表面実装技術

表面実装技術（SMT）は、もともと平面実装と呼ばれていましたが、^{[1]電気部品を}プリント基板（PCB）の表面に直接実装する方法です。^{[2]この方法で取り付けられた電気部品は}、表面実装デバイス（SMD ）と呼ばれます。業界では、このアプローチが部品を取り付けるためのスルーホール技術の構築方法に大きく取って代わりました。主な理由は、SMTにより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]また、基板の特定の領域により多くの部品を取り付けることもできます。両方の技術を同じ基板上で使用できますが、スルーホール技術は、大型の変圧器やヒートシンク付きパワー半導体など、表面実装に適さない部品によく使用されます。

SMT コンポーネントは、リードが小さいか、リードがまったくないため、通常、スルーホール コンポーネントよりも小さくなります。さまざまなスタイルの短いピンまたはリード、平らな接点、はんだボールのマトリックス( BGA )、またはコンポーネント本体の終端がある場合があります。

表面実装技術は1960年代に開発された。1986年までに、表面実装部品は最大でも市場の10%を占めていたが、急速に人気が高まっていた。^[4] 1990年代後半までには、ハイテク電子プリント回路アセンブリの大部分は表面実装デバイスで占められていた。この技術の先駆的な研究の多くはIBMによって行われた。1960年にIBMが小型コンピュータで初めて実証した設計手法は、後にサターンIB型ロケットとサターンV型ロケットのすべてを誘導する計器ユニットで使用された打ち上げ用ロケットデジタルコンピュータに適用された。^[5]部品は機械的に再設計され、PCBの表面に直接はんだ付けできる小さな金属タブまたはエンドキャップが付いた。部品ははるかに小型になり、スルーホール実装よりも表面実装で基板の両面に部品を配置することがはるかに一般的になったため、回路密度が大幅に向上し、回路基板が小型化され、その結果、基板を含む機械やサブアセンブリも小型化された。

多くの場合、はんだの表面張力は部品を基板に固定するのに十分です。まれに、基板の底面または「2 番目の」面にある部品が接着剤で固定され、リフロー炉内で部品が落下するのを防ぐことがあります。^{[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の両方を同時にはんだ付けする場合、接着剤は基板の底面にある SMT 部品を固定するために使用されることがあります。または、SMT 部品を最初にリフローはんだ付けし、次に選択的はんだマスクを使用して、部品を固定しているはんだがリフローしてウェーブはんだ付け中に部品が浮かないようにすれば、接着剤を使用せずに SMT 部品とスルーホール部品を基板の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、人件費を削減し、生産率を大幅に向上させます。

逆に、SMT は、1 回限りの試作や小規模生産にはより経済的で高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、スルーホール コンポーネントが今でも多く製造されている理由の 1 つです。一部の SMD は、温度制御の手動はんだごてではんだ付けできますが、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はんだ付けすることがほとんど不可能です。

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]

プリント基板の部品を配置する場所には、通常、穴のない平らな、通常は錫鉛、銀、または金メッキの銅パッドがあり、これをはんだパッドと呼びます。 はんだペーストは、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、最初に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に似たジェット印刷機構で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、そこでベルトコンベア上に配置されます。基板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送られます。一部の大型集積回路は、静電気防止トレイで提供されます。 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、PCBに配置します。^[7]

次に、基板はリフローはんだ付け炉に運ばれます。最初に予熱ゾーンに入り、基板とすべての部品の温度が徐々に均一に上昇して熱衝撃を防止します。次に、基板ははんだペーストのはんだ粒子を溶融するのに十分な温度のゾーンに入り、部品のリード線を回路基板のパッドに接着します。溶融はんだの表面張力により、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、表面張力により部品はパッド上で自動的に整列します。

