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PCB アセンブリ

ほぼすべての業界でプリント基板または PCB が使用されています。これらの小型電子デバイスは、いくつかのコンポーネントを使用して動作し、これらの分野のさまざまなアプリケーションを担っています。ただし、そのためには、PCB 内のすべてのコンポーネントが、使いやすく機能するような方法で組み立てられ、基板に取り付けられていることが重要です。

では、PCB を組み立てる手順は何でしょうか?また、正しく行うにはどうすればよいでしょうか?この記事では、PCB アセンブリについて詳しく説明します。

PCBアセンブリとは何ですか?

プリント基板、略称 PCB アセンブリは、PCB の表面に電子コンポーネントを埋め込むことを含むプロセスです。これにより、機能的な電子回路または製品が作成されます。

PCB と PCBA の違いをより深く理解するには、PCB と PCBA の包括的な比較をご覧ください。

PCB アセンブリの種類

スルーホールテクノロジー

コンデンサ、インダクタ、コイル、抵抗などのすべての部品は穴を使用して挿入されました。これにより、スルーホール技術という名前が付けられました。

この技術は片面、両面、多面に対応しますが、エレクトロニクスの新時代には適していません。 PCB アセンブリに関しては SMT が市場を支配していますが、コンデンサや大型トランスなどのいくつかのアプリケーションではスルーホール技術が必要です。

表面実装技術

簡単に言うと、表面実装技術 (SMT) はコンポーネントを回路基板に溶接します。結果は従来の組み立て方法よりもはるかに優れているため、現在ではより多く使用されています。すべての電話、コンピュータ、家電製品などはこの技術を使用して作られています。

混合PCBアセンブリ技術

SMT および THT 技術だけを使用してさまざまなコンポーネントを組み立てることは不可能です。テクノロジーの進歩に伴い、電子機器は洗練され、多機能になることが期待されるからです。このデュオは、単一のテクノロジーを使用して実現することはできません。

したがって、多数の異なる PCB 組み立て方法が利用されており、はんだペーストはそれらの方法では役割を果たしません。一部のコンポーネントは SMT を使用して接続できますが、他の多くのコンポーネントは接続できないため、技術を組み合わせて使用します。

当社の専門ガイドで、表面実装技術 (SMT) アセンブリとその利点について詳しく説明します。

PCB の基本設計

通常、プリント基板は次の層で構成されます。各層は回路内で異なる構造と異なる機能を持っています。

単層 PCB

基材層: ボードに剛性を与えるために、この層はグラスファイバーを使用して作られています。ほとんどの基板はこの材料を使用しますが、フレキシブル PCB は Kapton などのフレキシブル プラスチックを使用します。これに加えて、PCB の基板層にはエポキシなどの材料が使用されますが、FR4 ほど耐久性はありません。

銅層: 薄い銅箔が基板にラミネートされます。これにより、PCB の次の層が形成されます。 1 つ以上の銅箔層がある場合があり、その厚さは PCB が処理する必要がある電力の大きさによって異なります。

片面 PCB では、PCB の片面に銅箔の層があります。反対側は電気部品を埋め込むためのものです。一方、両面 PCB は基板の両面に導電性の銅層を備えています。

ソルダーマスク層: 銅の積層が終わったら、次の層であるソルダーマスク層を作ります。この層は銅層に絶縁を提供し、短絡を防ぐために銅層を他のコンポーネントから遠ざけます。また、PCB に緑色を与える役割もあります。

さらに、はんだマスク層は、特に製造プロセスにおいて最も重要な層であると述べなければなりません。そのため、電気部品をはんだ付けする場合、この層は部品を正しく配置するのに役立ちます。

シルクスクリーン層: シルクスクリーン層は最後の層です。これは主に、ユーザーが多数のピンを区別し、それぞれの機能について学習できるようにするためのものです。この白い層に記号、文字、数字を書きます。

