PCBの組み立ては、特に印刷段階では単純なプロセスではなく、わずかなミスでもPCBに損傷を与えたり、故障の原因になったりします。エラーは通常、 PCBパッドへの半田接合部の取り付けによって発生しますが、PCBステンシルを使用することで、部品の組み立て中のエラーの可能性を減らすことができます。PCBステンシルを使用することで、すべての半田接合部を一度に基板上に取り付けることができ、時間の節約になるだけでなく、半田接合部のエラーもなくなります。そのため、PCBステンシルについて十分に理解しておくことは非常に重要です。このガイドでは、ステンシルの種類、PCBステンシルの設計上の考慮事項、ステンシルの作成プロセスなど、ステンシルについて知っておくべきことのほぼすべてを説明します。
PCB ステンシルとは何ですか?
PCBステンシル（スチールメッシュとも呼ばれる）の主な機能は、はんだペーストの塗布を支援することです。正確な量のはんだペーストを、むき出しのプリント基板上の正確な位置に転写します。ステンシルは、ステンシルフレーム、ワイヤーメッシュ、スチールシートで構成されています。ステンシルには、プリント基板上の印刷位置に対応する多数の開口部があります。ステンシルを剥がすと、ステンシルの開口部の形状に合わせてはんだペーストが基板上に塗布されます。PCBステンシルは、むき出しのプリント基板上の指定された位置にはんだペーストを塗布し、パッドと部品間のはんだ接合部の電気的接続を完璧に行うのに役立ちます。
PCB ステンシルは何でできていますか?
- フレーム
スクリーンフレームは、主に可動式フレームと固定式フレームに分類されます。可動式フレームは、鋼板をフレームに直接固定するため、テンプレートフレームを繰り返し使用できます。固定式フレームは、接着剤を使用して金網をフレームに接着します。通常35～48 N/cm²の安定した鋼板張力によって、堅牢なフレームが実現します。
- シート
銅、ステンレス鋼、ニッケル合金、ポリエステルなどの材料を使用できます。ステンシルには通常、優れた機械的特性を持つ高品質の301/304グレードのステンレス鋼板が使用され、ステンシルの耐用年数を大幅に延ばします。
- メッシュ
メッシュは鋼板とフレームを固定します。ステンレス鋼またはポリマーポリエステルメッシュが使用されます。100メッシュ程度のステンレス鋼線は十分な張力を維持しますが、経年劣化により変形したり、張力が低下したりすることがあります。ポリエステルメッシュは耐久性が高く、長寿命です。
- 接着剤
接着剤はメッシュフレームとスチールシートを接着します。テンプレートにおいて重要な役割を果たし、強力な接着力を維持し、様々なプレートクリーナーによる過酷な洗浄にも耐えます。
回路基板ステンシルの種類
フレーム付きPCBステンシル
レーザーカットされたはんだペーストステンシルで、ステンシルフレームに恒久的に固定されます。メッシュボーダーにより、フレーム内でステンシル箔がしっかりと張られます。フレーム付きPCBステンシルは、16ミルピッチ以下の大量スクリーン印刷に適しています。フレーム付きステンシルは、滑らかな開口部壁、優れた印刷性能、そして過酷な摩耗にも耐えるクリーンなレーザーカット開口部を特徴としています。
フレームレスステンシル
フレームレスPCBステンシル（フォイルとも呼ばれる）は、レーザーカットされたステンシルで、フレームに永久的に接着する必要がなく、ステンシルテンションシステムと呼ばれる再利用可能なステンシルフレームと組み合わせて使用します。フレームレスSMTステンシルは、フレーム付きステンシルよりも低コストで、高度な品質と優れた性能を提供します。試作プリント基板の組み立てや少量生産に適しており、保管スペースの削減にも役立ちます。
プロトタイプPCBステンシル
プロトタイプ用ステンシルは、CADファイルまたはガーバーファイルからカスタマイズされます。プロトタイプ用PCBテンプレートを作成する際、テンプレートは設計されたPCBプロトタイプと一致している必要があります。これにより、プロトタイプPCBの手作業によるはんだ付け時のエラーの可能性が低減され、煩雑な手作業工程が不要になります。したがって、このようなステンシルを使用することで、基板の品質が向上し、プリント基板プロトタイプの組み立てサイクルを大幅に短縮できます。