はんだをリフローする技術は数多くあります。1 つは赤外線ランプを使用するもので、これは赤外線リフローと呼ばれます。もう 1 つは高温ガス対流を使用するものです。再び人気が出てきているもう 1 つの技術は、気相リフローと呼ばれる方法を使用する高沸点の特殊なフルオロカーボン液体です。環境への懸念から、この方法は鉛フリー法が導入され、はんだ付けに対するより厳しい管理が求められるようになるまで、人気が下がっていました。2008 年末には、標準の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。各方法には利点と欠点があります。赤外線リフローでは、ボード設計者は、短いコンポーネントが背の高いコンポーネントの影に落ちないようにボードをレイアウトする必要があります。設計者が生産で気相リフローまたは対流はんだ付けを使用することを知っていれば、コンポーネントの位置の制約は少なくなります。リフローはんだ付けの後、特定の不規則なコンポーネントまたは熱に敏感なコンポーネントを手作業で取り付けてはんだ付けするか、または大規模な自動化では、集束赤外線ビーム (FIB) または局所的な対流装置を使用して取り付けてはんだ付けすることができます。

回路基板が両面の場合、部品を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、リフローのプロセス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ってしまわないように、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、フラックスの残留物や、密集したコンポーネントのリードをショートさせる可能性のあるはんだボールを取り除くことができます。ロジンフラックスは、追加のすすぎまたは乾燥サイクルを必要とする、フルオロカーボン溶剤、高引火点 炭化水素溶剤、または低引火溶剤 (例:リモネン(オレンジの皮から抽出)) で除去されます。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 ブラストで残留水を素早く除去します。ただし、ほとんどの電子アセンブリは、「ノー クリーン」プロセスを使用して製造されており、フラックス残留物は無害であると見なされているため、回路基板上に残されるように設計されています。これにより、洗浄コストが節約され、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) が使用される場合は、「ノー クリーン」プロセスが使用されている場合でも、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 クリーン残留物を除去するもう 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接着性を向上させることです。^[8]これらのPCBを洗浄するかどうかにかかわらず、現在の業界の傾向では、「ノークリーン」が適用されるPCB組み立てプロセスを慎重に検討することが推奨されています。これは、コンポーネントとRFシールドの下に閉じ込められたフラックス残留物が、特にコンポーネント密度の高いボードの表面絶縁抵抗（SIR）に影響を与える可能性があるためです。^[9]

IPC（電子産業協会）が作成したものなど、特定の製造基準では、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必要があります。適切な洗浄により、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されます。ノークリーンまたは他のはんだ付けプロセスでは「白い残留物」が残る場合がありますが、IPCによると、「これらの残留物が無害であると認定され、文書化されている場合」は許容されます。^[10]ただし、IPC基準に準拠しているショップは、ボードの状態に関する協会の規則に準拠することが求められますが、すべての製造施設がIPC基準を適用しているわけではなく、またそうする必要もありません。さらに、ローエンドの電子機器などの一部のアプリケーションでは、このような厳格な製造方法は、費用と所要時間の両方で過度です。

最後に、基板は目視検査され、部品の欠落や位置ずれ、はんだブリッジなどがないか確認されます。^{[11] [12]}必要に応じて、基板は再加工ステーションに送られ、そこで人間の作業員がエラーを修復します。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や機能テスト）に送られ、正しく動作するかどうかが検証されます。

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達成に非常に効果的であることが証明されています。^[13]

