伝わることが可能になります。そのため、実際に回路に接続するコンポーネントに使用されます。一方、NPTH には電流が流れません。取り付けや位置合わせによく使用され、ネジ、リベット、サポート ピンなどが使用されます。銅のライニングがないため、NPTH は純粋に機械的です。

どのタイプを扱っているかに関係なく、PCB の穴あけはすべてを実現するための最初の主要なステップです。これらの穴は単に現れるのではなく、ファイバーグラスと銅を打ち抜く高速機械を使用して製造プロセス中に開けられます。各穴のサイズと精度はコンポーネントのピン サイズと一致する必要がありますが、最終的な直径を小さくする銅メッキも考慮に入れます。そのため、設計者は穴あけ段階を慎重に計画し、製造公差、はんだの流れ、および適切な電気的接続のために十分な余地を残しておく必要があります。

スルーホール ピンの PCB 穴サイズに影響を与える要因は何ですか?

穴のサイズはレイアウト上では単純に見えるかもしれませんが、舞台裏ではいくつかのことがその数値に影響を与えます。最も明白なものの 1 つはピン自体です。ピンにはさまざまな形があります。ほとんどは円形ですが、多くは正方形または長方形です。四角いピンは対角線が辺よりも長いため、この形状が重要になります。したがって、単に幅を測定するのではなく、基本的な幾何学の公式を使用して対角線を計算する必要があります。この手順を省略すると、紙の上では問題ないように見えても、穴がきつすぎる可能性があります。

次に、使用されているコンポーネントの種類があります。大型のコンデンサ、コネクタ、変圧器などの重いコンポーネントは穴に余分なストレスをかけます。これらの部品には、多くの場合、もう少し広いクリアランスと強力なはんだ接合が必要です。振動や負荷にあまり対処しない軽量のコンポーネントの場合、心配する動きが少なくなるため、サイズをより厳しくすることができます。そのため、ピンに基づいて穴のサイズを決めるだけではなく、時間の経過とともに部品が受ける可能性のある応力の大きさも考慮します。

PCB の分類も重要な役割を果たします。ボードには、コンポーネントの混雑度に応じて、クラス A、B、または C というさまざまな密度レベルがあります。低密度設計 (クラス A) では、より大きな穴とパッドのためのスペースがより多くあります。しかし、高密度レイアウト (クラス C) では、より注意する必要があります。余地が少ないということは、許容誤差が厳しくなり、より正確な計画が必要になることを意味します。そこでは小さなミスが大きな問題を引き起こす可能性があります。

ものづくりも忘れてはいけません。ドリルで穴を開けた後、銅メッキを施すことでサイズが縮小します。ドリルのサイズだけを計画した場合、最終的な穴は予想よりも小さくなります。さらに、すべてのドリルやピンのバッチにはある程度の公差があり、おそらくプラスまたはマイナス 0.05 ミリメートルです。大したことのように聞こえませんが、数十、数百のピンを処理している場合、これらの小さな変化はすぐに加算されます。だからこそ、賢いデザイナーはこうした変化に対応し、毎回スムーズで一貫したフィット感を保証するための余裕を残しておくのです。

正しい穴のサイズを計算する方法

穴のサイズを正しくするには、コンポーネントのピンから始める必要があります。まず、データシートを確認して、ピンの最大直径を見つけます。これは、平均や最小ではなく、公差内で可能な最大のサイズです。四角ピンの場合は、もう一手間加えて、辺の長さではなく、対角線を使用します。一辺が 0.64 mm の四角ピンの対角線は約 0.905 mm です。それが私たちが適合させる必要がある実際のサイズです。

今度はクリアランスが来ます。特にピンやドリルのサイズにばらつきがある場合、穴がきつすぎたり、ピンが入らなかったりすることは避けたいです。ほとんどの設計者は、スペースを作成するために追加の 0.15 ～ 0.25 mm を使用します。これにより、コンポーネントの挿入が容易になり、組み立て中にはんだが流れる余地も得られます。基板に鉛フリーはんだを使用する場合、鉛フリーはんだは鉛入りはんだほど濡れにくいため、もう少しクリアランスを増やすと役に立ちます。

次に銅メッキです。すべてのメッキされたスルーホールの内側には薄い銅層があります。この層がスペースを占めるため、穴あけ後の最終的な穴の直径が小さくなります。ドリルで開けられた穴は 1.1 mm から始まりますが、メッキされると、プロセスによっては約 0.05 mm 以上縮小する可能性があります。それを考慮するのを忘れると、穴は計画よりも小さくなってしまいます。

