USBフラッシュドライブ の回路基板上の表面実装部品。番号の付いた小さな長方形のチップは抵抗器、番号のない小さな長方形のチップはコンデンサです。写真に写っているコンデンサと抵抗器は0603（メートル法では1608）パッケージサイズで、わずかに大きい0805（メートル法では2012）フェライトビーズ も含まれています。表面実装コンデンサ サイズ比較のために、英国の切手の上にMOSFETを置いた。 表面実装技術 （SMT ）は、元々は平面実装 と呼ばれていましたが[ 1 ] 、プリント回路基板 （PCB）の表面に直接電気部品を実装する方法です[ 2 ] 。このように実装された電気部品は、表面実装デバイス （SMD ）と呼ばれます。産業界では、このアプローチは、部品を実装するためのスルーホール技術の 製造方法にほぼ取って代わりました。これは主に、SMTによって製造の自動化が進み、コストが削減され、品質が向上するためです[ 3 ]
SMT部品は、リードが小さいか、あるいはリードが全くないため、通常はスルーホール部品よりも小型です。短いピンや様々な形状のリード、フラットな接点、 はんだボール のマトリックス（BGA ）、あるいは部品本体上の端子などを備えている場合があります。
歴史 表面実装技術は 1960 年代に開発されました。1986 年までに、表面実装部品は市場の最大 10% を占めていましたが、急速に普及していました。[ 4 ] IBM によって行われました。1960 年に IBM が小型コンピュータで初めて実証した設計アプローチは、後にすべてのSaturn IB およびSaturn Vロケットを誘導する 計器ユニット で使用される打ち上げロケットデジタルコンピュータ に適用されました。[ 5 ]
多くの場合、はんだの表面張力だけで部品を基板に固定できます。まれに、リフロー炉 内で部品が落下しないように、基板の裏面または「2番目」の面の部品を接着剤で固定することがあります。[ 6 ] ウェーブはんだ付けプロセスを使用してSMT部品とスルーホール部品を同時にはんだ付けする場合、接着剤 を使用して 基板の裏面にSMT部品を固定することがあります。あるいは、SMT部品を最初にリフローはんだ付けし、次に選択的ソルダー マスクを使用して、ウェーブはんだ付け中に部品を固定しているはんだがリフローして部品が浮き上がらないようにすれば、接着剤なしでSMT部品とスルーホール部品を同じ面にはんだ付けできます。表面実装は高度な自動化に適しており、労働コストを削減し、生産率を大幅に向上させます。
逆に、SMTは、一点ものの試作や小規模生産においてより経済的かつ迅速な手動または低自動化の製造には適していません。これが、多くのスルーホール部品が依然として製造されている理由の一つです。一部のSMDは温度制御機能付きの手動はんだごてで半田付けできますが、非常に小さいものやリードピッチが細かすぎるものは、高価な機器なしでは手動で半田付けすることがほぼ不可能です。
一般的な略語 製造に使用される部品、技術、機械を表す用語は様々です。これらの用語は次の表に示されています。[ 3 ]
組み立て技術 ピックアンドプレースマシン を備えた組立ラインプリント基板組立ライン：ピックアンドプレース機とそれに続くSMTはんだ付け炉 部品を配置する箇所には、プリント基板に は通常、穴のない平らな、通常は錫鉛 、銀、または金メッキされた銅パッド （はんだパッド と呼ばれる）があります。 フラックス と微細なはんだ粒子の粘着性のある混合物であるはんだペーストは、まず スクリーン印刷 プロセスを使用してステンレス鋼またはニッケルのステンシルですべてのはんだパッドに塗布されます。インクジェットプリンター と同様のジェット印刷機構によって塗布することもできます。ペーストを塗布した後、基板はピックアンドプレースマシン に進み、コンベアベルト上に置かれます。基板上に配置する部品は通常、リールに巻かれた紙/プラスチックテープまたはプラスチックチューブで生産ラインに供給されます。一部の大型集積回路は、静電気防止トレイで供給されます。 数値制御 ピックアンドプレースマシンは、テープ、チューブ、またはトレイから部品を取り出し、プリント基板上に配置します。
