SMT組立品質を向上させるための効果的な対策

主要な種類としてPCB組立製造分野において、SMT（表面実装技術）組立は、材料・人件費・時間コストを削減できることに加え、高い信頼性と高周波特性という利点を有するため、電子産業で広く用いられている。現在では、SMT 組立は航空宇宙、医療、コンピュータ、通信、自動車を含むほぼすべての産業に適用されており、人々の生活と電子製品の信頼性を大きく向上させている。

しかし、コインには常に表と裏があります。SMT実装は、電子製品により高い信頼性と一体性をもたらしますが、SMT実装プロセス中に問題が発生すると、最終製品の品質は低下しがちです。2005年のPCBCart設立以来、品質は当社事業の中核目標であり、20年以上にわたる電子製造の経験の蓄積により、SMT実装品質を向上させるための有効な対策が、当社工場内でまとめられてきました。

SMT実装製品の品質に影響を与える要因

SMT組立の全体的なプロセスは主に、はんだペースト印刷、実装、はんだ付け、および検査を含み、その中でも特にはんだペースト印刷、実装、はんだ付けが最も重要です。

・はんだペースト印刷工程で発生する欠陥

の始まりとしてSMT組立工程はんだペースト印刷は、PCB と最終製品の両方の品質を直接左右する役割を果たします。はんだペースト印刷の工程で厳格な管理が行われない場合、SMT 実装の後工程でソルダーボールが発生する可能性があります。例えば、ぬれ不良が起こると金属粒子が酸化したり、はんだペースト量が不足して金属粒子の形状が不規則になったりする可能性があります。また、溶剤の急激な揮発や金属粒子の酸化によってもソルダーボールが発生するおそれがあります。

・実装工程で発生する欠陥

実装（チップマウンティングとも呼ばれる）は、SMT実装に関して最も複雑な製造工程とみなされており、その実装レベルがSMT実装製造の性能を示す指標となります。したがって、チップマウンティングの品質はSMTの水準を表します。しかし、この工程では欠陥が発生しやすく、製造装置における不良率が最も高くなります。例えば、不適切に動作するノズルにより部品の欠品が発生する可能性がありますし、部品サプライヤー側でのエラーにより部品の方向が誤ってしまうこともあります。また、位置合わせの不備により部品のずれ実装が起こる場合もあります。

・はんだ付け工程で発生する欠陥

はんだ付けとは、金属製のはんだを溶融させてデバイスをPCB基板に固定し、その後冷却して硬化させることで接合を完了させるプロセスを指します。はんだ付けは電子製品の性能に最も大きな影響を与えるため、はんだ付け品質の向上は製品性能を保証するための基盤となります。はんだ付けの全体プロセスにおいては、表面の清浄度、はんだ付け温度の設定、はんだ自体の品質など、すべての重要要素を慎重に考慮しなければなりません。SMT実装製造工程におけるリフローはんだ付けプロセスで発生する最も代表的な欠陥は、リフローはんだ付けによって部品表面に生じる小さな金属粒子であるはんだボールです。はんだボールはIC（集積回路）間の短絡を引き起こす可能性があり、実装済み回路の故障に直結します。さらに、小型PCBが二度目のはんだ付けを行う必要がある場合、転がるはんだボールによって基板上で短絡が発生したり、基板全体や製品そのものが焼損したりするおそれもあります。

前述のSMT実装工程中に発生する欠陥要因とは別に、コスト管理や洗浄不足もまた、PCBの性能低下を招く原因となります。基板表面に残渣が多すぎると、はんだ接合部が十分に充填されず、光沢も損なわれやすくなります。

製造工程におけるSMT組立製品品質向上のための対策

SMT組立製品の品質に影響を及ぼす要因に応じて、製造プロセス中にSMT組立製品の品質を向上させるためのいくつかの対策をまとめることができる。

対策1：はんだペースト印刷技術と品質管理

SMT実装において、はんだペーストは組立製造で重要な役割を果たします。実際、SMT実装を適用した電子製品の品質不良のうち70％は、低品質なはんだペースト印刷に起因しています。したがって、はんだペースト印刷性能の向上は、SMT実装の製造品質を高めるための重要な対策となります。具体的には、はんだペーストの品質、ステンシルの配置、および印刷パラメータの設定を中心に対策を講じることができます。