電鋳ステンシル
電鋳ステンシルはニッケルをベースとしたステンシルで、メッシュ状の縁取りによってステンシルフレームに永久的に固定されます。電鋳ステンシルは、最高のはんだペースト剥離特性を備えているため、12ミルから20ミルまでのファインピッチSMTアプリケーション、フリップチップ、ウェーハバンプ、およびμBGAに最適です。電鋳ステンシルはニッケル製であるため、他のステンシルに比べて摩擦係数が低く、さらにステンシルの保存期間も長くなります。
PCBステンシルの利点
回路基板がますます複雑になるにつれ、はんだ付け前に電子部品を手作業で配置する必要がある従来のPCB組み立て工程では、小型の回路基板に多数の小型部品を配置し、はんだ付けするという要件を満たすことが難しくなっています。そのため、機械による部品配置とはんだペースト塗布には回路基板ステンシルを使用する必要があり、これには以下に示すような多くの利点があります。
まず、PCB ステンシルは、基板上にコンポーネントを配置する際の精度を向上させ、印刷時に細かいピッチの精度を保証し、結果としてエラーの可能性を減らすのに役立ちます。
第二に、SMTステンシルを使用することで、回路基板ステンシルはPCBアセンブリプロセスを完了するために必要な労力と時間が少なくて済むため、メーカーはコストを削減し、納期を短縮することができます。
3 番目に、ステンシルにより、すべての表面実装デバイスのパッドに均一にはんだを塗布しやすくなり、パッドの配置精度が向上します。
PCB ステンシルの作り方
この部分では、PCB ステンシルを作成するプロセスを段階的に説明します。これには 9 つのステップがあります。
ステップ1：PCBステンシルの材料と準備
材料
– クリカットマシン
– Sure-Cuts-A-Lotソフトウェア
– ガーバービューアソフトウェア
– オフィス用品店で購入できるオーバーヘッドプロジェクター用の透明フィルム
– Windows XP / Vista コンピュータ
準備
Cricutには特定のファームウェアバージョンが必要です。Cricut Design Studioをダウンロードし、ヘルプの指示に従ってファームウェアをアップデートすることで、ファームウェアをアップデート/ダウングレードできます。詳しくは、Sure-Cuts-A-LotのFAQをご覧ください。
ステップ2: PCBレイアウトを準備し、寸法を決定する
適切なはんだペーストを作るには、試行錯誤が必要になることがあります。PCB ステンシルはあまり精密ではありません。丸いエッジをカットし、約 18mils (0.46mm) x 50mils (1.27mm) より小さい形状は無視されます。とはいえ、すべてのコンポーネント パッドがこれよりも大きいことを確認する必要があります。パッドに十分なはんだペースト領域を確保するには、パッドを大きくします。KiCAD EDA Suite PCB レイアウト プログラムには、一度に 20 つのフットプリント パッドを変更する機能があります。はんだには、リフロー時に金属部品と接続するという素晴らしい特性があります。PCB に精密なはんだレジストがあれば、はんだ金属片は接続されます。そのため、パッドについてはあまり心配する必要はありません (基本的に +/- XNUMX% 程度)。
後ほどPCBテンプレートの正確な寸法が必要になります。PCBレイアウトソフトウェアの距離ツールを使用して、最外郭の部品パッド間の距離を測定します。PCBのサイズではなく、最外郭のパッドのエッジ間の距離です。以下の例では、PCBの幅は2.3ですが、「エッジ間のパッド距離は2.142です」。
レイヤーのプルダウンメニューから図面を選択し、右側のツールメニューにある「寸法」ボタンをクリックすると、距離を測定できます。下から4番目のボタンです。
ステップ3: ガーバーファイルの作成
