表面実装プロセス

表面実装技術の紹介

表面実装技術は、従来のアセンブリのように、孔を通って部品を挿入することとは対照的に、プリント回路基板（PCB）の表面に電子部品を取り付けるために使用される電子アセンブリの領域である。 SMTは、製造コストを削減し、PCBスペースをより効率的に使用するために開発されました。 表面実装技術が導入された結果、より高度な自動化のために、非常に複雑な電子回路をより小さい、より小さなアセンブリに再現性良く構築することが可能になりました。

SMDとは何ですか？

表面実装デバイスまたはSMDは、表面実装アセンブリプロセス内で使用される電子部品に使用される用語です。 市場で入手可能な幅広いSMDコンポーネントパッケージがあり、多くの形状とサイズがあります。以下の選択肢があります。

表面実装アセンブリプロセス

表面実装アセンブリプロセスは、多くの異なるコンポーネントが選択され、PCBがOrcadやCadstarなどのソフトウェアパッケージを使用して設計されている設計フェーズで開始されます （ その他のものもあります ）。

この段階ではプロセスが始まることを認識することが重要です。これは、生産を真っ直ぐにし、頭痛をなくすためにできるだけ多くのデザイン機能を組み込むのに最も適した時期であるからです。 多くの場合回路は回路設計段階からPCBレイアウトに移行し、主な考慮事項は機能性ですが、これは非常に重要ですが、製造上の設計 （DFM）を理想的に組み込む必要があります。

PCB設計が確定され、部品が選択されると、次のフェーズは、PCB製造会社にPCBデータを送り、自動化を促進するために最も適切な方法で部品を購入することです。 PCBパネルのデザインは、PCBのフォーマットが期待どおりで、使用するマシンに適していることを確実にするために考慮し、仕様を作成する必要があります。

コンポーネントは、以下に示すように、リール、チューブ、トレイなど、さまざまな方法でパッケージ化されています。 ほとんどのものはリールで入手できますが、「最小注文数量（MOQ）」の部品がチューブや短いテープで供給されることがよくあります。 これらのパッケージングタイプはどちらも使用できますが、適切なフィーダタイプが必要です。 可能な場合は手袋や特殊な供給プレートの必要性につながる可能性があるので、袋に詰めた部品は避けてください。

MSL（Moisture Sensitivity Level）を持つすべてのコンポーネントは、J-STD-033に準拠して取り扱う必要があります。

マシンプログラミング - Gerber / CADからCentroid / Placement / XYファイルへ

PCBパネルとコンポーネントを受け取ったら、次のステップは、製造プロセスで使用されるさまざまなマシンをセットアップすることです。 配置機械やAOI（Automated Optical Inspection）などの機械では、CADデータから最適に生成されるプログラムを作成する必要がありますが、これは非常に頻繁に利用できません。 ガーバーデータは、裸のPCBを製造するために必要なデータであるため、ほとんどの場合利用可能です。 Gerberデータが利用可能な唯一のデータである場合、重心/配置/ XYファイルの作成には非常に時間がかかることがあり、Surface Mount Processはこのファイルを生成するサービスを提供します 。

はんだペースト印刷

製造プロセスでセットアップする最初の機械は、ステンシルとスキージを使用してハンダペーストをPCB上の適切なパッドに適用するように設計されたハンダペーストプリンタです。 これははんだペーストを塗布するのに最も広く使用されている方法ですが、特にステンシルの必要がなく改造が容易であるため、下請け部門ではジェット印刷が普及しています。

このプロセスを制御することは、印刷上の不具合が検出されなければ、ラインのさらに下の欠陥につながるため、非常に重要です。 アセンブリが複雑になるにつれて、ステンシルの設計が重要になり、繰り返し可能で安定したプロセスを確保するように注意しなければなりません。