従来のスルーホール技術と比較したSMTの主な利点は以下の通りである。^{[14] [15]}

• より小さなコンポーネント。
• コンポーネント密度 (単位面積あたりのコンポーネント数) が大幅に向上し、コンポーネントあたりの接続数も大幅に増加します。
• 部品は回路基板の両面に配置できます。
• コンポーネントが PCB の片面のみに取り付けられている場合、穴が内層や裏側層の配線スペースをブロックしないため、接続密度が高くなります。
• 溶融はんだの表面張力によってコンポーネントがはんだパッドに引っ張られて位置が揃うため、コンポーネント配置の小さな誤差は自動的に修正されます。(一方、スルーホール コンポーネントは、リードが穴を通過すると完全に位置が揃い、横方向にずれることができないため、わずかに位置が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が向上（質量が小さいことと片持ち梁が少ないことによる）
• 接続時の抵抗とインダクタンスが低くなるため、不要な RF 信号の影響が少なくなり、高周波性能が向上し、予測しやすくなります。
• 放射ループ面積が小さく（パッケージが小さいため）かつリードインダクタンスが小さいため、EMC性能が向上します（放射エミッションが低くなります）。 ^[16]
• 穴を開ける必要が少なくなります。(PCB の穴あけは時間がかかり、費用もかかります。)
• 自動化設備を使用することで、大量生産の初期コストとセットアップ時間を削減します。
• よりシンプルで高速な自動組み立て。一部の配置マシンは、1 時間あたり 136,000 個を超えるコンポーネントを配置できます。
• 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。

• SMT は、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、頻繁に機械的ストレスを受けるコンポーネントの唯一の取り付け方法としては適さない場合があります。^[要出典]
• SMD のはんだ接続は、熱サイクルを経るポッティング化合物によって損傷を受ける可能性があります。
• 多くのSMDはサイズが小さく、リード間隔も狭いため、手作業によるプロトタイプの組み立てや部品レベルの修理はより困難で、熟練した作業者とより高価なツールが必要になります。^[17]ほとんどすべてのスルーホール部品とは異なり、小さなSMT部品の取り扱いは難しく、ピンセットが必要になります。スルーホール部品は、一度挿入すると（重力下で）所定の位置に留まり、はんだ付け前に基板のはんだ面にある2本のリードを曲げて機械的に固定することができますが、SMDははんだごてで触れるだけで簡単に所定の位置からずれてしまいます。熟練した技術がなければ、部品を手作業ではんだ付けまたははんだ除去するときに、隣接するSMT部品のはんだを誤ってリフローし、意図せず移動させてしまうことがよくありますが、これはスルーホール部品ではほとんど起こり得ないことです。
• 多くの種類の SMT コンポーネント パッケージは、回路を変更するためにコンポーネントを簡単にインストールまたは交換したり、故障したコンポーネントを簡単に交換したりできるソケットにインストールできません。(事実上すべてのスルーホール コンポーネントをソケットに挿入できます。)
• SMD はプラグインブレッドボード(スナップ アンド プレイの簡単なプロトタイピング ツール) で直接使用することはできません。すべてのプロトタイプにカスタム PCB を使用するか、ピン リード キャリアに SMD を取り付ける必要があります。特定の SMD コンポーネントのプロトタイピングには、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ボードを使用することもできます。これらのボードには、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。プロトタイピングには、「デッド バグ」ブレッドボードを使用できます。^[18]
• SMTのはんだ接合部寸法は、超微細ピッチ技術の進歩に伴い急速に小さくなっています。接合部あたりのはんだ量がますます少なくなるにつれて、はんだ接合部の信頼性がますます懸念されています。ボイドは、はんだ接合部でよく見られる欠陥で、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ときに発生します。ボイドが存在すると接合部の強度が低下し、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 は通常、同等のスルーホール コンポーネントよりも小さく、マーキング用の表面積が小さいため、マークされた部品 ID コードまたはコンポーネントの値はよりわかりにくく小さくなり、読み取るには拡大鏡が必要になることがよくあります。一方、より大きなスルーホール コンポーネントは肉眼で読み取り、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、およびおそらく生産セットアップにとって不利です。

欠陥のある表面実装部品は、はんだごて(一部の接続) または非接触リワーク システムを使用して修復できます。はんだごてを使用した SMD 作業には相当のスキルが必要であり、必ずしも実行可能とは限らないため、ほとんどの場合、リワーク システムの方が適しています。

やり直しでは通常、人為的または機械によって生成された何らかのエラーが修正され、次の手順が含まれます。

• はんだを溶かして部品を取り外す
• 残ったはんだを取り除く（部品によっては不要な場合もあります）
• 直接、またはディスペンスやディッピングによって、はんだペーストをPCBに印刷します。
• 新しいコンポーネントを配置してリフローします。