基板はその後、リフローはんだ付け 炉に搬送されます。まず予熱ゾーンに入り、熱衝撃を防ぐために基板とすべての部品の温度が徐々に均一に上昇します。次に、基板ははんだペースト中のはんだ粒子を溶融させるのに十分な高温ゾーンに入り、部品のリード線が回路基板上のパッドに接合されます。溶融したはんだの表面張力 によって部品が所定の位置に保持されます。はんだパッドの形状が正しく設計されていれば、表面張力によって部品は自動的にパッド上に整列します。
はんだのリフローにはいくつかの技術があります。 赤外線 ランプを使用する方法があり、これは赤外線リフローと呼ばれます。また、ホットガス対流を 使用する方法もあります。再び人気が高まっている技術として、沸点の高い特殊なフッ素系 液体を使用する気相リフローと呼ばれる方法があります。環境問題への懸念から、この方法は鉛フリー法が導入され、はんだ付けに対する規制が強化されるまで、人気が低迷していました。2008年末には、標準的な空気または窒素ガスを使用する対流はんだ付けが最も一般的なリフロー技術でした。それぞれの方法には長所と短所があります。赤外線リフローでは、基板設計者は、背の高い部品の影に短い部品が入らないように基板をレイアウトする必要があります。設計者が気相リフローまたは対流はんだ付けが生産で使用されることを知っていれば、部品の配置の制約は少なくなります。リフローはんだ付け後、特定の不規則な形状または熱に弱い部品は、手作業で、または集束赤外線ビーム（FIB）または局所対流装置を使用して大規模な自動化で取り付け、はんだ付けすることができます。
回路基板が両面基板の場合、部品を所定の位置に固定するために、はんだペーストまたは接着剤を使用して、この印刷、配置、リフロー工程を繰り返すことができます。ウェーブはんだ付け プロセスを使用する場合は、部品を固定しているはんだペーストが溶けたときに部品が浮き上がらないように、処理前に部品を基板に接着する必要があります。
はんだ付け後、基板を洗浄してフラックス残渣や、近接した部品リードをショートさせる可能性のあるはんだボールを除去することがあります。ロジン フラックスは、フッ素系溶剤、引火点の高い 炭化水素系溶剤、または リモネン （オレンジの皮から抽出）などの引火点の低い溶剤で除去しますが、後者の場合は追加のすすぎや乾燥サイクルが必要です。水溶性フラックスは脱イオン水 と洗剤で除去し、その後エアブラストで残留水分を素早く除去します。しかし、ほとんどの電子機器アセンブリは「ノー・クリーン」プロセスを使用して製造されており、フラックス残渣は無害であると考えられているため、回路基板上に残すように設計されています。これにより、洗浄コストが削減され、製造プロセスが高速化され、廃棄物が削減されます。ただし、アプリケーションで非常に高い周波数のクロック信号（1 GHz を超える）を使用する場合は、「ノー・クリーン」プロセスを使用している場合でも、アセンブリを洗浄することが一般的に推奨されます。ノー・クリーン残渣を除去するもう 1 つの理由は、コンフォーマルコーティング とアンダーフィル材料の密着性を向上させるためです。[ 7 ] [ 8 ]
IPC（Association Connecting Electronics Industries） が作成したような特定の製造規格では、使用するはんだフラックスの種類に関係なく、基板を完全にきれいにするために洗浄することを要求しています。適切な洗浄では、はんだフラックスの痕跡だけでなく、肉眼では見えない汚れやその他の汚染物質もすべて除去します。ノー・クリーンなどのはんだ付けプロセスでは、「白い残留物」が残ることがありますが、IPCによれば、「これらの残留物が無害であると認定され、文書化されている限り」許容されます。[ 9 ]