a. はんだペーストの品質

使用前に、はんだペーストは温度5℃の冷蔵庫に保管し、製造工程で使用する直前まで取り出してはいけません。はんだペーストに水分が多く含まれていると、蒸発によってスプラッシュが発生しやすくなり、その結果、はんだボールの発生につながります。さらに、使用前には、はんだペーストの容器を室温環境で開封し、温度を自然に上昇させる必要があります。はんだペーストの最適な使用温度は約20℃、湿度は30％～50％です。したがって、SMT実装の製造環境では、温度と湿度の両方を厳密に管理しなければなりません。

b. ステンシルの配置

ステンシルは、その上に示されているマーカーに従って正しく配置する必要があります。位置合わせは通常、印刷前に印刷装置によって自動的に行われるため、適切なアライメントパラメータを設定することで、印刷品質の向上に役立ちます。

c. 印刷パラメーター設定

はんだペースト印刷の工程において、スクレイピングブレードの移動速度が速すぎると、パッド上に載るはんだペースト量が不足し、不良の原因となり、逆に遅すぎても不良につながる。スクレーパーの最適な移動速度は 12～40mm/s である。スクレイピング圧力も適切に設定する必要があり、圧力が高すぎると、はんだペーストが押し出されてつぶれが発生し、逆に圧力が低すぎると、はんだペーストが滑ってステンシルを汚染してしまう。また、スクレイピングブレードの走行距離および離型速度も適切に設定しなければならない。スクレイピングブレードの走行距離が長すぎると生産効率が低下し、離型速度ははんだ接合部の形状に大きな影響を与えるとともに、はんだ付け品質を左右する決定的な要因となる。

施策2：配置技術および品質管理

実装技術は表面実装技術の中核となる技術である。さらに、部品やデバイスの小型化が進むにつれて、PCBアセンブリはますます複雑化し、より高度な技術レベルが求められている。チップ実装は、高速なピック＆プレースと高速実装を特徴とするチップマウンタに依存している。実装品質は、部品の選定、実装位置、および実装圧力に左右される。例えば、部品認識はチップマウンタが部品サイズによって行うため、わずかな差異でも部品の位置ずれを引き起こし、最終的にはブリッジ不良につながる可能性がある。実装圧力に関しては、圧力が小さすぎると部品の高さが過度に高くなり、逆に圧力が大きすぎるとソルダーペーストのつぶれを招き、部品の損傷や位置ずれを引き起こす可能性がある。さらに、部品位置は正確でなければならず、部品が基板上の対応する位置に正確に固定される必要がある。許容範囲を超えた場合は、手動調整後に再はんだ付けを行わなければならない。

対策3：はんだ付け技術と品質管理

リフローはんだ付けの性能は、PCB の性能と品質を左右します。パッド、ステンシル、基板厚さなどの設計が不適切な場合、ブリッジ、部品の欠落、はんだボールといった不良が発生します。温度プロファイルは科学的に設定する必要があり、リフローはんだ付けでは予熱、昇温、リフロー、冷却の 4 つの温度フェーズが用いられます。予熱および昇温の目的は、60～90 秒以内に温度を規定値まで上昇させることで、PCB と部品への熱衝撃を低減するとともに、溶融したはんだペースト中の揮発成分を一部蒸発させることにあります。さらに、予熱と昇温によって急激な温度上昇による溶剤のはねを防止し、はんだボールの発生を抑制できます。加えて、ステンシルは適切な厚みと開口サイズで設計しなければなりません。一般的に、ステンシル開口部の面積は PCB 上のパッド面積の 90％ 程度とするのが望ましいとされています。

これらすべての対策は、20年以上の現場経験と製品信頼性に対する厳格な要求を有するPCBCartのSMTプロセスエンジニアによってまとめられたものです。

SMT実装は多くの産業における重要な技術であり、低コストや電子部品の信頼性向上といった大きな利点をもたらします。SMT実装は、通信から航空宇宙に至るまで幅広い分野で応用され、複雑な電子システムの機能および信頼性の向上に貢献しています。一方で、SMT実装には、はんだペースト印刷、部品実装、はんだ付けプロセスなどにおける問題を含め、製品品質に影響を及ぼし得るいくつかの課題も存在します。こうした潜在的な弱点を特定し是正することは、優れた品質結果を導き出すとともに、最終製品の故障を防止するうえで極めて重要です。

PCBCartでは、プリント基板製造における20年以上の経験を活かし、より高品質なSMT実装を実現しています。はんだペーストの品質最適化、実装技術の向上、そして信頼性の高いはんだ付けプロセスの提供など、綿密な手順を通じて品質向上に取り組んでいます。

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