Gerber はんだペースト ステンシルを使用して PCB レイアウトを描画します。
KiCADを使用する場合は、「ファイル」メニューから「描画」を選択します。プロットウィンドウで、はんだペーストコンポーネントレイヤーとして「SoldP_Cmp」を選択し、「プロット」ボタンをクリックします。
ステップ4: 変換のためにGerberファイルを開く
Gerber Viewerでファイルを開きます。「ファイル」メニューから「レイヤーを開く」を選択します。
ステップ5: GerberをSVGファイルにエクスポートする
次に、ファイルをSVG形式でエクスポートします。「ファイル」メニューから「エクスポート」を選択し、「SVG…」を選択します。
ステップ6：Cricutでステンシルを作成する
[ファイル] メニューから [SVG のインポート...] を選択して、SVG ファイルを Sure-Cuts-A-Lot にインポートします。
ステップ7: デザインのサイズを変更する
[プロパティ] ウィンドウで [縦横比を維持] をクリックし、ステンシルの幅を前に記録した値に設定します。
ステップ8：透明フィルムと機械の準備
透明フィルムを5枚用意し、クリカットカッティングマットのサイズに合わせてカットします。カットした透明フィルムをカッティングマットに留めます。カッティングマットをマシンにセットし、「用紙挿入」ボタンを押します。クリカットのスラストワッシャーを上げ、スピードホイールを「高速」または「中速」に、カッティングブレードの深さを「6」または「XNUMX」に設定します。詳しい手順はクリカットのマニュアルに記載されています。試行錯誤が必要になるでしょう。速度と圧力によってカットの精度が変わり、カッティングブレードの深さが深くなるほどカッティングマットの交換時期が早くなります。
ステップ9：PCBステンシルを切る
デザインを切り取ります。「カッター」メニューから「デザインの切り取り」を選択します。
PCBステンシル設計の考慮事項
- ステンシルの厚さ
PCBステンシルの設計において、ステンシルの厚さは基板上に塗布するはんだペーストの量を決定する重要な要素です。はんだの塗布量が多すぎるとブリッジが発生し、塗布量が少なすぎると接合部が弱くなります。通常、ステンシルの厚さは4サウザンドから8サウザンドです。
- 絞りサイズ
ステンシル開口部のサイズは、ブリッジやはんだビードなどの問題を回避するために、PCBパッドサイズよりも小さく設計する必要があります。そうしないと、ステンシルを剥がす際にはんだペーストが開口部の壁に付着する可能性があります。したがって、これらの問題を回避するために、開口部の壁の内面積はPCBパッド面積の3分の2程度に小さく設計する必要があります。
- ステンシル素材
ステンシルの材質は、PCBステンシル設計において考慮すべきもう一つの要素であり、開口部からはんだペーストをPCBパッドに塗布する能力に影響を与えます。最もよく使用される材質はステンレス鋼ですが、ファインピッチデバイスを含む一部のPCB設計では、ステンレス鋼よりも50%高価なニッケルなどの他の材料を使用する必要があります。
- ステンシルの位置合わせ
正確なはんだペースト印刷には、ステンシルの正確な位置合わせが不可欠です。また、完璧な印刷効果を得るには、PCBとステンシルの両方にフィデューシャルマークを追加する必要があります。これらのフィデューシャルマークにより、ステンシルとプリント基板の位置合わせが適切であることが保証されます。
最終的に、PCBステンシルの製作には高度なスキルと専門知識が必要です。もしご自身に十分なスキルがない場合は、信頼できるPCBステンシルメーカーとの連携をお勧めします。MOKO TechnologyはPCBAサービスを専門としており、PCB製造、SMTステンシル作成、PCBアセンブリ、テスト、出荷サービスを提供しています。当社はPCBA受託製造において豊富な経験を有しています。MOKOのような評判の高いPCBステンシルメーカーにご相談いただき、PCBプロジェクトをスムーズに進めてください。