最後に、基板は部品の欠落や位置ずれ、はんだブリッジがないか目視検査されます。[ 10 ] [ 11 ] 必要に応じて、リワーク ステーションに送られ、そこで人間のオペレーターがエラーを修正します。その後、通常はテストステーション（インサーキットテスト および/または機能テスト）に送られ、正しく動作することを確認します。
自動光学検査 （AOI）システムは、PCB製造 で一般的に使用されています。この技術は、プロセス改善と品質向上に非常に効果的であることが証明されています。[ 12 ]
利点 1.2キロオームの SMD抵抗器7個（オリジナルパッケージ入り） - このパッケージは実装機での使用に適していますSMTのスルーホール技術に対する主な利点は次のとおりです。[ 13 ] [ 14 ]
より高速な自動組立。一部の部品配置機は、1時間に13万6000個以上の部品を配置できる。 部品密度（単位面積あたりの部品数）がはるかに高く、部品あたりの接続数もはるかに多い。 部品は回路基板の両面に配置できる。 穴が内層の配線スペースを妨げないため、また部品がPCBの片面にのみ実装されている場合は裏面層の配線スペースも妨げないため、接続密度が高くなる。 部品配置のわずかな誤差は、溶融はんだの表面張力によって部品がはんだパッドに引き寄せられるため、自動的に修正されます。（一方、スルーホール部品は、リード線が穴を貫通すると完全に位置合わせされるため、わずかに位置がずれると、横方向にずれることはありません。） 衝撃や振動条件下での機械的性能の向上（質量の低減とカンチレバー構造の減少による部分が大きい） 接続部における抵抗とインダクタンスが低減されるため、不要なRF信号の影響が少なくなり、高周波性能が向上し、より予測しやすくなります。 放射ループ面積が小さくなったこと（パッケージが小さくなったため）とリードインダクタンスが小さくなったことにより、EMC性能が 向上しました（放射エミッションが低減）。 [ 15 ] 穴あけ加工の回数が減る。（プリント基板への穴あけ加工は時間と費用がかかる。） 自動化設備を使用することで、量産体制への移行にかかる初期費用と時間を削減できる。 多くのSMT部品は、同等のスルーホール部品よりも安価です。 より小さな部品。
デメリット SMTは、頻繁に機械的ストレスを受ける部品、例えば頻繁に着脱される外部デバイスとのインターフェースに使用されるコネクタなどの唯一の取り付け方法としては不向きである可能性がある。[ 16 ] SMD（表面実装部品）のはんだ接合部は、封 止材が熱サイクルを受けることで損傷を受ける可能性がある。多くのSMDはサイズが小さくリード間隔が広いため、プロトタイプの組み立てや部品レベルの修理はより難しく、熟練した作業員と高価な工具が必要となります。[ 17 ] 多くの種類のSMT部品パッケージはソケット に取り付けることができません。ソケットは、回路の変更や故障した部品の交換を容易にするための部品の取り付けや交換を容易にするものです。（ほぼすべてのスルーホール部品はソケットに取り付けることができます。）SMDはプラグインブレッドボード （素早くスナップアンドプレイでプロトタイプを作成できるツール）に直接使用することはできません。プロトタイプごとにカスタムPCBを作成するか、ピンリードキャリアにSMDをマウントする必要があります。特定のSMDコンポーネントのプロトタイプを作成する場合は、より安価なブレークアウトボード を使用できます。さらに、ストリップボード スタイルのプロトタイプボードも使用できます。これらの中には、標準サイズのSMDコンポーネント用のパッドが含まれているものもあります。プロトタイプ作成には、「デッドバグ 」ブレッドボードを使用できます。[ 18 ] 超微細ピッチ技術の進歩に伴い、SMT におけるはんだ接合部の寸法は急速に小さくなっています。接合部ごとに許容されるはんだの量が少なくなるにつれて、はんだ接合部の信頼性がますます重要になります。ボイドは、特に SMT アプリケーションではんだペーストをリフローする際に、はんだ接合部でよく見られる欠陥です。ボイドの存在は接合部の強度を低下させ、最終的には接合部の故障につながる可能性があります。[ 19 ] [ 20 ] SMD部品は通常、同等のスルーホール部品よりも小さいため、マーキングできる表面積が小さく、マーキングする部品IDコードや部品値はより難解で小さくする必要があり、多くの場合、拡大鏡で読み取る必要があります。一方、より大きなスルーホール部品は肉眼で読み取り、識別できます。これは、試作、修理、再加工、リバースエンジニアリング、そして場合によっては生産セットアップにおいて不利になります。
