PCB実装の完全ガイド：設計から生産まで

ジャンプ先： PCBA用語｜スルーホール実装｜表面実装技術｜混載実装｜Millennium Circuits LimitedでのPCB製造

プリント基板（PCB）の実装プロセスは、様々なステップとガイドラインで構成され、完成品が設計通りに機能するためには、これらを適切な順序で実行する必要があります。これを確実にするため、PCBメーカーはスクリーンテンプレートと制御された加熱・冷却機構を使用し、コンポーネントの取り付けと固定を調整します。

プリント基板を実装する際、手元のコンポーネントの種類に適した技術を選択する必要があります。すべての部品とピースは、PCB設計で指定された通りに正確に所定の位置に配置されなければなりません。わずかなズレでも、完成基板の機能に甚大な影響を及ぼす可能性があります。

PCBA用語

PCB実装プロセスを理解するには、いくつかの用語の意味を知る必要があります。

• 基板（サブストレート）： プリント基板の基礎材料であり、各基板を堅牢で剛性のあるものにします。
• 銅： PCBの作業面となる各側には、導電目的で薄い銅層が含まれます。片面基板では銅はアクティブ側に配置され、両面PCBでは両側に銅が現れます。
• ソルダーマスク： すべてのプリント基板の表面層（通常は緑色）です。ソルダーマスクは銅と他の材料の間に絶縁を提供し、異なる導電性材料が接触した場合に発生するショートを防ぎます。また、PCBのレイアウト構造を提供し、すべてを所定の位置に保ちます。各基板にはソルダーマスクを貫通する穴があり、各穴に半田が配置され、基板に追加される各コンポーネントの基盤となります。
• シルクスクリーン： すべてのプリント基板の仕上げとして、透明な層であるシルクスクリーンが施され、基板のさまざまな部分の隣に数字と文字を表示します。これにより、メーカーは各基板の特定コンポーネントを識別できます。
• 手半田： 技術者が一連のプリント基板上の指定された場所に単一コンポーネントを手作業で挿入するプロセスです。完了したら、各基板は次の技術者に渡され、別の部品が追加され、さらに次の工程へと進みます。
• フロー半田（ウェーブソルダリング）： 基板をコンベアに載せ、加熱室を通すことで正しく半田付けを行う工程です。ここで半田の波が底面に適用され、基板のすべての下部ピンが一度の工程で固定されます。

また、スルーホール、表面実装、混載技術の実装の違いを理解することも重要です。

スルーホールPCB実装

スルーホール技術は、リード線やワイヤーが基板の穴を通って反対側で半田固定されるプリント基板に最適な選択です。大型コンポーネントを持つPCB、特にコンデンサにはスルーホール技術が特に適しています。

スルーホールPCB技術の基本手順は以下の通りです：

1. 技術者が、PCBの設計仕様に従って、プリント基板上の特定エリアに部品を手作業で実装します。各コンポーネントは、指定通り正確な位置にセットされなければ、PCBが正常に機能しません。
2. すべての部品が適切に実装され、各コンポーネントが正確な位置にセットされているかを検査します。PCBのどの部品でもズレがあれば、この段階で修正します。
3. コンポーネントを基板上で半田固定します。通常はウェーブソルダリングで行われ、基板が熱い半田液の波の上を移動し、PCB実装を固めます。これは手作業やセレクティブソルダリングでも可能です。セレクティブソルダリングはウェーブソルダリングに似ていますが、オペレータが特定エリアのみを選択的に半田付けできるため、半田を付けたくないエリアがある場合に有効です。

スルーホール基板には通常、アキシャルまたはラジアルのワイヤーリードを持つコンポーネントが含まれます。表面実装技術と比較して、スルーホール基板は一般的により強固な結合を持ちます。しかし、追加の穴あけ工程が必要なため、スルーホール実装の製造にはより多くの作業が必要です。

スルーホール基板が多層構造の場合、穴が上面と下面の間を貫通しているため、内層での信号配線は制限されます。したがって、スルーホール技術は、電解コンデンサや半導体など、比較的大型のPCBコンポーネントに限定されることが多いです。電磁リレーやプラグコネクタのように、追加の堅牢性とサポートが必要な基板もスルーホール技術で製造されます。