PCB におけるソルダー マスク層の重要な役割と複雑さについては、専用の記事をご覧ください。

PCB アセンブリのコンポーネント

基本的に、コンポーネントにはパッシブ コンポーネントとアクティブ コンポーネントの 2 種類があります。デュオは目的によって異なります。

受動部品

これらは信号に影響を与えず、そのまま流す電子部品です。さらに、動作するために電力を必要としません。

コンデンサ: 誘電体層が 2 つの導電層を分割し、これによりコンデンサが形成されます。ご存知のとおり、これらの電子デバイスは、回路内の別の場所に供給される前に、短時間だけ電荷を保持します。

静電容量を決定することで、その容量を測定できます。コンデンサは、その誘電力に基づいてさまざまなタイプに存在します。誘電体の密度は電荷の強度を定義します。

抵抗器: PCB で最も広く使用されているコンポーネントは、さまざまな形状やサイズで入手できます。回路内のこれらの主な機能は、電流の流れを妨げることです。

さまざまなタイプの抵抗器の中で、両端にリード線があり、本体に色付きのバンドが付いているアキシャル型が最も一般的です。これらは、抵抗値、許容差、そして場合によっては温度係数を意味します。

インダクタ: PCB では、インダクタは、コンデンサおよび抵抗とともに、回路の 3 つの受動線形コンポーネントの 1 つです。インダクタは、絶縁されたワイヤをコイル状に巻いて構成されています。

コイルに電気が流れると電磁場が発生します。しかし、電流が変化すると、コイルはその変化に抵抗します。したがって、インダクタは回路内の電流を安定に維持しようとします。

ダイオード: これらの電子デバイスは、一方向のみに電流を流すことができます。したがって、アノードからカソードへ、またはその逆への移動が可能になります。これは、一方の端でゼロの抵抗を維持し、もう一方の端で無限の抵抗を維持することによって達成できます。その一例が LED です。

トランスフォーマー: 電圧が変動すると、これらのデバイスは回路間で電力を伝送します。それらは、2 つ以上の 2 つのコイルが巻かれた磁気コアで構成されます。電源に接続された一次コイルには二次コイルが付属しています。

アクティブコンポーネント

トランジスタ: これらは電子回路の主要な構成要素です。半導体としては、増幅器や電気スイッチとして使用されます。

これらは独立して機能することもできますが、多くの場合、単一の回路に統合されて大量に、場合によっては数十億個も存在します。

IC (集積回路): 別名はマイクロチップまたはチップです。これらは、回路内のワイヤやその他のコンポーネントを接続する電子デバイスです。これらは、多数の小さな誘電体基板または半導体ウェーハ上に単一のユニットとして構築され、最先端のスマート デバイスの作成を可能にします。

PCB アセンブリに関係する電子コンポーネントについて詳しく知りたい場合は、電子コンポーネントに関する詳細ガイドをご覧ください。

ICの種類

BGA (ボール グリッド アレイ): これは集積回路用に特別に設計されており、マイクロプロセッサの取り付けに適しています。このパッケージは他のどのパッケージよりも多くのピンを備えており、そのユニークな特徴により底面全体を使用することができます。この設計と平均トレース長により、高速性とパフォーマンスが向上します。

SMD パッケージ (表面実装デバイス): テクノロジーが進化するにつれて、新しいチップ パッケージへの道が開かれました。そのような開発の 1 つは、いくつかの小型コンポーネントを特徴とする表面実装技術 (SMT) です。これらのパッケージには、PCB にはんだ付けできる微細なピンが付いています。同じ例としては、クアッド フラット パッケージ (QFP)、スモール アウトライン (SOP) などが挙げられます。

当社の包括的なガイドで、高速 PCB の複雑さと設計上の考慮事項を理解してください。

PCB アセンブリ用のコンポーネントの選択方法

機能性: 選択したコンポーネントがアプリケーションのすべての要件を満たしていることを確認します。これにより、PCB が期待どおりに動作することが保証されます。

消費電力: 設計者は、コンピュータがどの程度の電力を処理できるかを調べるために CAD ライブラリを検討します。これらのライブラリでは正しい情報が提供されない場合があります。これは深刻な問題であり、コンポーネントが起動に失敗したり、まったく機能しなくなったりする可能性があります。

