PCB技術 - 電子表面実装技術のSMT分析

近年、新しい電子表面貼付技術SMT（surface mount technology）は、従来のスルーホール挿入技術に代わって、電子機器の発展を主導している。それは電子組み立て技術の革命的な変革として公認されている。SMTは製品の信頼性と性能を高め、コストを削減することを目的としている。消費電子製品であれ軍用電子製品であれ、電子製品に大きな変化をもたらします。

2表面実装技術とPCB素子の紹介

表面実装技術、表面実装（SMT）とも呼ばれ、プリント基板に穴を開けずに表面実装されたコンポーネントをプリント基板の指定された位置に直接貼り付け、コンポーネントとプリント基板の間に半田を使用して機械と電気的接続を形成する電子実装技術である。

表面実装を必要とする電子製品は、通常、プリント配線基板と表面実装要素から構成される。プリント配線板（PWB）は、配線とパッドを含む片面または両面多層材料である。表面実装アセンブリは、表面実装アセンブリと表面実装デバイスとを含む。表面実装素子とは、抵抗、容量、インダクタンスなどの各種シート状受動素子、表面実装デバイスはパッケージ化された電子デバイスであり、一般的には小外形パッケージ（SOP）、ボールグリッドアレイパッケージ（BGA）などの各種能動デバイスを指す。一部のコンポーネントは、コネクタ、変圧器、大きな電気容器などのSMTには使用できません。

3表面貼付工程フロー

表面貼付固定翼には、2つのプロセス、すなわち補助が含まれる。このプロセスには印刷、チップ配置、リフロー溶接が含まれている。どのタイプの製品の生産もこの3つのプロセスを経なければならず、各部分は不可欠である。補助プロセスは主に「ディスペンサー」プロセスと光学補助自動検出プロセスから構成される。これは必須ではなく、製品の特徴とユーザーのニーズに基づいて決定されます。

プリント基板は片面と両面の製品に分けることができる。電子製品は片面製品（部品はプリント基板の片面に貼る必要がある）と両面製品（部品はプリント基板の両面に貼る必要がある）に分けることもできる。図1は、片面製品の表面実装プロセスフローを示す。図2は、両面製品の表面貼付プロセスフローを示す。

印刷プロセスの目的は、テンプレートと印刷装置の共同作用により、半田ペーストをプリント基板に正確に印刷することである。印刷過程におけるプロセス要素は主に半田ペースト、テンプレート、印刷システムを含む。半田ペーストは、素子とプリント基板を接続し、電気的および機械的な接続を実現するための重要な材料である。溶接ペーストは主に合金とフラックスからなる。溶接中は、それぞれの役割を果たして溶接作業を完了します。テンプレートは、プリント基板上にペーストを正確に印刷するために使用されます。テンプレートの製造方法と開口部の設計は印刷品質に大きな影響を与える。印刷システムは主に印刷装置と印刷パラメータを指す。印刷装置の品質は印刷精度に大きな影響を与える。印刷装置の繰り返し印刷精度と印刷パラメータ設定との合理的なマッチングは正確な印刷の重要な保証である。印刷パラメータは多いが、印刷効果に影響する重要なパラメータは印刷速度、ドクター圧力、離型速度、離型距離である。これらのキーパラメータは設定して一致させる必要があります。印刷品質を向上させる。印刷速度は一般的に12.7 ~ 203.2 mm/sであり、具体的なパラメータはドクターブレード圧力と半田ペーストの物理的性能に依存する。SMTプロセスでは、印刷ブレードの圧力は4.448 222 ~ 6.672 333 nであることが要求されている。

パッチプロセスの目的は、すべての部品がプリント基板に正確に迅速に貼り付けられるようにすることです。パッチプロセスは主にパッチとそのパッチ能力に関連する。パッチマシンのパッチ能力は正確なパッチの重要な保証である。パッチマシンの重要な技術としては、モーション、実行、高速送り機構があります。小型化技術高速機械の視覚認識と照明技術、高速、高精度のインテリジェント制御技術、リアルタイムマルチタスク技術を並列処理する、設備開放型フレキシブルモジュール化技術とシステム統合技術。