試作段階では、技術者は表面実装よりも大きなスルーホールを好むことが多く、前者はブレッドボードソケットとより容易に連携できるためです。しかし、基板が高速または高周波用途を意図している場合、設計では迷走リアクタンスを減らすために表面実装技術が必要になる場合があります。そうでなければ、リード線のインダクタンスやキャパシタンスによって回路の機能が劣化します。

半田ペーストの塗布時に、半田ステンシルをプリント基板の上に配置し、半田が設計で指定された範囲内に留まるようにします。ステンシルは、コンポーネントが配置される領域の切り抜きを持つ、元の設計の薄い複製です。

コンポーネントが配置され、基板が最初の検査を受けたら、半田ペーストを熱い液体の上で加熱し、ペースト内の微小な金属球が接着剤であるフラックスと共に固化します。これにより、コンポーネントが基板に永久的に接着されます。加熱と接着が完了したら、基板を制御された環境で冷却します。これにより基板が正常な状態に戻り、熱衝撃を防ぎます。

これで完成したプリント基板は、コンポーネントのズレがないか検査されます。コンポーネントが比較的大きい場合、これは目視検査で行えることが多いです。しかし近年は、光学検査機やX線検査機を使用することで、はるかに高い精度でPCBを検査できます。設計上の欠陥が検出された場合、さらに多くの基板が工程を通過する前に問題を修正する必要があります。

表面実装技術

表面実装技術は、損傷なしに配置が困難な微小で敏感なコンポーネントを含むプリント基板に実用的な選択肢です。このプロセスを経るコンポーネントの例には、ダイオードや抵抗器が含まれます。

表面実装技術の基本手順は以下の通りです：

1. 最初のステップは、半田ペースト塗布用に設計されたプリンターを使用します。半田スクリーンテンプレートを用いて、微小コンポーネントが適切な場所に配置されることを保証します。実際にコンポーネントを配置する前に、テンプレートが正しく整列しているか検査します。
2. 基板を、半田スクリーンテンプレートの設計に従ってコンポーネントを配置するマシンに移動します。マシン内のリールが、部品をそれぞれ対応するパッドに整列・取り付けます。
3. コンポーネントが基板上で適切にセットされたら、加熱プロセスを用いてすべてを固定します。この段階で、PCBは半田を液化させる加熱室を通過し、部品を固定します。

コンポーネントをPCBに配置する前に、基板自体の選択領域をまず半田ペーストでコーティングする必要があります。これは、基板の固有部品の接着剤として機能します。半田が必要な領域は、主に対応するコンポーネント用のパッドが存在する場所です。

半田ペーストは微細な粒子とフラックスで構成されます。プリント基板への半田ペースト塗布プロセスは、印刷アプリケーションに非常に似ています。半田スクリーンを基板の上に、正確で指定された整列でセットします。その後、ローラーをスクリーン上で走らせ、半田ペーストを基板に押し付けます。

半田スクリーンは、PCBの設計に従って事前に印刷されます。したがって、スクリーンの開口部は基板上のコンポーネントパッドに整列されます。これにより、ソルダーマスクがそれらの領域にのみ分配されることを保証します。このプロセス中に分配される半田の量は、各接合部が過剰にも不足にもカバーされないよう調整する必要があります。

ペーストが塗布されると、基板はピックアンドプレースマシンを通過し、指定されたコンポーネントが半田付けされた領域に適用されます。このプロセス中に外部の力が基板を衝撃しない限り、半田の表面張力でコンポーネントを所定位置に保持するのに十分です。

一部のピックアンドプレースマシンでは、指定領域に微量の接着剤を追加してコンポーネントを固定します。これは主に、ウェーブソルダリング工程を経るプリント基板向けです。この追加接着剤の欠点は、元の設計仕様に対してコンポーネントがズレている基板では、修正が困難になることです。

コンポーネントが適切な場所に固定されたら、PCBは半田付けマシンを通過します。古い基板ではメーカーがウェーブソルダリングを採用することが多かったですが、これは概ね廃れてきています。この手法を採用する生産では、半田ペーストは使用されません。なぜなら半田はウェーブソルダリングマシンによって適用されるからです。現在では、リフロー半田付けがPCBメーカーの間でより一般的に使用されている方法です。