例を見てみましょう。丸ピンの最大直径が 0.8 mm であるとします。 0.2 mm のクリアランスを追加すると、1.0 mm になります。メッキによりサイズが 0.05 mm 減少すると予想される場合は、穴を 1.05 mm にドリルで開けます。そうすることで、メッキ後も完成した穴は 1.0 mm のままで、ピンにちょうどぴったりです。

PCB ドリル穴サイズの業界標準

PCB に適切な穴のサイズを判断するときは、公式のガイダンスがあると役立ちます。そこで IPC-2221 と IPC-2222 が登場します。これらはエレクトロニクスの世界で広く使用されている規格であり、プリント基板の設計ルールの概要を示しています。 IPC-2221 はすべての PCB 設計の一般要件を示しますが、IPC-2222 は特にリジッド ボードに焦点を当てており、めっきスルーホール構造の詳細な手順が含まれています。

これらの規格の最も重要なルールの 1 つは、リードとホールのクリアランスです。ピンの直径を一致させるだけでは十分ではなく、呼吸する余地を与える必要があります。このスペースは、挿入とはんだ付けの両方に役立ちます。 IPC では、コンポーネントの種類と製品クラスに応じて、約 0.2 ～ 0.25 mm のクリアランスを推奨しています。小さな数字のように思えるかもしれませんが、何百ものピンをはんだ付けする場合には大きな違いになります。

さて、分類について話しましょう。 IPC は、品質と信頼性のニーズに基づいて製品を 3 つのクラスに分類します。クラス I は、おもちゃやガジェットなどの汎用電子機器用です。クラス II は、家庭用電化製品や産業用コントローラーなど、継続的なパフォーマンスが重要となる専用サービス製品用です。クラス III は、高性能でミッションクリティカルなアイテム向けです。航空宇宙、医療、軍事機器を考えてみましょう。クラス I からクラス III に進むにつれて、特に穴サイズの公差、めっきの品質、清浄度などの設計要件が厳しくなります。

IPC レベルに基づいて最小の穴サイズが計算される方法は次のとおりです。

IPC クラスの	穴サイズの計算式
クラスI	最大ピン径 + 0.25 mm
クラス II	最大ピン径 + 0.20 mm
クラスIII	最大ピン径 + 0.25 mm (より厳密な検査を行った場合)

これらの規格は、一貫性を保つだけでなく、組み立て中の損害の大きいミスを回避するのにも役立ちます。これらは、データシートに推奨穴サイズが記載されていない場合や、故障が許されない高信頼性の製品を構築している場合に、優れたセーフティ ネットとなります。

公差への対処方法とメッキに関する考慮事項

PCB の穴のサイズに関しては、図面に印刷されている数字がすべてではありません。現実世界の部品やプロセスには常に公差が伴います。ほとんどのスルーホール ピンの標準的な直径公差は約 ±0.05 mm です。つまり、データシートにピンが 1.00 mm と記載されている場合、実際の測定値は 0.95 mm ～ 1.05 mm である可能性があります。ここで、ちょうど 1.00 mm に合うように穴を設計したと想像してください。一部のピンはうまく滑り込みますが、他のピンは詰まったり、まったく嵌まらない場合があります。

穴あけプロセスも複雑になります。通常、PCB はめっきの前に穴あけされ、穴の内側にめっきされた銅によって直径がわずかに縮小します。元のドリルのサイズと完成した穴のサイズの間のこの違いは、無視できないものです。仕上げ穴 1.00 mm が必要な場合、メーカーが使用するめっきの厚さに応じて、実際のドリル サイズは 1.05 mm 以上必要になる場合があります。すべての製造業者が同じプロセスを使用しているわけではないため、ドリルから仕上げまでのオフセットを尋ねるのが賢明です。

だからこそクリアランスが重要なのです。穴を緩めすぎずに、ピンの変動、ドリルのずれ、めっきの減少に対応する十分なスペースが必要です。ギリギリの大きさの穴があると、組立ラインで問題が発生します。ピンがスムーズに挿入されないため、余分な力を加えたり、手動で調整したりする必要がある場合があります。これは、後でリードが曲がったり、基板が損傷したり、はんだ接合部に亀裂が入ったりする原因になります。

