技術と品質の観点から見ると、SMT（表面実装技術）実装業者の総合的な能力は、SMT実装プロセスにおける主要な要素を確認していくことで把握・確認することができます。結局のところ、これほど複雑なプロセスに直面している以上、製造のあらゆる細部を検査することはほぼ不可能であり、完成品だけからEMSメーカーの能力を完全に把握しようとするのはリスクがあります。そこで本記事では、PCB実装業者のSMT品質を評価するための十分な知識を共有し、その工場で実装された基板が、あなたの要求する基準に適合しているかどうかを検証できるようにします。
SMT実装品質を評価する際の重要な要素には、はんだペースト印刷品質、リフロー品質、部品実装、手実装をいかに回避するか、ステンシル厚さの計算および修正能力、開口部サイズ、最新の設備や機器などが含まれる。これらの要素の中でも、はんだペースト印刷の品質管理が最も重要である。はんだペーストの印刷が不良であれば、たとえ部品実装が正確に行われ、リフロー温度が適切に調整されていても、基板の品質は間違いなく低下してしまう。結局のところ、印刷されるはんだペースト量が規格外であることは、はんだ付け品質と密接に関係している。SMT実装業者の能力を評価する他の要素に関して言えば、マウンタの精度は通常固定されており、リフロー温度プロファイルの調整は、エンジニアの知識と製造経験に密接に関連している。はんだペーストの溶融温度による悪影響や、過度の熱が材料にもたらす害が十分に理解されている現在では、特別な修正が必要となることはほとんどない。
次に、はんだペースト印刷品質の適合性を評価し、確保するための方法について述べる。
はんだペースト印刷は主に、「はんだペースト品質管理能力」と「はんだペースト印刷能力」という二つの側面の能力から成り立っている。
はんだペースト品質管理
高品質なはんだペーストは、そのブランドと鮮度に大きく依存します。はんだペーストの鮮度は、常温への戻し開始時点、容器の開封時点、および攪拌開始時点から追跡しなければなりません。メーカーごとに異なる規定があり、はんだペーストは一定時間内に使い切ることが求められています。そうしないと酸化が進み、リフローはんだ付け工程においてはんだ付け不良を引き起こすためです。さらに、ステンシル上に塗布されたはんだペーストについても、厳格な管理を行う必要があります。
はんだペーストは、その活性を維持するために低温で保管することが推奨されており、使用前には室温との温度差をなくすために（通常4時間以上）昇温させる必要があります。温度が急激に変化すると、はんだペーストの表面に水滴が発生し、高温リフローはんだ付けの工程中にスプラッタ（はね）が生じる原因となります。
さらに、ステンシルに塗布されたはんだペーストがどのように処理されるか、はんだペーストの使用時間管理をどのように行うか、そしてステンシルが変更された際に、元のステンシルに塗布されていたはんだペーストをどのように扱い、管理・制御するかといった問題についても検討する必要があります。
もう一つ慎重に検討すべき項目は、最初のバッチのはんだペーストを常温に戻すタイミングです。これは、24時間体制で稼働していないPCB（プリント基板）実装業者にとって特に重要です。SMTラインは、はんだペーストが完全に常温に戻ってからでないと稼働を開始できないため、一部の製造工場では時間を節約しSMTラインの効率を高める目的で、4時間前、あるいは前日から常温への戻し作業を行うことがあります。常温への戻し作業が塗布の前日に行われると、はんだペーストの活性が大きく低下することを理解しておく必要があります。実際の現場では、プロのPCB実装業者であれば、常温への戻しが塗布の12時間以上前に行われていた場合、そのはんだペーストは確実に廃棄します。
はんだペースト印刷能力
はんだペースト印刷能力の検査に関しては、微細ピッチ（0.4mm または 0.5mm）の BGA を含む PCB を検査対象として選定する必要があります。同一の PCB に対してはんだペースト印刷を5～10回繰り返し行い、毎回の印刷結果を顕微鏡で検査して、ブリッジやずれといった問題が発生していないかを確認します。