リフロー溶接プロセスは、PCBパッドに予め分布された半田ペーストを溶融することにより、表面実装部品の半田付け表面またはピンとPCBパッドとの間の機械的および電気的接続を実現する。リフロー溶接は良好な溶接効果を保証することができる。リフロー溶接プロセスの主なプロセス要素はリフロー溶接炉及びその溶接能力であり、これは主にリフロー溶接炉の加熱システム、冷却システム、フラックス管理システム及び不活性ガス保護システムに体現される。加熱システムは加熱効率、温度制御精度、温度均一性と安定性に関係する、冷却システムの機能は：リフロー溶接のピーク温度が高い場合、急速に冷却できなければ、リフロー溶接炉外の基板温度が高すぎて、基板の曲げを招きやすい、急速冷却は構造を細分化し、金属間化合物の肥厚を防ぐことができる。信頼性を高める。リフロー溶接中にフラックスが揮発する。理想的なフラックス管理システムがなければ、揮発したフラックスを適時に除去し、循環を濾過し、フラックスは高温ガス流に従って冷却エリアに入り、ラジエータと炉内で凝縮し、冷却効果を下げ、設備と基板を汚染する。基板と整合する半田ペーストの活性が十分でないか、回路基板に超微細ピッチ素子と複雑な素子があり、基板が複数回リフロー炉を通過する必要がある場合、リフロー炉に不活性ガスを充填して酸化機会を減少させ、半田付け活性を高めることが考えられる。一般的に使用される不活性ガスは窒素である。還流炉の制御プログラムを編集することで還流炉の溶接能力を発揮する必要もある。パッチが完成した回路基板がリフロー炉を通過すると、通常、予熱段階、絶縁段階、リフロー段階、冷却段階が経過する。リフロー溶接炉の制御手順により溶接品質を確保する。

補助プロセスは円滑なインストールを支援し、検出と後検出を積極的に防止するために使用される。補助プロセスは主に「点接着」プロセスと光学補助自動検出プロセスから構成される。「ディスペンサー」技術は特殊な糊を必要な部品の下部または周辺に「点」を当てて、部品を適切に保護し、それによって部品が繰り返し還流溶接後に脱落しないことを確保する、取り付け中のアセンブリへの応力影響を低減する、複雑なサービス環境でコンポーネントを破損から保護します。「ディスペンサー」技術の技術要素は主に「ディスペンサー」設備、専用接着剤と「ディスペンサー」パラメータの設定を含む。設備、接着剤、設計パラメータの設定を合理的に選択し、技術効果を確保する。光学補助自動検出プロセスは主に以下を含む：まず、専用光学設備を用いて印刷後の半田ペーストの厚さ均一性と印刷精度を測定し、シート毎にパッチの精度を検出し、リフロー半田付け前に欠陥のある回路基板を検出し、タイムリーに警報する、次に、リフロー溶接後、専用光学機器を用いて溶接点を検出し、溶接点欠陥のある回路基板を検出して警報を出す。専用光学測定装置は主に可視光検出装置とX線検出装置を含む。前者は主に自動光学検出（AOI）であり、後者は主に3次元と5次元X線装置である。前者は主に視覚溶接点を検出するために用いられ、後者は視覚溶接点を検出するほか、非視覚BGA部品の溶接点を検出することもできる。補助プロセスを使用するかどうかは、インストール対象製品の特徴に基づいて決定されます。

4還流溶接原理及び温度曲線

リフロー溶接の温度曲線（図3）からリフロー溶接の原理を分析する：PCBが予熱領域に入ると、溶接ペースト中の溶剤とガスが蒸発し、溶接ペーストのフラックスがパッド、素子端部とピンを濡らす。半田ペーストを軟化、陥没させ、半田パッドを覆い、半田パッドと素子ピンを酸素から隔離する。PCBが絶縁領域に入ると、PCBとアセンブリは完全に予熱される。PCBが突然リフロー溶接領域に入ることを防止し、温度が急速に上昇したためにPCBとコンポーネントを損傷する、PCBがリフロー半田領域に入ると、温度が急速に上昇し、半田ペーストを溶融状態にし、液状半田が濡れ、拡散、拡散またはリフローPCBパッド、素子端部とピンを濡らし、半田接触を形成する、PCBは冷却エリアに入り、溶接点が硬化し、全体のリフロー溶接が完了した。