ここでは、最終的な穴のフィットに影響を与えるものを簡単に見ていきます。

係数	一般的な範囲の	フィットへの影響
ピン公差	±0.05mm	実際のピン サイズを変更できる
ドリル公差	±0.025mm以上	穴の直径はバッチによって異なる場合があります
銅めっきの厚さ	~0.025 ～ 0.05 mm (壁あたり)	仕上がり穴径を小さくします
推奨クリアランス	0.15～0.25mm	スムーズな挿入をサポートします

コツは、これらの値を賢く積み重ねることです。すべてのコンポーネントとプロセスが仕様の真ん中にとどまることを期待すると、失望するでしょう。少し余裕を持って構築すると、全体的により一貫した結果が得られます。

正方形または長方形のピンの穴サイズのガイドライン

丸いピンはシンプルですが、正方形または長方形のピンはレイアウト時に注意が必要です。角ピンの辺の長さだけに基づいて穴のサイズを決めると、トラブルが発生します。このピンは一方向に幅が広いだけではなく、対角線があり、その対角線が、適合する必要がある実際の最大サイズを設定します。これを理解するには、ピタゴラスの定理を使用するとよいでしょう。辺がわかれば、正方形の対角線を見つけるのが簡単になります。

例を見てみましょう。四角いピンの一辺の長さが 0.64 mm であるとします。次のように対角を計算します。

対角線 = √(0.64² + 0.64²) = √(0.4096 + 0.4096) = √0.8192 ≈ 0.905 mm

次に、一般的な 0.2 mm のクリアランスを追加します。これにより、次のことが得られます。

穴のサイズ = 0.905 mm + 0.2 mm = 1.105 mm 、これは 1.1 mm に四捨五入できます。

したがって、ピンの各側の幅がわずか 0.64 mm であっても、はんだ付けやバリエーションのために適切なクリアランスを確保して安全に取り付けるには、少なくとも直径 1.1 mm の穴が必要です。斜めの手順を省略して 0.84 mm (0.64 mm + 0.2 mm) だけを使用した場合、穴がきつすぎる可能性があります。

データシートに片側の許容差が与えられている場合、事態はさらに興味深いものになります。場合によっては、「ピンの直径 = 0.9 mm +0.1/-0 mm」のような内容が表示されることがあります。つまり、ピンの太さは 0.9 mm ～ 1.0 mm の範囲であり、0.9 mm より小さくなることはありません。このような場合、常に可能な最大値に基づいて穴のサイズを決定します。私たちの例を使用すると、次のようになります。

穴のサイズ = 1.0 mm + 0.2 mm = 1.2 mm

両方のケースを明確に示す表を次に示します。

ピンのタイプ	最大サイズの計算	追加されたクリアランス	最終的な穴のサイズ
正方形(0.64mm)	√(0.64² + 0.64²) = 0.905 mm	+0.2mm	1.1mm
片側の公差	0.9mm + 0.1mm = 1.0mm	+0.2mm	1.2mm

設計者はこれらの小さな計算ステップを見落とすことがありますが、完成した基板にピンを押し込む段階では、大きな違いが生じます。

推奨穴サイズ：0.2mmルール

スルーホール コンポーネントの PCB 穴のサイズを決定するときに、多くの設計者が従う単純なルールがあります。それは、公称ピン直径に 0.2 mm を追加するだけです。それでおしまい。この「黄金律」はほとんどの場合に機能します。これは、嵌合が緩くなりすぎずに、簡単に挿入できる十分なスペース、めっきの厚さ、はんだの流れを確保するためです。

なぜ代わりに 0.05 mm を追加すればよいのかと疑問に思う人もいるかもしれません。それはよりタイトで効率的であり、ボード上により多くのスペースを残しているように見えます。しかし実際には、そのクリアランスが狭すぎて確実に動作できないことがよくあります。コンポーネントのピンとドリル穴には公差があります。 1.00 mm とマークされたピンは、実際には 1.05 mm である可能性があります。穴が 0.05 mm 増えただけで、メッキによって穴がさらに狭くなった場合、ピンはまったく適合しません。無理に押し込むか、ボードを拒否する必要があります。

実際の運用ケースの例を次に示します。基板の最初のバッチには 0.05 mm のクリアランスがありました。コンポーネントはかろうじて適合しますが、検査には合格しました。 2 番目のバッチが到着したとき、同じコンポーネントが入ることを拒否しました。何が変化しましたか?公差によるピン直径のわずかな変化。ピンと穴の両方が仕様内にあったとしても、組み合わせの変動により不一致が発生しました。その後、0.2 mm ルールに従うように穴のサイズを更新しました。フィット感の問題はもうありません。