電流および電圧定格: 多くの場合、PCB の最小および最大の電流および電圧定格は無視されます。必要以上に高い電圧のコンポーネントを購入すると、回路が重くなることに注意してください。同時に、コンポーネントの定格が低い場合、コンポーネントが溶けてコンポーネントの故障につながる可能性があります。最適な範囲のものを購入してください。

規則: 規定を遵守してください。そうしないと、コンポーネントがすぐに失敗するわけではありません。ただし、呼び戻される可能性は常にあります。

動作環境: PCB をどのように運用する予定ですか?一部の部品は特定の温度と湿度レベルで動作する必要があることに注意してください。したがって、産業用、ビジネス用、軍事用のいずれであっても、用途は環境によって異なります。

コンポーネントの購入
コンポーネントの不足は、PCB 組み立て中に直面する重要な問題の 1 つです。代替手段はありますが、すぐに利用できない場合があります。これにより、メーカーは低品質のコンポーネントを購入したり、誤ったマーケティングの策略に陥ったりすることになります。したがって、ターンキー サービスを提供する信頼できる PCB アセンブリ サービスを見つけてください。

コンポーネントの配置
購入に加えて、配置も別の問題です。この問題を解決するには、マシンにガーバー データを提供する必要があります。また、パネルの取り扱いストリップ、パネルのサイズ、基準マークなどの機能にも焦点を当てる必要があります。これらは、配置時の欠陥を減らし、高品質の製品の構築にも役立つ特性の一部です。

変化に備える
最初のデザインが最終デザインになることはありません。設計にいくつかの変更が加えられる場合は、新しい異なるコンポーネントを積極的に検討する必要があります。また、コンポーネントを選択する前に、電源コンポーネントの面積密度、損失、コンポーネントのコスト、入手可能性などを考慮してください。

適切な接地方法を適用する
どのような設計を決定する場合でも、十分な数のグランド プレーンとバイパス コンデンサを含める必要があります。これにより、PCB が最適な感受性パフォーマンスと電磁適合性を達成できるようになるため、この実践は重要です。ここでの提案は、IC の場合はデカップリング コンデンサを使用することです。

予備ゲートを確認する
予備ゲートの入力を信号に接続します。不足しているものがある場合は、それらも接続します。これはあまり一般的ではありませんが、システムが動作しないなどの問題を避けるために、すべてのゲートが接続されていることを確認する必要があります。

PCB アセンブリ プロセスの前提条件

PCB プロセスを開始する前に、誤動作や故障につながる可能性のあるすべての異常がないか PCB を評価することが重要です。これは、Design for Manufacturing (DFM) プロセスという名前で知られています。

このプロセスを実行するための基本的な手順をいくつか示します。

コンポーネントのレイアウトに関する考慮事項: 極性のあるコンポーネントを確認してください。電解コンデンサ、ダイオード、SMT タンタル コンデンサが正しい方法で取り付けられていることを確認してください。また、ICのノッチやヘッドの向きも再確認してください。

さらに、コンポーネントにヒートシンクが必要な場合は、他のコンポーネントに触れないよう周囲に十分なスペースがあることを確認してください。

穴とビアの間隔: 穴の間のスペースを見てください。痕跡と穴の間の距離についても同様の検査を実行します。ビアホールとはんだパッドが重なっていないことを確認する必要があります。

厚さ、銅パッド、トレース幅を考慮してください。 DFM チェックが完了すると、全体の製造コストを最小限に抑えることができます。このアプローチを使用すると、DFM の問題を防ぐことができます。

PCB アセンブリ

はんだペーストのステンシル

基板の電子部品を配置する部分にはんだペーストを塗ります。これにはステンレス鋼のステンシルを使用します。 PCB とステンシルをツールで所定の位置に保持し、はんだペーストを基板上に広げます。少量のはんだを均等に塗布します。

ツールを外すと、ペーストがボード上に残ります。灰色のはんだペーストは、96.5% 錫、0.5% 銅、3% 銀です。また、鉛フリーです。

はんだペーストとは何か、およびそれが PCB アセンブリにどのように適用されるかについて詳しくは、はんだペーストに関する詳細な記事をご覧ください。

ピックアンドプレイス

前のステップはピンセットを使用して手動で実行されますが、このステップでは高度な自動化が使用されます。このステップでは、SMT コンポーネントが選択され、PCB ボード上に配置されます。

