表面実装技術とは何ですか?
表面実装技術（SMT）は、電子機器製造業界で広く採用されている組立・製造方法です。これは、電子部品を回路基板の表面に実装する技術です。これらの部品は直接取り付けできるように特別に設計されており、従来の組立方法のように配線したり、穴に通したりする必要がありません。SMTでは、リフローはんだ付けなどの自動化された製造技術を用いて、部品をPCBの表面に直接はんだ付けします。この効率的でコスト効率の高い方法は、大量生産される民生用電子機器の製造において主流となっています。
SMT と SMD: 違いは何ですか?
電子機器製造サービスでは、この2つの略語が混同されることがよくあります。論文では、両者の違いは1文字だけですが、実際にはSMTとSMDは別物です。SMTはプロセスであり、SMDは表面実装デバイスの略で、表面実装技術の構成要素の1つです。表面実装デバイスには、チップ、SOP、SOJ、PLCC、LCCC、QFP、BGA、CSPなど、さまざまな種類のパッケージが含まれます。
SMDとは、電子機器製造において基板に取り付けられる小型部品のことです。市場の需要に応え、より小型で高速かつ安価な電子機器を実現するために開発されました。従来の部品はサイズが大きいだけでなく、異なる、より時間のかかる実装プロセスが必要でした。従来の部品では配線が回路基板を貫通していましたが、SMDではピンが回路基板に溶接されています。これにより、穴を開ける必要がなく、基板の両面が利用可能なスペースとなるため、基板スペースをより効率的に活用できます。SMDは、効率的かつ高精度な表面実装技術を実現するために開発されました。
表面実装技術とスルーホール技術の比較
スルーホール技術（THT）は、堅牢で信頼性の高い接続で知られる、電子機器製造における長年の定番技術です。THT組立では、部品をプリント基板の穴に挿入し、その後、反対側の基板でリード線をはんだ付けします。この方法は数十年にわたり標準となっており、特にコネクタやスイッチなど、機械的な安定性と堅牢性が求められる部品において広く採用されています。
しかし近年、エレクトロニクス業界では表面実装技術（SMT）への大きな転換が見られます。SMTは、部品をPCBの表面に直接固定する最新の技術であり、穴あけが不要になり、PCBの寸法をよりコンパクトにすることができます。これらの技術は共通の目標を共有していますが、そのアプローチには大きな違いがあります。
- 表面実装技術は、スルーホール実装における一般的なスペース問題の解決に大きく貢献しました。
- 表面実装技術では、従来の技術に比べてピン数が大幅に増加しました。
- 表面実装技術では、部品はリード線がなく、基板表面に直接実装されます。スルーホール実装では、素子のリード線がスルーホールを介して配線基板に接続されます。
- 表面実装技術における表面上のパッドは、プリント配線基板上の層の接続には使用されません。
- スルーホール技術では部品が大きいため、単位面積あたりの部品密度は低くなります。一方、表面実装技術では、必要に応じて両面に部品を実装できるため、非常に高い実装密度を実現できます。
- 表面実装技術により、スルーホールでは不可能と思われたアプリケーションが可能になりました。
- 表面実装技術は大量生産に適しており、スルーホール技術では不可能なユニット組み立てコストを削減できます。
- 表面実装技術は、小型化により回路速度の向上が容易になります。表面実装技術は、高性能回路を非常に小型に実現する上で、主要なマーケティング要件の一つを満たします。
表面実装技術の応用 PCB上
今日では、SMT技術を採用していない電子機器に出会うことはほとんどありません。この技術は、スマートフォンやタブレットなどの消費者向けガジェットの驚異的な小型化と性能向上を可能にしました。携帯電話にとどまらず、SMT部品はほぼあらゆる業界で高度な機能を実現しています。自動車メーカーは、システムを監視し、リアルタイムのパフォーマンスフィードバックを提供するために、エンジンルームに頑丈なSMT部品を採用しています。航空宇宙エンジニアは、過酷な条件下でも信頼性を維持しながら、軽量のSMTデバイスを使用して飛行システムの計器を操作しています。医療機器メーカーは、人命を救うポータブルデバイスやインプラントデバイスの製造にSMTを活用しています。
さらに、SMTはLED照明の革新にも大きく貢献してきました。この技術により、カスタマイズ可能な電球アレイや埋め込み型ライティングストリップなど、効率的で多用途な照明ソリューションの実現が可能になりました。SMTを活用したLED照明ソリューションの革新は、エネルギー効率を大幅に向上させる可能性を秘めています。
SMTは精密な自動組立に高度な機械を必要としますが、汎用性の高い製造プロセスであることが証明されています。電子機器がますます高性能化、小型化していく中で、表面実装技術は今後も不可欠な存在であり続け、あらゆる分野でイノベーションを推進していくと予想されます。
SMTの利点と欠点
業界では、スルーホール技術、つまり配線部品を基板の穴に差し込む工法に大きく取って代わりました。
優位性
• 小型化
表面実装技術における電子部品の幾何学的サイズと体積は、スルーホールインターポレーション部品よりもはるかに小さくなっています。一般的に、スルーホールインターポレーション部品は60%～70%の小型化が可能で、部品によってはサイズと体積を90%も削減できるものもあります。同時に、部品重量も60%～90%の軽量化が可能です。
• 高い信号伝送速度
表面実装技術は、部品をコンパクトな構造に組み立てるだけでなく、高い安全密度も実現します。PCBを両面に貼り付けると、実装密度は5平方センチメートルあたり5～20個のはんだ接合部に達します。SMT PCBは、短絡や遅延が少ないため、高速信号伝送を実現します。また、SMT実装PCBは振動や衝撃に対する耐性も高く、電子機器の超高速動作を実現する上で非常に重要です。