リフロー溶接中には、溶媒によって溶剤によって揮発される必要があります。フラックスは溶接部品表面の酸化物を除去し、溶接ペーストは溶融して再び流動し、溶接ペーストは冷却して硬化する。そのため、リフロー溶接の過程で、溶接温度は主に4つの温度領域に分けられる：予熱領域、絶縁領域、リフロー領域と冷却領域。予熱ゾーンは室温〜120℃である、保温面積は120℃~ 170℃である、還流域は170℃~ 230℃、温度は210℃~ 2230℃、冷却ゾーンは210℃から約100℃に低下した。

温度曲線は溶接品質を保証する鍵である。実際の温度曲線と半田ペースト温度曲線の加熱傾きとピーク温度は基本的に一致しなければならない。160℃までの加熱速度は1℃/S ~ 2℃/Sに制御すべきである。加熱速度が速すぎると、一方で素子とPCBが加熱されすぎ、素子を損傷しやすく、PCBが変形しやすい、一方、半田ペースト中の溶媒は揮発が速すぎる。金属部品はこぼれやすく、溶接ボールが発生しやすい。ピーク温度は一般的に、はんだペーストの溶融温度より20℃~ 40℃高く設定されている（例えば、Sn 63/Pb 37はんだペーストの融点は183℃、ピーク温度は205℃~ 230℃）、還流（RE）流動時間は10 ~ 60秒である。ピーク温度が高すぎるか、還流時間が長すぎると金属粉末が酸化し、溶接品質に影響し、アセンブリやPCBを損傷することもあります。

リフロー溶接の温度曲線を設定する根拠：PCBの材料、厚さ、多層板と寸法に基づいて、使用する溶接ペーストの温度曲線、表面組立板に担持された部品の密度と寸法、及びBGA、CSPなどの特殊な部品があるかどうか、設備の具体的な条件、例えば、加熱ゾーンの長さ、加熱源の材料、還流溶接炉の構造及び熱伝導方式。

実際にあるタイプのプリント基板を製造する際、設備に設置された温度領域は、加熱領域、保温領域、急速加熱領域、還流領域であるため、半田ペーストは、183℃の融点を有するsn 63 pb 37半田ペーストである。あるリフロー溶接炉を用いて溶接を行う。各プリント基板アセンブリは、各プリント基板の温度曲線を実現するために適切な溶接パラメータを設計する必要があります。図4は標準還流溶接温度曲線を示し、図5はプリント基板の実際の還流溶接温度変化曲線を示す。

これは9温域のリフロー溶接炉です。実際の温度試験には3つの試験点があり、その中で図5は実際の温度曲線である。温度領域のパラメータ設定は以下の要求を満たすべき：1）温度上昇領域：室温から100℃までの温度上昇速度は2℃/Sを超えてはならない、2）保温面積：100℃から150℃まで70 ~ 120秒持続する、3）急速加熱ゾーン：150℃~ 183℃の保温時間は30秒を超えてはならず、加熱速度は2 ~ 3℃/秒：4）還流ゾーン：温度は205℃~ 230℃、液相線以上の時間は40 ~ 60秒、5）冷却エリア：冷却速度は2 ~ 4℃/秒である。図4と図5中の理論と実際のPCB温度曲線を比較することにより、実際の還流温度エリアは標準温度範囲内であるため、PCB上面実装デバイスの溶接は要求に符合し、PCB上面実装デバイスの電気性能を保証すると結論することができる。特に注意：リフロー炉は毎週テストを行わなければならない。試験温度曲線を標準温度曲線と比較して、完全に一致しているかどうかを確認します。主な検査パラメータには、加熱ゾーンの加熱速度、保持ゾーンの保持時間、急速加熱ゾーンと還流ゾーンの加熱速度、ピーク温度、液相ライン以上の時間、冷却ゾーンの冷却速度、曲線に異常な変動がないかどうかが含まれている。

5結論

表面貼付技術は各分野に浸透し、電子製品の溶接レベル、及び電子製品の性能と品質に直接影響を与える。本文は表面貼付技術の全過程を紹介し、溶接過程におけるリフロー溶接の原理と温度曲線を述べた。実際の生産過程におけるプリント基板の標準リフロー溶接温度曲線と実際のリフロー溶接温度曲線を比較し、実際のリフロー溶接温度領域が標準温度範囲内であれば、実装部品の性能指標を満たすことができる。