配置前に、専門家が設計を作成し、CAD ファイルの形式でロボットに入力します。このファイルは、事前に設定された X 座標と Y 座標を指定することにより、各部品が PCB 上のどこに配置されるかを示します。

提供された情報を利用して、ロボットは SMD デバイスをボード上に配置します。特殊なピック アンド プレース ロボットは、真空部品で部品をピックし、はんだペースト上にドロップするように設計されています。

ロボットによるピックアンドプレースマシンが導入される前は、技術者はピンセットを使用して手動でコンポーネントをピックアップしていました。これは面倒なだけでなく、技術者の視力低下などの健康上の問題も引き起こしました。人的ミスの発生率も高かった。

場合によっては、PCB アセンブリの速度が低下することもありました。しかし、ロボットはもうだめです。これらはノンストップで動作し、エラーがまったく発生しないことを保証します。

リフローはんだ付け

はんだペーストの塗布とコンポーネントの配置が完了したら、コンポーネントが正しい位置に留まっていることも確認する必要があります。言い換えれば、はんだペーストはコンポーネントを所定の位置に固定する必要があります。このプロセス、リフローはんだ付けは、その方向へのステップです。

このプロセスでは、コンポーネントがコンベア ベルト上に配置されます。次に、ベルトによって部品が多数のヒーターを備えた大きなオーブンに移動します。これらの加熱器具は基板を摂氏 250 度まで加熱します。これでハンダが溶けます。

溶けたはんだが部品を基板に固定し、接合部を形成します。これで、PCB が冷却されます。同じオーブン内で、構築中の回路が一連の冷却器を通過します。これにより、制御された環境ではんだが固化します。

コンポーネントは基板上に永久的な接合を作成します。ただし、いくつかのボードは少し異なる方法で処理する必要があります。たとえば、両面 PCB では、両面のステンシルとリフローが必要です。

さらに詳しく説明すると、両面 PCB では、より小さなコンポーネントを備えた面が最初に作成されます。ステンシルされ、配置され、リフローされます。セットされると、反対側にも同じ処理が行われます。

品質管理と検査

上記の 3 つの手順を完了したら、回路が正確に機能する準備が整っていることを確認することが重要です。なぜこれを行う必要があるかというと、後で短絡につながる可能性のある位置ずれが発生する可能性があるためです。また、リフロープロセスでの動きにより、接続が不十分になったり、まったく接続されなかったりする可能性があります。

したがって、検査方法を使用して PCB の品質をチェックすることをお勧めします。 PCB 検査は、品質保証を確認する多くの方法の 1 つであり、これは手動または自動で行うことができます。

手動検査: 自動方法も利用できますが、依然として手動チェックが好まれています。少量の PCB バッチに適しています。欠陥がある場合には、基板を目視検査するだけで十分です。

しかし、そのようなボードを 1 時間以上見続けると、光学疲労が発生し、エラーが発生します。したがって、THT コンポーネントおよびコンポーネント密度が低いコンポーネントに対してのみ推奨されます。

光学検査: この方法は、PCBA の大きなバッチに適しています。アセンブリの検査には専用の機械が使用されます。これは AOI マシンと呼ばれるもので、欠陥やエラーをチェックするための一連のカメラが搭載されています。

これらのカメラは高出力と高解像度を備えており、さまざまな角度に戦略的に配置されています。これらの角度により、ジョイントの欠落がないことが保証されます。

光が関節に当たると、さまざまな方向に反射されます。これは、AOI が低品質のジョイントを特定するのに役立ちます。最も優れている点は、機械が高速で動作するため、大量のバッチを迅速に検査できることです。

X線検査: 検査のもう一つの方法はX線です。この方法は通常の状況では適用されません。複雑かつ高度な PCB 向けです。これは、下位レイヤーを調べて、そこに欠陥があるかどうかを確認するのに役立ちます。