• 高頻度効果
素子にリード線がないか、リード線が短いため、回路の分配パラメータが低減され、RF干渉が減少します。
• 表面実装技術は、自動生産に役立ち、歩留まりと生産効率を向上させます。
チップ部品の溶接条件の標準化、シリアル化、一貫性により、表面実装技術の高度な自動化が可能になり、溶接中の部品の故障が大幅に減少し、信頼性が向上します。
• 材料コストの削減
ほとんどのSMT部品は、生産設備の効率向上と包装材料の消費量削減により、同種・同機能のTHT部品よりもパッケージングコストが低くなります。そのため、SMT部品の販売価格はTHT部品よりも低くなります。
• 生産プロセスを簡素化し、生産コストを削減します。
プリント基板に実装する際、部品のリード線を曲げたり、形を整えたり、短くしたりする必要がないため、工程全体が短縮され、生産効率が向上します。同じ機能を持つ回路の加工コストは、スルーホール補間よりも低く、一般的に総生産コストを30%～50%削減できます。
デメリット
・狭い場所では修理がより困難になる場合があります。
・はんだ接合部がポッティング工程で使用される化合物に耐えられることを保証するものではありません。熱サイクル試験を行った際に、接続部が破損する可能性もあれば、破損しない可能性もあります。
・大量の熱を発生する部品や高負荷がかかる部品は、はんだが高温で溶けるため、表面実装してはいけません。
・はんだは機械的ストレスによっても強度が低下します。そのため、ユーザーと直接接触する部品は、穴を通して取り付けられた物理的な接続部を使用して配線する必要があります。
SMTプロセスの一般的な手順
表面実装技術は、電子部品をプリント基板の表面に実装する方法です。表面実装アセンブリをリフローはんだ付けによって基板に溶接します。表面実装アセンブリプロセスは設計段階から始まります。そこでは、様々な部品が選択され、OrcadやCapstarなどのソフトウェアパッケージを使用してプリント基板が設計されます。
• 材料の準備と検査
SMC と PCB を準備し、欠陥がないか確認します。PCB には通常、パッドと呼ばれる、穴のない平らな、通常は錫鉛、銀、または金メッキのろう付けパッドが付いています。
• テンプレートの準備
スチールメッシュは、はんだペースト印刷における固定位置の固定に使用されます。PCB上のパッドの設計位置に合わせて製造されます。
• はんだペースト印刷
製造工程で最初に設置される機械は、テンプレートとスクレーパーを使用してPCB上の適切なはんだパッドにはんだペーストを塗布するように設計されたはんだペーストプリンタです。これははんだペーストを塗布する最も一般的な方法ですが、特にテンプレートが不要で修正が容易な下請け部門では、スプレー印刷がますます普及しています。はんだペーストは、通常フラックスと錫の混合物で、SMCとPCBのはんだパッドを接続するために使用されます。45 °～60°の角度でスクレーパーを使用してPCBとダイに塗布するのに適しています。はんだペースト検出。
• はんだペースト検査
ほとんどのはんだペースト印刷機には自動検出機能が搭載されていますが、PCBのサイズによってはこのプロセスに時間がかかる場合があるため、通常は別の機械を選択することをお勧めします。はんだペースト印刷機の内部検出システムは2Dテクノロジーを採用していますが、専用のSPマシンは3Dテクノロジーを採用しており、印刷領域だけでなく各パッドのはんだペースト量も含め、より徹底した検出が可能です。
• コンポーネントの位置
PCBのはんだ付け回数が適切であることが確認されると、製造工程の次の段階、つまり部品の配置へと進みます。各部品は真空ノズルまたはクランプノズルでパッケージから取り出され、視覚システムで検査された後、プログラムされた位置に高速で配置されます。
• 初回検査（FAI）
PCBメーカーが直面する多くの課題の一つは、顧客情報を確認するための初回組立または初回検査（FAI）プロセスです。このプロセスには時間がかかる場合があります。このステップは非常に重要です。なぜなら、検出されないエラーは、大幅な手戻りにつながる可能性があるからです。
• リフローはんだ付け
すべての部品の位置確認が完了すると、PCBアセンブリはリフロー溶接機に移されます。ここでアセンブリを十分な温度まで加熱することで、部品とPCB間のすべての電気溶接接続が形成されます。これはアセンブリ工程の中では比較的簡単な部分の一つに思えますが、適切な還流プロファイルは、過熱して部品やアセンブリを損傷することなく、良好なはんだ接合部を確保する上で重要な役割を果たします。
• 清掃と検査
溶接後、基板を洗浄し、欠陥がないか確認します。欠陥箇所は手直しまたは修理し、製品を保管します。一般的なSMT関連機器には、拡大鏡、オールドマスター（自動光学検査装置）、フライングニードルテスター、X線検査装置などの光学検査装置があり、これらは機械の位置を調整するために接続できます。また、SPI装置もプリンターに接続してPCBアライメントテンプレートを調整できます。
最後の言葉
これまで見てきたように、表面実装技術は過去数十年にわたり、電子機器の設計と製造に革命をもたらしてきました。スルーホールからSMTへの移行により、より小型で高性能、かつ多機能なデバイスの開発において、無限のイノベーションが可能になりました。SMTの複雑なプロセスは、電子機器ハードウェア開発に不慣れな方にとっては難解に感じられるかもしれませんが、MOKO Technologyのような経験豊富なPCB実装会社と提携することで、プロセスをスムーズに進めることができます。当社の製造工場は、下の写真に示すような高度な表面実装技術を備えた機械を完備しています。高密度SMT製造における当社の専門知識と信頼性の高い品質管理により、プロトタイプから製品化まで、お客様のアイデア実現を強力にサポートいたします。
