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2024年4月28日

PCB 上のシルクスクリーンとは?

導入

電子機器において、プリント回路基板 (PCB) はほとんどのデバイスのバックボーンであり、さまざまなコンポーネントの機械的サポートと電気的接続を提供します。PCB の機能と組み立てプロセスの不可欠な部分はシルクスクリーン層によって特徴付けられます。これは、従来の名称にもかかわらず、現代の電子機器製造において重要な役割を果たしています。

PCB 上のシルクスクリーンとは何ですか?

PCB 上のシルクスクリーンとは、プリント回路基板の片面または両面に塗布されたインク テキスト、シンボル、またはグラフィックスの層を指します。シルクスクリーンは、コンポーネントの位置の識別、組み立て手順の提供、ブランド化など、さまざまな目的に使用されます。この情報により、電子機器の正確で効率的な組み立て、テスト、および修理が可能になります。

シルクスクリーンマーキングは以下で構成されます。

  • コンポーネント識別子: 抵抗器の「R1」やコンデンサの「C1」などのラベルは、コンポーネントの種類と順序を示します。
  • コンポーネントの概要: コンポーネントの物理的な形状と方向を表す単純なアウトラインまたはシンボル。
  • ピン 1 または極性マーキング: これらは、ダイオードやコンデンサなどの極性コンポーネントの方向を示すインジケーターであり、誤った配置を防ぎます。
  • テストポイント: テスト中に電圧レベル、信号、または導通を測定するために使用されるボード上のポイントの指定。
  • ロゴとブランディング: 識別およびマーケティング目的の会社ロゴまたはブランド名。
  • 警告記号と指示: 電圧レベルや特定のコンポーネントの取り扱いに関する必要な注意事項を示す記号またはテキスト。

PCBシルクスクリーンの種類

PCB へのシルクスクリーンの適用にはさまざまな技術が含まれ、それぞれに独自の利点、制限、および用途があります。 

1. 液体フォトイメージング(LPI)

LPI では、液体の写真画像形成インクを PCB に塗布します。次に、インクをフォトマスクを通して光にさらし、現像して、正確で高解像度のマーキングを作成します。

利点:

  • 高解像度: LPI は細かいディテールや小さなテキストを生成できるため、高密度レイアウトの PCB に適しています。
  • 耐久性: LPI で使用されるインクは PCB 表面に強力に付着し、色あせ、汚れ、剥がれに強いため、マーキングの耐久性が保証されます。
  • 多用途性: LPI インクはさまざまな色で提供されており、デザイン要件に応じたオプションを提供します。

制限事項:

  • 料金: LPI は一般に従来のスクリーン印刷よりも高価であるため、大量生産の場合はコスト効率が低くなります。
  • プロセスの複雑さ: LPI プロセスには、硬化や現像などの複数のステップが含まれるため、製造時間が長くなる可能性があります。

2. ダイレクトレジェンド印刷(DLP)

ダイレクト レジェンド プリンティングは、デジタル インクジェット技術を利用して、基板の CAD データに基づいて PCB 表面に直接インクを塗布します。この方法では、物理的なマスクやスクリーンが不要になるため、迅速かつ柔軟な設計変更が可能になります。

利点:

  • 柔軟性: DLP は、新しい物理マスクを必要とせずに設計変更に簡単に対応できるため、プロトタイプや小規模生産に最適です。
  • スピード: DLP のデジタル特性により、マスクの準備を必要とする従来の方法に比べて生産時間が短縮されます。
  • 環境への配慮: DLP はより環境に優しいオプションです。マスクやスクリーンが不要になるため、廃棄物が削減されます。

制限事項:

  • インク付着性: PCB の材質と使用されるインクによっては、DLP でインクの付着に関する問題が発生し、表面処理や特定のインク配合が必要になる場合があります。
  • 設備費: デジタル インクジェット印刷装置への初期投資は、従来のスクリーン印刷装置よりも高額になる可能性があります。