ただし、間違ったアプリケーションの場合、PCB を再加工したり廃棄物として隠したりする必要がある可能性があるため、慎重に使用する必要があります。遅延や材料コストを防ぐために、この種の評価は頻繁に実行する必要があります。

検査が完了したら、次のステップに進みます。エラーが見つかったかどうかに関係なく、PCB コンポーネントが設計どおりに機能しているかどうかを確認することが重要です。

したがって、接続の品質をテストしてください。ボードにさらにプログラミングやキャリブレーションが必要な場合、このプロセスには予定よりも若干時間がかかります。これは、機能を確認するためにより多くの手順が必要になるためです。

注記: 問題が発生したらすぐに診断して修正するために、検査手順をより頻繁に実行する必要があります。これは時間を節約するだけでなく、深刻な問題を抱えた多くの PCB が廃棄物になるのを防ぐのにも役立ちます。

徹底した調査で、自動光学検査 (AOI) の背後にある重要性と方法論を発見してください。

スルーホール部品の挿入

ボードが異なる場合、各 PCB アセンブリ (PCBA) には異なるコンポーネントのセットが含まれることに注意する必要があります。これには、典型的な表面実装デバイス (SMD) を超えるさまざまなコンポーネントが含まれる場合があります。たとえば、スルーホール コンポーネントや PTH コンポーネントなどです。

これらのメッキスルーホールまたはコンポーネントは PCB 上にあります。回路基板の穴を通るワイヤーがあり、銅でできた他の穴に接続されます。

メーカーがこれらの部品を穴にワイヤで取り付けてはんだ付けすると、同じ基板上の他の穴に接続されます。これは、設計に示されているとおりに正確に実行する必要があります。はんだペーストは穴に付着しないため、この基板では何の役割も果たしません。

そのため、スルーホール部品ははんだ付けなどの特殊な方法が必要となります。

手はんだ付け: 手はんだ付けは最も一般的な方法です。ただし、このプロセスには自動化された手順よりも若干時間がかかります。それにもかかわらず、それがどのように実行されるかは次のとおりです。

1 人の技術者が 1 つのコンポーネントを挿入できます。その後、ボードは組立ラインの次の技術者などに移動します。 THT を使用して 1 つのボードを作成するのにかかる時間は、1 サイクルで挿入する必要があるコンポーネントの数によって異なります。

これにより手順が長くて面倒になりますが、設計者はそれを好み、一般的な方法として採用しています。ただし、多くの時間がかかるため、多くの企業は設計でこれを避けています。

ウェーブはんだ付け: これは自動プロセスであり、コンポーネントが PCB 上に配置され、コンベア プレート上に配置されます。

コンベア プレートはコンポーネントをオーブンに運び、はんだが飛び散ります。これは、ワイヤが存在する最下層で発生します。溶けたはんだがピンを基板に接合します。

この方法の欠点は、片面 PCB にのみ適しており、両面 PCB には機能しないことです。なぜそうなのか?反対側のウェーブはんだ付けでは、機能の繊細なコンポーネントが表現される可能性があるためです。

はんだ付けプロセスが完了すると、最後の最終段階に進むことができます。ただし、PCB にさらに部品を追加したり、他の部品を組み立てたりする必要がある場合は、最初のステップに戻ります。

検査と試験

すべての手順を完了すると、PCB が起動し、有効性と機能性をチェックする準備が整いました。したがって、これは機能テストとも呼ばれます。回路基板の特定のポイントに電気を与えて、特定のスポットまたはコネクタが正しく機能するかどうかを確認します。

テストの実行には、オシロスコープ、ファンクション ジェネレーター、DMM などの実験用機器が使用されました。このテストは、機能と電気的特性を検証するだけでなく、PCB 設計の要件と同様に、電流、アナログおよびデジタル信号、電圧を確立するのにも役立ちます。

検査中に、PCBA が設定された基準を満たしていない場合、可能であれば廃棄またはリサイクルされます。ただし、後者は会社の基準によります。このステップは、PCBA の成功率を確立するのに役立つため、非常に重要です。

