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PCBA の最適な性能を実現するための QFN コンポーネントにおけるステンシル設計要件
近年、QFN（Quad Flat No-lead）パッケージ部品は、優れた電気的・熱的性能、軽量・小型といった総合的な利点により、広く用いられるようになっている。リードなしパッケージであるQFN部品は、リード間のインダクタンスが低いという特長から、業界で大きな注目を集めてきた。QFNパッケージ部品は正方形または長方形で、そのパッケージ形態はBGA（Ball Grid Array）パッケージ部品と類似している。BGAと異なり、QFNの底面にははんだボールがなく、他の部品との電気的および機械的接続は、リフローはんだ付けによって形成されるはんだ接合部を介して行われる。その際、事前にプリント基板（PCB）表面のパッド上に、はんだペーストを印刷しておく必要がある。
はんだペースト印刷は、～の過程において非常に重要な工程ですPCBA（プリント基板実装）プロセスそれが、アセンブリの最終的な品質と性能をさらに左右することになります。適切なステンシルが設計・使用されない限り、はんだペースト印刷をスムーズかつ正確に行うことは決してできません。これが本記事が作成された理由です。
ステンシルデザイン
はんだペースト印刷は、表面実装組立（SMA）および電子実装技術において極めて重要な役割を果たしており、ステンシルを介したはんだペースト印刷の品質は、表面実装された電子／電気部品のはんだ付けにおける初回歩留まり（FTY）と直接結びついている。はんだ付け不良の60％から70％は、ステンシルを用いて行われるはんだペースト印刷の品質不良に起因すると結論付けられている。したがって、ステンシル技術によるはんだペースト印刷に関わるあらゆる側面について、包括的な研究を実施する必要がある。
ステンシル設計においては、優れた開口部が、最適で信頼性の高いはんだ接合を保証する第一の要素となります。
・ステンシルフレーム設計
ステンシルフレームは通常アルミ合金で作られており、そのサイズはプリンターの仕様に適合しています。自動生産では、ステンシルが生産ラインに投入される必要があり、そのサイズはプリンターに受け入れられるものでなければなりません。サイズが大きすぎても小さすぎても、スムーズな生産を妨げてしまいます。
・ステンシル伸張設計
ストレッチングとは、ステンレス製ステンシルプレートをフレームに貼り付ける工程を指します。ストレッチングには通常、接着剤とアルミニウム粘着テープが使用されます。まず、アルミ合金フレームとステンレス製ステンシルプレートの接合部に接着剤を塗布し、その上から保護コーティングを均一にスクレープして塗ります。ストレッチング工程では、はんだペースト印刷時の優れた平坦性と張力を確保するために、ステンレス製ステンシルプレートとフレームの間に25mmから50mmの内側距離を残す必要があります。新たに製造されたステンシルは、1センチメートルあたり40～50Nの範囲の張力を維持しなければなりません。
・ステンシル基準マーク設計
自動製造ラインにおいては、プリンターによって自動位置決めが行われるべきであるため、ステンシルには基準マークを含める必要がある。基準マークの設計は、マークの寸法に基づいて行われる。ガーバーファイルPCB の開口部は 1:1 の比率に設定され、ステンシルの裏面でエッチングが行われます。一般的に、ステンシルには対角の 2 つの位置に少なくとも 2 つの基準マークが必要です。
・QFNコンポーネント周囲のI/Oパッド用ステンシル設計
ステンシル開口サイズは周辺のI/Oパッドと同等とし、その開口サイズによって、リフローはんだ付け後にパッド周囲で50～75μmのはんだペースト高さを持つはんだ接合が形成できるようにする必要があります。微細ピッチのQFN部品、特にI/Oピッチが0.4mm未満のものについては、周囲のI/Oパッド間のブリッジを防ぐため、ステンシル開口幅をPCBパッドよりわずかに小さくする必要があります。ステンシル開口の幅と厚さの比率（W/T）は1.5以上でなければなりません。
・QFN部品の中央放熱パッド用ステンシル設計
熱放散用センターパッドの開口設計が不適切だと、あらゆる欠陥を引き起こします。QFN部品がリフローはんだ付け工程を通過する際、大きなパッド上のはんだペーストが溶融し、その際に発生するフラックスの揮発ガスが流れ出ることで、ボイド、ピンホール、はんだの飛散、はんだボールといった問題が生じます。これらの問題を完全に排除することはほぼ不可能ですが、いくつかの対策によって悪影響を軽減することはできます。例えば、大きな開口の代わりに複数の小さなメッシュ状開口アレイを採用します。各小開口の形状は円形でも四角形でも構いませんが、センターの放熱パッド面積の 50％～80％ がはんだペーストで覆われるようにすれば、50～75μm のはんだペースト高さを確保できます。
・ステンシルカテゴリとステンシル厚さ
ステンシルの材質にはステンレスを推奨し、エッチング方法にはレーザー加工を推奨します。穴壁には電解研磨を施し、穴壁を滑らかにして摩擦を低減することで、はんだペーストの離型および成形に有利となります。
ステンシルの厚さは、PCB 上に印刷されるはんだペースト量に決定的な影響を与えます。はんだペーストが多すぎても少なすぎても、リフローはんだ付け中に不良が発生します。はんだペーストが多すぎるとブリッジが発生しやすく、少なすぎるとオープンはんだ付けが発生しやすくなります。微細ピッチの QFN 部品（ピッチ 0.4mm 未満）には、厚さ 0.12mm～0.13mm のステンシルを使用し、ピッチの広い QFN 部品（ピッチ 0.4mm 以上）には、厚さ 0.15mm～0.2mm のステンシルを使用することが推奨されます。
・ステンシル検査
本格的なSMT実装を行う前に、ステンシルは次の検査項目に従って慎重に検査する必要があります。
a. 伸ばし具合の平坦さを確認し、開口部がステンシルの中心に位置していることを確実にするために、目視検査を行う必要があります。
b. ステンシル開口位置がPCBパッドと適合していることを確認するため、目視検査を実施する必要があります。
c. ステンシル開口部のサイズ（長さ、幅）を検査する必要があります。
d. 開口穴の壁面およびステンシル表面の平滑さを検査するために顕微鏡を使用する。
e. テンシオメーターを使用してステンシルの張力を測定する。
f. ステンシルの厚さは、はんだペースト印刷結果によって検証されるべきである。
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