場合によっては、何百、何千もの同じ部品を修理する必要があります。組み立てによるものであれば、このようなエラーはプロセス中に見つかることがよくあります。ただし、コンポーネントの障害が発見されるのが遅すぎたり、製造中のデバイスのエンド ユーザーがそれを経験するまで気付かなかったりすると、まったく新しいレベルのやり直しが発生します。やり直しは、それを正当化するのに十分な価値のある製品に、ファームウェア ベースのコンポーネントを 1 つ変更するなど、改訂または再設計が必要な場合にも使用できます。大量のやり直しには、その目的のために設計された操作が必要です。

非接触はんだ付け/はんだ除去法には、基本的に赤外線はんだ付けと高温ガスによるはんだ付けの2種類があります。^[21]

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放射によって伝達されます。

利点:

• 簡単なセットアップ
• 加熱プロセスに圧縮空気は必要ありません (一部のシステムでは冷却に圧縮空気を使用します)
• さまざまな部品の形状やサイズに合わせて異なるノズルを使用する必要がないため、コストが削減され、ノズルを変更する必要がなくなります。
• 高品質の赤外線加熱システムであれば、非常に均一な加熱が可能
• 正しいプロファイル設定を前提とした、表面温度が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って異なります）
• 熱電対または高温測定を適用することで、コンポーネント上で直接閉ループ温度制御が可能になります。これにより、さまざまな環境の影響と温度損失を補正できます。加熱プロセスが自動的に適応するため、わずかに異なるアセンブリで同じ温度プロファイルを使用できます。高温のアセンブリでもプロファイルへの（再）入力が可能です。
• 個々のはんだ付けプロセスでコンポーネントの温度を直接制御することにより、目標プロファイル温度と勾配を直接設定できます。
• はんだ接合部を熱風で強く吹き付けるため酸化が進行せず、フラックスの摩耗やフラックスの吹き飛ばしが軽減されます。
• 各再加工プロセスごとにコンポーネントの温度経過を文書化可能

デメリット:

• 温度に敏感な近くの部品は損傷を防ぐために熱から保護する必要があり、ボードごとに追加の時間が必要になります。
• 短波長IRのみ：表面温度はコンポーネント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可能（ただし必須ではない）

高温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。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、熱風と窒素の切り替えが可能
• 標準ノズルとコンポーネント固有のノズルにより、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応じて）
• 効率的な加熱、大量の熱を伝達できる
• 影響を受けるボード領域の均一な加熱（使用するシステム/ノズルの品質によって異なります）
• コンポーネント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、はんだ接合部が細かくなります（使用するシステムによって異なります）

デメリット:

• 熱発生器の熱容量により反応が遅くなり、熱プロファイルが歪む可能性があります（使用するシステムによって異なります）。
• 高温ガスを対象コンポーネントに導くには、精密で、時には非常に複雑な、コンポーネント固有の高温ガスノズルが必要です。これらは非常に高価になる場合があります。
• 現在では、ノズルが隣接するコンポーネントによって PCB に付着することがなくなり、プロセス チャンバーが閉じられなくなり、隣接するコンポーネントが側面から強く吹き付けられるようになりました。これにより、隣接するコンポーネントが吹き付けられ、熱による損傷が発生することもあります。この場合、隣接するコンポーネントをポリイミド テープで覆うなどして、空気の流れから保護する必要があります。
• 高温ガスの局所的な乱流により、加熱された表面に高温部分と低温部分が生じ、加熱が不均一になります。そのため、完璧に設計された高品質のノズルが必須です。
• コンポーネントのエッジ、特にベースとコネクタのエッジの渦巻きにより、他の表面よりもエッジが著しく加熱される可能性があります。過熱が発生する可能性があります（火傷、プラスチックの溶解）
• 製造工程で部品の温度が測定されないため、環境の影響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が必要になります。
• ガス速度が高いため実際のコンポーネント温度を測定することが困難であり、コンポーネントの直接的な温度制御は不可能です (測定失敗!)