はんだペースト検査（SPI）

ほとんどのはんだペースト印刷機は自動検査を含むオプションがありますが、PCBのサイズにもよりますが、このプロセスには時間がかかることがあり、別のマシンを使用することがよくあります。 はんだペーストプリンタ内の検査システムは2D技術を使用し、専用SPIマシンは3D技術を使用して、印刷領域だけでなくパッドごとのはんだペースト量を含むより徹底的な検査を可能にします。

コンポーネントの配置

印刷されたPCBが正しい量のはんだペーストを塗布されたことが確認されると、部品の配置である製造プロセスの次の部分に移動します。 各コンポーネントは、真空またはグリッパーノズルを使用してパッケージからピッキングされ、ビジョンシステムによってチェックされ、プログラムされた場所に高速で置かれます。

このプロセスにはさまざまな種類のマシンがあり、どのタイプのマシンを選択するかはビジネスに大きく依存します。 例えば、事業が大量のビルド数量に集中している場合、配置率は重要ですが、集中度が小さいバッチ/ハイミックスの場合、柔軟性がより重要になります。

プリリフロー自動光学検査（AOI）

部品配置プロセスに続いて、間違いがないこと、およびリフローはんだ付け前にすべての部品が正しく配置されていることを確認することが重要です。 これを行う最善の方法は、AOIマシンを使用して、コンポーネントの存在、タイプ/値、極性などのチェックを行うことです。

第1条検査（FAI）

下請け製造業者にとっての多くの課題の1つは、顧客情報またはFAI（first article inspection）に対する最初の組立の検証であり、非常に時間がかかる可能性がある。 これはプロセス中の非常に重要なステップです。何らかのエラーが検出されなければ、大量のリワークにつながる可能性があります。

リフローはんだ付け

すべての構成要素の配置が確認されると、PCBアセンブリはリフローはんだ付け装置内に移動し、アセンブリを十分な温度に加熱することによって、構成要素とPCBとの間にすべての電気的なはんだ接続が形成される。 これは組立工程のあまり複雑ではない部品のように見えるが、過剰な熱によって部品やアセンブリを損傷することなく、許容されるはんだ接合部を確実にするためには正しいリフロープロファイルが重要である。

鉛フリーはんだを使用する場合、必要なリフロー温度がしばしば多くの部品の最大定格温度に非常に近くなるため、慎重にプロファイルされたアセンブリがさらに重要になります。

ポストリフロー自動光学検査（AOI）

表面実装アセンブリプロセスの最後の部分は、はんだ接合品質をチェックするためにAOIマシンを使用して間違いがないことを再度確認することです。

3D技術の導入により、このプロセスは2D検査では2Dイメージを解釈することによる誤った呼び出しが多い傾向があり、信頼性が向上しました。 3D検査により、より正確な測定が可能となり、より安定した検査プロセスが提供される。

検査装置の最新機能の1つは、それらをネットワークで接続して先行の機械に即座にフィードバックして自動調整を可能にすることです。 例えば、AOIマシンを配置機に接続することにより、部品の配置位置を調整し、SPIマシンをプリンタに接続してPCBからステンシルの位置合わせを調整することができます。

効率と生産性の向上

エレクトロニクス業界では、多くの表面実装作業、特に下請け製造部門の20％の効率で稼動する多くの表面実装作業を読むことは衝撃的な統計です。

この数値には多くの理由がありますが、基本的には設備投資の20％しか利用されていないことを意味します。 財務的に言えば、これにより所有コストが高くなり、投資収益率が低下します。 顧客にとっては、製品のリードタイムが長くなる可能性があるため、市場での競争力は高くありません。

このレベルの生産効率では、バッチサイズが大きく、部品が多く、WIP（作業中の作業）のアセンブリが多く、顧客の変更要求に対する反応時間が遅いなど、ビジネスに影響を及ぼすノックオン効果が数多くあります。

このすべてを念頭において、品質を維持しながら効率を向上させる強いインセンティブがあります。