基板実装（表面実装編）

このコラムでは、電気・電子機器に必要不可欠な電子回路基板を製造する上で必要な要素技術である"基板実装"について解説いたします。
そもそも基板実装とは？といった、初級者の方にも身近に感じてもらえるような情報の提供をお届けします。

Vol.2
表面実装（SMT）とは？～基板実装基礎知識～

前回の記事では、基板実装の工法や主な工程の流れについてご紹介しました。
今回のコラムでは”表面実装（SMT）”についてもう少し細かくご紹介します。

※前回記事はこちらから

表面実装工程フロー（おさらい）

表面実装（SMT・・・Surface Mount Technologyの略）

基板のパッドに部品を載せ、リフロー炉ではんだペーストを溶融させて一括接合する方式となります。

代表的な工程フロー

①はんだペースト印刷（Solder paste printing）
ステンシル（メタルマスク）とスキージを使い基板のパッドにはんだペーストを塗布します。

②はんだペースト検査（SPI: Solder Paste Inspection）
はんだ印刷量や位置を自動検査します。

③部品搭載（Pick-and-place）
自動機でチップ部品やICなどを基板上の所定の位置に載せます。

④リフローはんだ付け（Reflow soldering）
リフロー炉で加熱し、はんだペーストを溶かして部品と基板を接合します。

⑤冷却（Cooling）
はんだが固まるまで冷やします。

⑥外観検査（AOI: Automated Optical Inspection）／X線検査（X‑ray）
AOIでブリッジ・オープン・位置ずれを検出し、BGA／QFNなど外観で見えない接合にはX線でボイド・未接合を評価します。

それでは次ページより各工程についてもう少し細かく触れていきます。

①はんだペースト印刷

はんだペースト印刷（Solder paste printing）

電子部品を基板にはんだ付けするために、プリント基板上のパッド（電極）にはんだペーストを正確に塗布する工程となります。

○使用装置
はんだ印刷機と、基板のパッド部分の開口部を持つメタルマスク（版）を使用します。

○使用材料
基板
はんだペースト
※粉末状のはんだ合金とフラックス（酸化膜を除去し濡れを促す）などを混合したもの

○ステップ：

①位置合わせ：
プリント基板とメタルマスクの開口部が正確に一致するように位置を合わせます。
※基板とメタルマスクのアライメントマークを画像認識し、位置合わせをおこないます。

②塗布：
はんだペーストをマスクの上に供給し、スキージと呼ばれるブレードで一定の圧力と速度で移動させます。

③充填と転写：
スキージが移動する際、はんだペーストにローリング（転がり）が生じ、内圧が高まることでマスクの開口部にペーストが充填されます。

④版離れ：
最後に、マスクを基板から離すと、開口部に充填されたはんだペーストが基板のパッドに転写され、印刷が完了します。

②はんだペースト検査

はんだペースト検査（SPI: Solder Paste Inspection）

はんだペースト印刷後の基板を、カメラ・レーザー等で測定するSPI装置を使用してはんだの「面積」「体積」「位置」を数値で測定し、合否判定を行うことではんだ印刷の品質を検査します。
※機種によっては、はんだ印刷機へ製造条件等の自動フィードバック制御に対応するものもあります。

○使用装置
SPI（Solder Paste Inspection）装置

○使用材料
はんだペースト印刷済みの基板

○ステップ：

①位置合わせ：
基板の基準マーク（Fiducial）をカメラで読み取り、基板位置を自動補正します。
※X座標,Y座標,Θ

②撮像・測定：
高解像度カメラやレーザーを使用し、測定を行い結果から「面積」「体積」「位置」を自動算出します。

③判定処理：
設定した閾値と比較し、合否判定を行います。

③部品搭載

部品搭載（Pick-and-place）

部品をノズルで吸着して移載し、基板の所定の位置に搭載する工程です。
※特殊な部品では特注ノズルやチャックにより掴んで移載する場合もあります。

○使用装置
表面実装機（Mounter）
部品（納品形態、大きさ、形状、要求される搭載精度など）に応じて装置を選定し組み合わせます。

○使用材料
はんだペースト印刷済みの基板、各種電子部品

○ステップ：

①位置合わせ：
基板の基準マーク（Fiducial）をカメラで読み取り、基板位置を自動補正します。

②部品吸着：
部品供給装置から供給された部品をノズルで吸着します。

③補正：
専用の部品認識用カメラで測定し検査、位置の補正を行います。
※1点1点の形状、品種、極性などの検査、座標や傾きの補正を行っています。

④搭載：
搭載プログラムで指定された箇所に部品を自動搭載します。
※搭載時には部品の吸着モレの監視や押しつけの圧力制御をし繊細な部品の品質を保っています。

④リフローはんだ付け／⑤冷却

リフローはんだ付け（Reflow soldering）／冷却（Cooling）

リフローは、はんだを溶かして固める熱処理をし、基板と電子部品を接続する工程となります。

○使用装置
リフロー炉（Reflow Oven）
搬送コンベアと複数ゾーンに分かれた加熱炉を有し、基板を均一に加熱することができる装置。
※品質向上の為に、窒素（N₂）対応タイプが主流となっています。

○使用材料
部品搭載済みの基板

○ステップ：

リフローは「温度プロファイル」と呼ばれる熱処理の流れで管理されます。

①昇温：
基板全体をゆっくりと温めます。温度上昇速度は一般的に3℃/秒maxで基板と部品を均一に加熱しつつ、フラックスの活性化準備を行っています。
急激な温度変化による部品ダメージやクラック防止の側面もあります。

②プリヒート：
温度を一定に保ち、基板・部品・はんだペーストの温度差を小さくします。
フラックスを活性化させ、はんだ溶融の準備を行います。
基板全体の温度を揃え、熱ムラの防止も図ります。

③本加熱：
はんだの溶ける温度帯まで昇温し、はんだ付けを行います。
溶けたはんだが、基板のパッドと部品端子へ濡れ広がり接続が形成されます。
この際に、表面張力で位置が整います。（セルフアライメント）

④冷却：溶けたはんだを冷やして固めます。
冷却速度は一般的に6℃/秒maxで、遅すぎると結晶が粗大化し、接続強度低下につながります。

上記は、一般的な鉛フローはんだにおける典型的なプロファイルとなります。
実際の基板に使用する材料（はんだ、部品・基板等）の特性に合わせて最適化してください。

⑥外観検査

外観検査（AOI: Automated Optical Inspection）

高解像度カメラと照明を用いて基板表面を撮像し、画像処理にて基板の外観を自動で検査します。

○使用装置
AOI装置（2D/3D AOI）
2Dタイプが主流であるが、3D測定が可能な装置もあり、部品高さ・フィレット形状・リード浮きなどより細かな判定が可能な機種もあります。

○使用材料
部品搭載済みの基板

○ステップ：

①位置合わせ：
基板の基準マーク（Fiducial）をカメラで読み取り、基板位置の自動補正をします。

②撮像・測定：
撮像用カメラで撮影し、画像から実装部品の状態・形状を読み取ります。

③判定処理
設定した閾値と比較し、合否判定を行います。

※リフロー後の検査の場合が多いが、リフロー前にもブロック保証として実施するケースもあります。

表面実装工程での課題

ネクスティ エレクトロニクスの取り組み

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