ためSMTメーカーSPI（ソルダーペーストインスペクタ）を導入することで、はんだペーストの量（体積）を測定することができます。
さらに、ステンシルの洗浄も、はんだペースト印刷の品質に影響を与える要素の一つである。はんだペーストの漏れは長時間の印刷によって発生しやすく、ブリッジの原因となるため、孔詰まりの問題を防ぐために、一定時間ごとに不織布でステンシルを清掃するか、または超音波洗浄を行う必要がある。
SMT組立工程の検査では、はんだペーストの品質管理とはんだペースト印刷能力が主な焦点となります。もちろん、実際のはんだペースト印刷技術には、以下の観点に要約される以上に多くの項目が含まれます。
a.はんだペースト
はんだペーストは主に、Sn、Ag、Cu、Bi を含む金属合金粉末である錫粉とフラックスで構成されており、それぞれ体積比で 50％ を占めています。製品の要求に適合する、適切な種類のはんだペーストを選定する必要があります。さらに、錫粉にはさまざまな番号による分類があります。番号が大きいほど、粒子は小さくなります。一般的に、SMT には 3 号錫粉が使用され、微細ピッチまたは小さなパッドの実装には 4 号錫粉が用いられます。
b.ステンシル
スチールは、崩れにくく高い強度を有するという利点から、通常ステンシル用の材料として用いられる。スチールの開口部は、一般的にエッチング、レーザーカット、電鋳という三つの主要な異なる方法に基づいて形成され、それぞれコストが異なる。ファインピッチIC製品に関しては、レーザーカットステンシルレーザー加工によるアパーチャ壁はよりまっすぐで整っているため、これが推奨されます。電鋳ステンシルは優れた性能を有しているものの、その効果には限界があり、価格も比較的高価です。
ステンシルの厚さと開口部のサイズは、はんだペースト印刷の品質およびリフローはんだ付けの品質に大きな影響を与える。原理的には、管理の要点は錫の体積にあり、必要なはんだ付け量に対して、はんだペーストの量が適合していなければならない。理論上、SMD部品が小さくなるほど、ステンシルは厚くする必要がある。しかし、はんだペーストが薄くなるほど、錫の量の制御が難しくなることに留意しなければならない。基本的に、一般的なステンシルの厚さは0.12mmから0.15mmの範囲内である。ファインピッチ部品（0201または01005）の場合は、0.1mm以下の厚さのステンシルが必要となる。
シルクスクリーン印刷パラメータの設定および変更
a.スクレーピングブレードの圧力
スクレイピングブレードの圧力をわずかに変更するだけで、はんだペースト印刷には大きな変化が生じます。ブレード圧力が低すぎると、はんだペーストはステンシル開口部の底まで到達せず、パッドへ十分に転写されません。ブレード圧力が高すぎると、はんだペーストの層が薄くなりすぎたり、ステンシル自体が損傷したりします。最適な状態とは、ステンシル表面からはんだペーストが完全にかき取られている状態です。
b.印刷厚さ
印刷の厚さは主にステンシルの厚さに依存します。はんだペーストの印刷厚さは、ブレード速度やブレード圧力を調整することでわずかに変更できます。ブレードの印刷速度を適切に低下させることによっても、PCB上のはんだペースト量を増加させることができます。
c.ステンシル洗浄
はんだペースト印刷の工程において、ステンシルの下面に付着した残渣や広がったはんだペーストを除去するため、PCBを10枚印刷するごとにステンシルを清掃する必要があります。一般的に、洗浄剤としては無水アルコールが使用されます。
真に高いSMT製造品質を得るためには、各製造工程および主要要素について調査と分析を行い、有効な管理手法を把握する必要があります。その中でも主要な工程としては、SMT組立工程はんだペースト印刷は最も重要であり、適切なパラメータを設定し、それらの間の相応の法則を把握してさえいれば、最終的に高品質なはんだペースト印刷を実現することができます。
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本記事は、PCBCart のエンジニアである Dora Yang によって執筆され、もともと 2017 年 3 月号の SMT Magazine に掲載されたものです。