リワーク はんだ付け用ピンセット を使用して表面実装デバイスを取り外す表面実装部品の不良は、はんだごて （一部の接続部）または非接触式リワークシステムを使用して修理できます。ほとんどの場合、リワークシステムの方が適しています。なぜなら、はんだごてを使ったSMD作業には高度な技術が必要であり、常に可能とは限らないからです。
手直し作業は通常、人為的または機械的なエラーを修正するものであり、以下の手順が含まれます。
はんだを溶かして部品を取り外す 残留はんだを除去します（一部の部品では不要な場合があります）。 はんだペーストを基板に直接、または塗布もしくは浸漬によって印刷する。 新しい部品を配置してリフローします。 同じ部品を数百個、あるいは数千個も修理する必要が生じる場合もあります。組み立て工程における不具合であれば、多くの場合、製造工程中に発見されます。しかし、部品の不具合が発見されるのが遅すぎたり、製造された機器のエンドユーザーが不具合を経験するまで気づかれなかったりすると、全く新たなレベルの再作業が発生します。また、再作業は、再作業を行うに値するほどの価値を持つ製品に、ファームウェアベースの部品を1つ変更するなど、改訂や再設計が必要な場合にも行われます。大量の再作業には、その目的に特化した作業手順が必要です。
非接触はんだ付け/はんだ除去方法には、赤外線はんだ付けとホットガスによるはんだ付けの2種類があります。[ 21 ]
赤外線 赤外線はんだ付けでは、はんだ接合部を加熱するためのエネルギーは、長波、中波、または短波の赤外線電磁波によって伝達されます。
利点：
簡単なセットアップ 加熱プロセスには圧縮空気は不要です（一部のシステムでは冷却に圧縮空気を使用します）。 多くの部品の形状やサイズに対して異なるノズルを用意する必要がないため、コスト削減とノズル交換の必要性の低減につながります。 高品質の赤外線暖房システムを前提とすれば、非常に均一な暖房が可能となる。 適切なプロファイル設定を前提とした、表面温度の低い穏やかなリフロープロセス 赤外線光源の高速反応（使用するシステムによる） 熱電対または高温計による測定を適用することで、部品に直接閉ループ温度制御を行うことができます。これにより、環境変動や温度損失を補償することが可能です。加熱プロセスが自動的に調整されるため、わずかに異なるアセンブリでも同じ温度プロファイルを使用できます。高温状態のアセンブリでも、プロファイルへの（再）進入が可能です。 個々の半田付け工程において部品温度を直接制御することで、目標プロファイル温度と温度勾配を直接設定することが可能です。 熱風をはんだ接合部に強く吹き付けても酸化が促進されず、フラックスの摩耗や吹き飛ばしが軽減されます。 各リワーク工程における部品の経過温度の記録が可能 デメリット：
温度に敏感な近傍部品は損傷を防ぐために熱から保護する必要があり、そのためには基板1枚あたり追加の時間が必要となる。 短波長赤外線のみの場合：表面温度は構成要素のアルベド に依存します。暗い表面は明るい表面よりも加熱されます。 コンポーネントでの対流によるエネルギー損失の可能性 リフロー雰囲気は不要（ただし必須ではない）
高温ガス ホットガスはんだ付けでは、はんだ接合部を加熱するためのエネルギーは高温ガスによって伝達されます。この高温ガスは空気または不活性ガス（窒素 ）です。
利点：