プリント基板が半田付けマシンから出てきたら、技術者が基板の構成に欠陥がないか検査します。基板に100種類以上の異なるコンポーネントが含まれる場合、基板は自動光学検査機（AOI）を通過し、ズレた接合部、位置ズレしたコンポーネント、不正確な配置など、わずかな欠陥さえ検出できます。

すべてのプリント基板は、組立ラインを出る前に一連のテストを受けなければなりません。基板は、元の設計通りに機能できるかを検証するため、いくつかのテストを経験します。

作業進行中、装置が意図通りに動作しているか検査する必要があります。最初に確認すべきは出力であり、これらは与えられた生産の成否を検証するのに役立ちます。半田付けマシンの出力は、各生産の開始時と、出力を通過した最初の基板と共に検査されるべきです。これにより、いかなる不完全さも、誤印刷エラーが大規模かつ高コストになる前に早期に発見できます。

混載実装

コンピュータ技術の急速な進化により、より小さな部品で作られるプリント基板が増えています。つまり、多くのPCBは今日、一般的に混載技術と呼ばれる方法の組み合わせで製造されています。混載技術を伴う実装には、以下のアプローチのいずれかが含まれます。

• 片面混載実装：プリント基板の同じ面で表面実装技術とスルーホール技術の両方を実施。
• 分割実装：基板の片面を表面実装技術で、もう片面をスルーホール技術で実装。このようなPCBは、片面に標準サイズのコンポーネント、もう片面により小さなコンポーネントを搭載。
• 両面混載実装：プリント基板の両面が、スルーホール技術と表面実装技術の組み合わせで実装。このタイプの基板は、両面に通常のコンポーネントと微小で繊細なコンポーネントの両方を搭載。

PCB設計を生産に移す前に、使用予定の基板を品質目的で検査する必要があります。コンポーネントでは、フット酸化や油性残留物が危険信号となります。涼しい環境で保管されている場合、半田ペーストは解凍・攪拌されてからでなければ塗布できません。PCBは、ペーストを表面に塗布する前に乾燥している必要があります。

混載技術のプリント基板では、ピックアンドプレースマシン内でより複雑なプロセスセットが必要です。ここでは、異なるサイズのコンポーネントの混在を、基板の片面または両面で考慮する必要があります。

プリント基板が両面実装で構成されている場合、半田付けプロセスを両面に適用する必要があります。基本的に、片面で起こるすべてのことがもう片面でも起こります。唯一の違いは、特定のコンポーネントとその配置であり、片面にはもう片面よりも小さなコンポーネントが含まれる場合があります。ウェーブソルダリングは、基板を再度通すと片面側の繊細な部品を破損させるため、両面PCBでは不可能です。

混載技術で構成されるあらゆるプリント基板は、自動光学検査機にかけるべきです。これにより、技術者は微小部品のわずかな位置ズレなど、極めて微細な欠陥さえ検出できる完全な検査を保証されます。

両面混載技術基板の複雑さを考慮し、そのようなラインで生産される最初のPCBには、より徹底したテストセットが必要です。考慮すべきコンポーネントが多いため、たった一つの部品がズレているだけで、より多くの潜在的な問題が発生する可能性があります。

Millennium Circuits LimitedでのPCB製造

今日のハイテク世界では、技術者がより多くのデータとエネルギーをより小さなチップに載せる方法を見つけるにつれ、プリント基板はますます複雑になっています。コンピュータデバイスと電子機器が小型化するにつれ、これらのデバイスを駆動し、ワイヤレスグリッドに接続するPCBも小型化します。PCBメーカーにとって、これはプリント基板の製造により高度なエンジニアリングが必要になることを意味します。

現在の基準でPCBを効率的にするには、組立プロセスの各ステップをより効率的に実行するために、適切に指定されたベアPCBが必要です。Millennium Circuitsでは、最新技術を施設で活用し、お客様の仕様に従って各ベアPCB注文を履行しています。PCB製造についての詳細は、Millennium Circuitsにお問い合わせください。

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