最適なSMT製造のための主要PCB設計要因

現代科学技術の発展により電子部品がますます小型化し、SMT技術と装置が電子製品で大規模に適用されるようになりました。SMT製造装置は全自動、高精度、高速の特性を持ちます。自動化度上昇に伴い、PCB設計により高い要求がもたらされます。PCB設計はSMT装置要件に適合しなければならず、そうでなければ製造効率と品質に影響し、コンピュータ自動SMTが完了できない可能性があります。例えば、MARKが完全に満たされないと装置が頻繁に故障し、PCB形状・クランプエッジ・パネルの不合理設計は製造効率低下とパッド欠陥、さらには機械製造不能を招きます。

SMTとその特性

SMT（Surface Mount Technology：表面実装技術）は、部品をPCB所定位置にはんだ付け・実装する先進電子製造技術です。従来のTHT（スルーホール技術）と比較し、最も顕著な特徴は自動製造度の向上で、大量自動製造に適しています。

SMT生産ラインの概要

基本的な統合SMT生産ラインは、ローダー、プリンター、チップマウンター、リフロー炉、アンローダーを含むべきです。PCBはローダーから開始し、経路に沿って伝送され装置を通過し生産完了。その後リフロー炉で高温はんだ付けを受け、印刷・実装・はんだ付け完了でアンローダーへ排出。このプロセスを図1に示します。

SMT製造に影響するPCB設計要素

PCB設計はSMT技術に含まれる重要リンクであり、SMT製造品質を決定する重要要素です。本稿ではSMT装置製造の観点から、品質に影響するPCB設計要素を分析します。SMT製造装置からのPCB設計要件は主に：PCBパターン、サイズ、位置決め穴、クランプエッジ、MARK、パネル方式等。

PCBパターン

自動SMT生産ラインでは、PCB生産がローダーから始まり、印刷・チップ実装・はんだ付け完了後、アンローダーから完成基板として排出。このプロセスでPCBは装置経路上を伝送されるため、PCBパターンは装置間経路伝送に適合する必要があります。

図2は標準長方形PCBで、経路クランプエッジが線のように平らなため、経路伝送に適しています。直角を面取り設計することもあります。

図3のPCB設計では経路クランプエッジが直線でないため、装置内でのPCB位置決めと伝送に影響。図3の空きスペースを補完しクランプエッジを図4のように直線化するか、クラックエッジを追加する方法があります（図5）。

PCBサイズ

PCB設計サイズは、プリンターとチップマウンターの最大・最小サイズ要件に適合する必要があります。現在、ほとんどの装置サイズ範囲は50mm×50mm〜330mm×250mm（または410mm×360mm）。

PCB厚が薄すぎる場合、設計サイズを大きくしすぎるとリフロー温度でPCB変形発生。長辺/短辺比は3:2または4:3が理想的。

PCBサイズが装置最小サイズ要件未満ならパネル化実施。パネル数はPCBサイズと厚さに基づき決定。

PCB位置決め穴

SMT位置決め方式は2タイプ：位置決め穴+エッジ位置決め、エッジ位置決め。弊社ではフィデューシャルマーク方式を採用。

PCBクランプエッジ

PCBが装置経路上で伝送されるため、クランプエッジ方向に部品を配置してはなりません。装置で部品が押されチップ実装に影響するため。図6(a)のPCB例：一部部品が下エッジ近くに配置されているため、上下エッジをクランプエッジに不可。しかし左右短辺エッジ付近に部品がないため、両短辺をクランプエッジとして使用可能（図6(b)）。

MARK

PCB MARKは全自動装置の識別・位置決め用識別点で、PCB製造誤差を修正するために使用されます。

• 形状：実心円、正方形、三角形、菱形、十字、中空円、楕円等。実心円が第一選択。
• サイズ：0.5〜3mm範囲。直径1mm実心円が第一選択。
• 表面：PCBパッドはんだ付け面と同一で、平坦、厚すぎず薄すぎず、優れた反射効果。

MARK周囲に背景ゾーンを配置し、他パッド、シルクスクリーン、ソルダーマスクを含めない（図7）。

図8は優れたMARK設計例、図9は不合理なMARK設計例。図9ではシルクスクリーン文字と線がMARK周囲に配置され、装置のMARK識別に影響し、頻繁なMARK識別アラームで製造効率が悪化。

パネル方式

製造効率向上のため、同一または異形状の複数小型PCBを組み合わせパネル化。両面実装PCBでは表面と裏面を1パネルに設計可能で、ステンシル1枚で済みコスト削減。また、表裏切替時間短縮で製造効率と装置稼働率向上。

パネル接続方法にはスタンプホールとV溝があり（図10）。

V溝接続の要件：未カット残部を基板厚の1/4〜1/3に維持。過度にカットするとリフロー高温で溝破断、PCB落下・リフロー炉内焼損リスク。

PCB設計は複雑な技術で、装置要件と部品レイアウト、パッド設計、回路設計を総合考慮必須。優れたPCB設計は製品品質確保の重要要素。本稿ではSMT製造観点からPCB設計が考慮すべき問題を提示。これらに十分注意払えば、SMT装置による全自動SMT製造が実現可能です。

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参考リソース

• SMT PCB設計要件 Part 1: 一般部品ボンディングパッド設計
• SMT PCB設計要件 Part 2: パッド-配線接続、スルーホール、テストポイント、ソルダーマスク、シルクスクリーン設定
• SMT PCB設計要件 Part 3: 部品レイアウト設計
• SMT PCB設計要件 Part 4: Mark
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