3. 手動スクリーン印刷

手動スクリーン印刷は、PCB にシルクスクリーンを適用する従来の方法です。必要なデザインをステンシルまたはスクリーンに作成し、スキージを使用してスクリーン メッシュを通してインクを PCB 表面に押し付けます。スクリーンにはインクが浸透しない領域があり、これがシルクスクリーン デザインを定義します。

利点:

  • 費用対効果: 手動スクリーン印刷は、スクリーンが再利用可能であるため、大量生産の場合、より経済的です。
  • 材料の適合性: 手動スクリーン印刷は、さまざまなインク タイプで使用でき、さまざまな PCB 材料とアプリケーションに対応します。

制限事項:

  • 解決: この方法では、LPI や DLP で可能な微細なディテールを実現できない可能性があるため、非常に小さなコンポーネントや高密度に詰め込まれたレイアウトを持つ PCB には適していません。
  • 一貫性: 手動スクリーン印刷プロセスの側面により、複数の PCB にわたってインクの厚さが異なり、デザインの鮮明さが損なわれる可能性があります。

PCBシルクスクリーンを作成するさまざまな方法

  • スクリーン印刷: 従来の方法では、必要なマーキングを施したステンシルを作成し、スクイージーを使用してステンシルを通してインクを PCB に押し出します。この方法は大量生産に最適です。
  • インクジェット印刷: より現代的なアプローチでは、インクが PCB にデジタル的にスプレーされ、設計変更において高い精度と柔軟性を実現します。プロトタイプや小ロットに最適です。
  • レーザー印刷: あまり一般的ではありませんが、レーザー印刷では、レーザーを使用してシルクスクリーンのデザインを PCB 表面に直接エッチングします。この方法は高解像度を実現しますが、コストが高くなる可能性があります。

PCB にシルクスクリーンを使用する利点

プリント回路基板 (PCB) にシルクスクリーンを組み込むと、製造プロセスと最終的な電子機器の機能性の両方が向上し、さまざまな利点が得られます。 

  • 組み立て精度の向上: シルクスクリーンのマーキングにより、コンポーネントの配置と方向が正確に示され、組み立てエラーが軽減されます。
  • 容易なテストとトラブルシューティング: テストおよびトラブルシューティング中の識別を容易にするために、PCB にはテスト ポイントと重要な領域がマークされています。
  • メンテナンスと保守性の向上: コンポーネントとコネクタに明確なラベルを付けると、メンテナンス作業と修理が容易になります。
  • 安全性の向上: 警告シンボルと指示により、潜在的な危険をユーザーに知らせ、安全性を高めます。
  • ブランドの可視性と追跡可能性: シルクスクリーン上のロゴと部品番号により、ブランド認知度が向上し、PCB の追跡可能性が向上します。
  • コスト効率: シルクスクリーンは、組み立てとテストのプロセスを合理化することでコスト削減に貢献します。
  • 美的魅力: シルクスクリーンは PCB の外観を向上させることができるため、消費者向けアプリケーションでは望ましい場合があります。

PCBシルクスクリーンのプロセス

プリント回路基板 (PCB) にシルクスクリーンを印刷することは、製造工程の重要なステップです。これにより、基板の表面に貴重な情報とマークが追加されます。このプロセスは、PCB の組み立てと検査、および識別と美観仕上げに役立ちます。 

1. 設計準備

シルクスクリーン設計プロセスは PCB レイアウト設計に不可欠であり、通常は専用の PCB 設計ソフトウェアを使用して行われます。設計者は、ボードを乱雑にしたり、パッドやトレースを見えにくくしたりすることなく、コンポーネントの位置、名前、方向を示すテキストとシンボルを慎重に配置する必要があります。考慮事項は次のとおりです。

  • フォントの選択: 読みやすく、かつ利用可能なスペースに収まるコンパクトなフォント サイズを選択します。業界標準の最小テキスト サイズは通常、高さ約 1 mm ですが、これはメーカーの機能やボードの複雑さによって異なる場合があります。
  • シンボルの標準化: 明確さを確保し、混乱を避けるために、極性、アース、およびその他の電気特性について世界的に認められた記号を使用します。