一部のシステムでは、温風と窒素の切り替えが可能です。 標準ノズルと部品専用ノズルにより、高い信頼性と高速処理が可能になります。 再現可能なはんだ付けプロファイルを可能にする（使用するシステムによる） 効率的な暖房、大量の熱を伝達できる 影響を受ける基板領域を均一に加熱します（使用するシステム/ノズルの品質によって異なります）。 部品の温度は、調整されたガス温度を超えることはありません。 リフロー後の急速冷却により、微細な結晶粒のはんだ接合部が形成される（使用するシステムによって異なる）。 デメリット：
熱発生器の熱容量は反応速度を遅くするため、（使用するシステムによっては）熱プロファイルが歪む可能性がある。 高温ガスを目的の部品に正確に噴射するには、部品ごとに精密で、時には非常に複雑な形状の高温ガスノズルが必要となる。これらは非常に高価になる場合がある。 今日では、ノズルからプリント基板上に隣接する部品が堆積することが困難になっている場合が多く、そのため密閉されたプロセスチャンバーが存在せず、隣接する部品に側面から強い風が吹き付けられる可能性があります。これにより、隣接する部品が吹き飛ばされたり、熱による損傷を受けたりする恐れがあります。このような場合、隣接する部品は、例えばポリイミドテープで覆うなどして、気流から保護する必要があります。 高温ガスの局所的な乱流は、加熱面に高温部と低温部を生み出し、加熱ムラの原因となります。そのため、完璧に設計された高品質のノズルが不可欠です。 部品の端部、特にベース部やコネクタ部における渦状の熱は、他の表面よりもこれらの端部を著しく加熱する可能性があります。過熱が発生すると（火傷、プラスチックの溶融など）、 製造工程で部品温度が測定されないため、環境要因による損失は補償されない。 適切なリフロープロファイルを作成するには、調整とテストの段階が必要であり、場合によっては複数の段階を経る必要がある。 ガス流速が速いため実際の部品温度を測定することが難しく（測定失敗！）、部品の直接的な温度制御は不可能です。
ハイブリッド技術 ハイブリッド再加工システムは、中波赤外線と熱風を組み合わせたものです。
利点：
簡単なセットアップ 赤外線放射を支える低流速の温風は熱伝達を向上させるが、部品を吹き飛ばすことはできない。 熱伝達は、部品／アセンブリ表面における高温ガスの流速のみに依存するわけではない（高温ガスの項を参照）。 多くの部品の形状やサイズに対して異なるノズルを用意する必要がないため、コスト削減とノズル交換の必要性の低減につながります。 必要に応じて、各種アタッチメントを使用して加熱面の調整が可能です。 上部ヒーターの種類によっては、非常に大型・長尺の部品や特殊な形状の部品も加熱可能です。 高品質のハイブリッド暖房システムを前提とすれば、非常に均一な暖房が可能となる。 適切なプロファイル設定を前提とした、表面温度の低い穏やかなリフロープロセス 加熱プロセスには圧縮空気は不要です（一部のシステムでは冷却に圧縮空気を使用しています）。 熱電対または高温計による測定を適用することで、部品に直接閉ループ温度制御を行うことができます。これにより、環境変動や温度損失を補償することが可能です。加熱プロセスが自動的に調整されるため、わずかに異なるアセンブリでも同じ温度プロファイルを使用できます。高温状態のアセンブリでも、プロファイルへの（再）進入が可能です。 個々の半田付け工程において部品温度を直接制御することで、目標プロファイル温度と温度勾配を直接設定することが可能です。 熱風をはんだ接合部に強く吹き付けても酸化が促進されず、フラックスの摩耗や吹き飛ばしが軽減されます。 各リワーク工程における部品の経過温度の記録が可能 デメリット
温度に敏感な近傍部品は、損傷を防ぐために熱から保護する必要があり、そのためには基板ごとに余分な時間が必要となる。また、保護層はガスの流れも遮断する必要がある。 コンポーネントでの対流によるエネルギー損失の可能性
パッケージ