最終洗浄と仕上げ

PCB の組み立ては面倒な手順です。はんだ付けペーストに含まれるフラックスのほかに、人の手による油分や汚れが付着しています。検査は重要な手順ではありますが、その後の結果は目にはそれほど楽しいものではないかもしれません。

フラックスは除去されるまで長時間 PCB 上に残る傾向があり、悪臭が発生し始める可能性があります。酸性に変化して関節に有害になる可能性があるため、あなたは決して知らないかもしれません。これだけでなく、新しい PCB が使用済みで、臭いの残留物や指紋で汚れているように見える場合は、荷物が返品される可能性があります。

したがって、これらの PCB を市場に出す前に洗浄することが重要です。ステンレス鋼の高圧洗浄装置で脱イオン水を使用して残留物を除去できます。このプロセスは安全であり、基板に損傷を与えることはありません。その理由は、脱イオン水には有害なイオンが含まれていないのに対し、この水には含まれていないためです。心配することはありません。

PCBA をすすいだ後、圧縮空気を使用して乾燥させます。これにより、ボードの出荷準備が整います。

PCB アセンブリを成功させるためのベスト プラクティス

PCB アセンブリの結果をより良くするためのいくつかの提案を次に示します。

コンポーネントのサイズ: PCB 設計には常に適切なサイズのコンポーネントを選択してください。小さいサイズを選択すると、組み立てに問題が発生し、作業時間が長くなる可能性があります。 

したがって、より大きなサイズのコンポーネントをお勧めします。分解したりはんだ付けしたりする場合でも、小さな部品よりも大きな部品を取り外す方がはるかに簡単かつ迅速です。 

コンポーネントのフットプリント: 組み立てプロセスを開始する前に、各コンポーネントが PCB ボードにどのように適合するかを検討してください。頭の中に設計図を紙に書いたら (データシートを読んで)、シートに示されているように各コンポーネントを設計します。 

フットプリントが正しく複製されていない場合、加熱が不均一になり、PCB の片面が 2 面ではなく固着するなどの問題が発生する可能性があることに注意してください。抵抗器やコンデンサーなどの受動電子部品も影響を受ける可能性があります。 

コンポーネント間のスペース: 隙間を空けない場合 コンポーネントが故障すると、トラブルが発生します。故障の原因となりますのでご注意ください。 2 つのコンポーネントを近づけて配置すると、多くの問題が発生する可能性があり、回路の再設計や再構築が必要になる場合もあります。 

したがって、自動組み立て方法を使用する場合は、コンポーネントが適切に配置されていることを確認してください。エッジ、機械部品、その他のコンポーネントから距離を置いてください。 

さらに別の間隔の問題があります。コンポーネント間のスペースが不十分であったり、コンポーネントの回転が間違っていたりすると、ウェーブはんだ付けプロセスで問題が発生する可能性があります。したがって、コンポーネントの間隔を正確に配置してください。   

更新された BOM: 部品表 (BOM) を常に更新してください。そこにエラーがある場合、メーカーは PCB アセンブリを続行する前にそれを特定して修正する必要があります。作業を合理化するには、設計を変更するたびに BOM を更新します。

基準の使用: 基板加工機用のインジケーターで、丸い形をしています。これらは、自動化装置が基板がどのように配置され、コンポーネントがどのように配置されるかを調べるのに役立ちます。 

これらには、グローバル基準とローカル基準の 2 つのタイプがあります。 

  • グローバル基準はプリント基板の端に配置されます。ピック アンド プレース マシンは方向を識別するように設計されているため、正しい配置は非常に役立ちます。
  • ローカル基準は、正方形の SMD コンポーネントの角の近くに配置されます。このような配置により、マシンがコンポーネントを見つけやすくなります。さらに、PCB 組み立て中の位置決めエラーを減らすのにも役立ちます。

結論

PCB アセンブリを実行するにはいくつかの方法があります。コンポーネントと要件に合ったものを選択してください。これにより、そのように製造された製品が設定された規格に準拠しており、意図したとおりに動作することが確認されます。 

ですので、ご興味がございましたら、お問い合わせください 信頼できるプリント基板メーカー特に、大量または少量の PCB アセンブリ サービスの経験と専門知識を持つ人。

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