2. シルクスクリーン方式の選択

スクリーン印刷、インクジェット印刷、レーザーエッチングの選択は、いくつかの要因によって決まります。

  • 量と効率: スクリーン印刷は大量生産の場合にコスト効率に優れていますが、インクジェット印刷はプロトタイプや小ロット生産の場合に柔軟性と効率性を提供します。
  • 解決要件: 小さなコンポーネントや高密度のレイアウトなど、高いディテールが求められるボードの場合、インクジェットまたはレーザー エッチングにより優れた解像度が得られます。
  • 材料に関する考慮事項: 基材の材質の選択とシルクスクリーンに必要な耐久性によって、最適な適用方法が決まる場合があります。

3. PCB表面の準備

適切な表面処理により、インクの付着が最適化され、シルクスクリーン印刷の耐久性が向上します。

  • 表面洗浄: 化学溶剤または機械ブラシにより、インクの付着を妨げる可能性のある残留物を除去します。
  • 接着促進: 場合によっては、プライマーまたは接着促進剤を塗布すると、特に直接印刷が難しい表面では、インクと PCB 材料間の結合を強化できます。

4. インクの塗布

インクの適用の詳細は方法によって大きく異なります。

スクリーン印刷の場合:

  • スクリーンの準備: メッシュの一部をブロックしてデザインを形成するメッシュ スクリーンを作成します。スクリーンは PCB 上で正確に位置合わせする必要があります。
  • インクの濃度: インクの粘度は、スクリーンのメッシュ サイズとデザインの複雑さに適したものでなければなりません。

インクジェット印刷の場合:

  • デジタル設定: シルクスクリーンのデザインをインクジェット プリンターと互換性のある形式に変換し、すべての詳細が正確に再現されるようにします。
  • インクジェットキャリブレーション: PCB の表面とインクの種類に合わせて、インクの流量と液滴サイズのプリンター設定を調整します。

レーザー印刷の場合:

  • レイヤーの適用: レーザーに敏感な層を PCB に適用し、レーザーが選択的に除去してデザインを作成します。
  • レーザーパラメータ: レーザーの出力、速度、焦点を調整して、きれいなラインを実現し、PCB の損傷を防ぎます。

5. インクの硬化

さまざまなインクと塗布方法には、耐久性を確保するための特定の硬化プロセスが必要です。

  • 熱硬化: インクを硬化させるためにオーブンまたは赤外線ランプを使用します。温度や時間などのパラメータを正確に制御する必要があります。
  • UV硬化: UV 硬化インクの場合、インクは特定の波長の UV 光にさらされ、光化学反応を起こして硬化します。

6. 検査

高度な検査技術により、シルクスクリーン層の最高品質が保証されます。

  • 自動光学検査 (AOI): 欠陥や設計からの逸脱を検出する高解像度カメラと画像処理ソフトウェアを搭載した機械。
  • 手動検査: 場合によっては、特に少量生産またはプロトタイプのボードの場合、経験豊富な担当者による詳細な手動検査が AOI を補完または代替できることがあります。

PCBシルクスクリーンの設計上の考慮事項:

  • 読みやすさ: すべてのマークが読みやすいように、フォントのサイズとスタイルを選択する必要があります。
  • 対比: 視認性を高めるために、インクの色は PCB の背景と対照的である必要があります。
  • 配置: ビア、パッド、またはコンポーネントの配置やはんだ付けに影響する領域の上にシルクスクリーン マーキングを配置しないように注意する必要があります。
  • 耐久性: 製品の寿命を通じてシルクスクリーンが損なわれないようにするには、PCB が動作する環境に基づいてインクと硬化プロセスを選択する必要があります。

結論

PCB の設計と製造の議論では見落とされがちですが、シルクスクリーン層は、電子機器の機能性、組み立て精度、寿命を確保する上で重要な役割を果たします。 

印刷技術の進歩により、効果的で情報量の多いシルクスクリーンの作成が容易になりました。これにより、製造プロセスの効率化と電子製品の品質向上が可能になります。

によって書かれた記事 アリス・リー

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