2端子パッケージ の部品サイズ、メートル法およびヤード・ポンド法コードの例と、それらの比較が含まれています。表面実装部品は通常、リード線付きの部品よりも小型で、人間ではなく機械による取り扱いを前提として設計されています。電子機器業界で は、パッケージの形状とサイズが標準化されています（主要な標準化団体はJEDEC です）。
2024年時点で 入手可能な最小ケースサイズ[ 22 ]
識別 抵抗器 5%精度のSMD抵抗器の場合、抵抗値は通常3桁の数字で表示されます。2桁の有効数字と1桁の乗数です。多くの場合、黒地に白文字ですが、他の色の背景や文字も使用できます。1%精度のSMD抵抗器の場合は、3桁では情報が不十分なため、コードが使用されます。このコードは2桁の数字と1文字で構成され、数字はE96シリーズ の値における値の位置を示し、文字は乗数を示します。[ 23 ] コンデンサ 非電解コンデンサは通常、マークがなく、その値を確実に判断する唯一の方法は、回路から取り外して、容量計またはインピーダンスブリッジで測定することです。ニッケルタンタル酸塩などのコンデンサの製造に使用される材料は色が異なるため、これによって部品の容量を大まかに把握できます。一般的に、同じ誘電体の場合、物理的なサイズは容量と電圧に比例します。たとえば、100 nF、50 Vのコンデンサは、10 nF、150 Vのデバイスと同じパッケージに入っている場合があります。SMD（非電解）コンデンサは通常、モノリシックセラミックコンデンサで、エンドキャップで覆われていない4つの面すべてに同じ本体色が付いています。SMD電解コンデンサ（通常はタンタルコンデンサ）とフィルムコンデンサは 、抵抗器のように、有効数字2桁とピコファラド（pF、10⁻¹²ファラド ）単位の乗数でマークされています。 インダクタ 中程度の電流定格を持つ小さなインダクタンスは、通常フェライトビーズ型です。これらは単に金属導体をフェライトビーズに通したもので、スルーホール型とほぼ同じですが、リードではなくSMDエンドキャップが付いています。濃い灰色に見え、同様の濃い灰色の外観を持つコンデンサとは異なり磁性があります。これらのフェライトビーズ型はナノヘンリー （nH）範囲の小さな値に限定され、電源レールデカップラまたは回路の高周波部分でよく使用されます。より大きなインダクタとトランスは、もちろん同じ基板にスルーホール実装できます。より大きなインダクタンス値のSMTインダクタは、多くの場合、本体の周りに巻線または平らなストラップがあり、または透明なエポキシに埋め込まれており、ワイヤーまたはストラップが見えるようになっています。フェライトコア も存在する場合があります。これらの高インダクタンスタイプは、多くの場合、小さな電流定格に制限されますが、平らなストラップタイプのいくつかは数アンペアを処理できます。コンデンサと同様に、小さなインダクタの部品値と識別子は通常、部品自体にはマークされていません。基板上に記載または印刷されていない場合、通常は回路から取り外して測定する以外に値を決定する方法はありません。大型のインダクタ、特に大型の巻線型インダクタには、通常、上面に値が印刷されています。例えば、「330」は33μHの値に相当します 。 個別半導体 ダイオードやトランジスタなどの個別半導体には、2文字または3文字のコードが付けられていることがよくあります。異なるパッケージや異なるメーカーのデバイスに同じコードが付けられていても、異なるデバイスを指す場合があります。これらのコードの多くは、デバイスが小さすぎて大型パッケージで使用されるような従来の番号でマークできないために使用されていますが、対応表を参照すれば、より馴染みのある従来の部品番号に対応付けられます。英国のGM4PMK氏が対応表を作成しており、同様のPDF版リストも入手可能ですが、これらのリストは完全なものではありません。 集積回路 一般的に、集積回路パッケージは、メーカー固有の接頭辞を含む完全な部品番号、または部品番号の重要な部分とメーカー名またはロゴ を印字できるほど十分に大きい。
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