電源に取り組んでいる別のチームは、クリアランスが約 0.3 mm の特大の穴を使用しました。すべては簡単に収まりましたが、ウェーブはんだ付け中にはんだが流れすぎて接合部が不均一になってしまいました。したがって、0.2 mm はすべての部品に最適というわけではありませんが、機械的な容易さとはんだ付けのパフォーマンスの間で信頼できるバランスを保っています。

このルールによって思考の必要性がなくなるわけではありません。四角いピン、特殊な形状、異常な公差に合わせて調整する必要があります。しかし、ベースラインとしては、運動に関連した頭痛の 90% を回避するのに役立ちます。

ケースの種類	クリアランスの使用	結果
タイトフィット、0.05 mm	きつすぎる	ピンを一貫して挿入できませんでした
黄金律、0.2mm	ちょうどいい	確実な嵌合とはんだ付け
ルーズフィット、0.3 mm	緩すぎる	過剰なはんだ、接合部の弱さ

製品スポットライト: PCB CNC ボール盤

スルーホール コンポーネントを扱う場合、穴の精度は必須ではありません。そこが私たちの PCB CNC ボール盤 が登場します。これらの機械は、高精度の PCB 製造の要求を満たすように設計されています。 1 つのプロトタイプを構築している場合でも、本格的な生産を実行している場合でも、毎回許容範囲に達するために必要な一貫性を提供します。

各機械には高速スピンドルとモーションコントロールシステムが装備されています。つまり、ただ速いだけでなく、コンポーネントが詰まった基板であっても、ピンポイントの精度で穴あけが可能です。この種の制御により、層の数やレイアウトの密度に関係なく、完成した穴のサイズが仕様内に収まるようになります。

彼らは賢いんです。自動工具交換システムは、その場でドリルビットを交換するため、ダウンタイムが削減され、生産の流れが維持されます。異なる穴サイズを切り替えたり、FR-4 などの硬い材料に穴あけしたりする場合に特に便利です。リアルタイムのエラー検出機能はドリルのパスとビットの状態を監視し、問題がスクラップになる前に検出します。時間、材料、ラインのストレスを節約します。

公差の厳しいビアから特大の取り付け穴まで、機械がすべてを処理します。特徴は次のとおりです:

機能の	メリット
高速スピンドル	複数の層をきれいにカットします
精密なモーション制御	厳しい穴サイズ公差を維持
オートツールチェンジャー	ドリルサイズ間の素早い移行
リアルタイムエラー検出	無駄を減らし、工具の摩耗を早期に警告します
マルチボードのサポート	プロトタイピングと大量生産の両方に最適

したがって、信頼性、スピード、完璧な穴品質が必要な場合に、このツールはそれを実現できるように構築されています。

結論

スルーホール ピンに適切な PCB 穴サイズを選択することは、単に数値に従うだけではなく、賢明で信頼性の高い設計選択を行うことにもつながります。はんだの強度から製造のしやすさまで、ミリ単位のすべてが重要です。重要なのは、コンポーネントの仕様を理解し、適切なクリアランスを適用し、IPC-2221 や IPC-2222 などの規格に従うことです。常に公差を考慮して構築し、めっきを計画し、完全生産の前にプロトタイプでデザインをテストしてください。製造業者と緊密に連携して、各穴が必要に応じて正確に機能することを確認します。さらにサポートが必要な場合は、当社のサポートをご覧ください。 製品.

よくある質問

Q1: 穴のサイズとピンのサイズを単純に一致させることができないのはなぜですか?

まったく同じピンは 2 本ありません。公差やメッキによりスペースが減少するため、ピンの直径に一致する穴がきつくなりすぎることがよくあります。

Q2: 標準クリアランスはどれくらいを使用すればよいですか?

ほとんどの設計は 0.2 mm のクリアランスで適切に機能します。穴を大きくしすぎずに、簡単な挿入と適切なはんだの流れのバランスを保ちます。

Q3: 銅メッキは穴のサイズにどのような影響を与えますか?

メッキにより穴の内側に薄い銅の層が追加され、最終的な直径が小さくなります。正しい仕上がりサイズを得るには、少し大きめの穴を開ける必要があります。

Q4: 角ピンには丸ピンとは異なる穴サイズが必要ですか?

はい。角ピンの対角線を使用して有効直径を計算し、クリアランスを追加します。そうしないと、穴が小さすぎます。

Q5: データシートに片側の公差しか記載されていない場合はどうなりますか?

穴のサイズを計算するときは、適切な適合を保証するために、完全な正の公差を含む最大ピン サイズを使用してください。