ハイブリッドリワーク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
• 低流速の熱風が赤外線放射をサポートし、熱伝達を向上させますが、部品を吹き飛ばすことはできません。
• 熱伝達は、部品/アセンブリ表面における高温ガスの流速に完全に依存するわけではない（高温ガスを参照）。
• さまざまな部品の形状やサイズに合わせて異なるノズルを使用する必要がないため、コストが削減され、ノズルを変更する必要がなくなります。
• 必要に応じて、さまざまなアタッチメントを使用して加熱面を調整できます。
• トップヒーターのタイプに応じて、非常に大きくて長い、特殊な形状の部品も加熱可能
• 高品質のハイブリッド暖房システムであれば、非常に均一な暖房が可能
• 正しいプロファイル設定を前提とした、表面温度が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必要ありません（一部のシステムでは冷却に圧縮空気を使用します）
• 熱電対または高温測定を適用することで、コンポーネント上で直接閉ループ温度制御が可能になります。これにより、さまざまな環境の影響と温度損失を補正できます。加熱プロセスが自動的に適応するため、わずかに異なるアセンブリで同じ温度プロファイルを使用できます。高温のアセンブリでもプロファイルへの（再）入力が可能です。
• 個々のはんだ付けプロセスでコンポーネントの温度を直接制御することにより、目標プロファイル温度と勾配を直接設定できます。
• はんだ接合部を熱風で強く吹き付けるため酸化が進行せず、フラックスの摩耗やフラックスの吹き飛ばしが軽減されます。
• 各再加工プロセスごとにコンポーネントの温度経過を文書化可能

デメリット

• 温度に敏感な近くの部品は、損傷を防ぐために熱から保護する必要があり、ボードごとに追加の時間が必要になります。シールドはガスの流れからも保護する必要があります。
• 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

表面実装部品は通常、リード付きの部品よりも小さく、人間ではなく機械で取り扱うように設計されています。エレクトロニクス業界では、パッケージの形状とサイズが標準化されています (主要な標準化機関はJEDECです)。

2024年現在、0201の次に利用可能な最小のケースサイズは、^{[アップデート]}01005、008005、008004、008003、006003です。^[22]

抵抗器

5% 精度の SMD 抵抗器の場合、抵抗値は通常 3 桁で表示されます。2 つの有効数字と乗数桁です。これらは黒の背景に白の文字で表示されることが多いですが、他の色の背景や文字を使用することもできます。1% 精度の SMD 抵抗器の場合、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 つの文字で構成されます。数字はE96 シリーズの値の位置を示し、文字は乗数を示します。^[23]

コンデンサ

非電解コンデンサには通常マークが付いていないため、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、静電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などのコンデンサの製造に使用される材料はさまざまな色をしており、これらからコンポーネントの静電容量を大まかに把握できます。^[要出典]一般に、物理的なサイズは、同じ誘電体の場合、静電容量と (2 乗) 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 つの面すべてが同じ本体色になっています。 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 コンデンサには、抵抗器のように、2 つの有効数字とピコファラッドまたは pF (10 ⁻¹²ファラッド)単位の乗数がマークされています。

インダクタ

中程度に高い電流定格を持つ小型インダクタンスは、通常、フェライト ビーズ タイプです。これらは、フェライト ビーズに通された金属導体で、スルーホール バージョンとほぼ同じですが、リード線ではなく SMD エンド キャップを備えています。外観はダーク グレーで、同様のダーク グレー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 タイプは、ナノヘンリー(nH) 範囲の小さな値に制限されており、電源レール デカップラーとして、または回路の高周波部品でよく使用されます。大型のインダクタとトランスは、もちろん、同じボードにスルーホール マウントされる場合があります。インダクタンス値が大きい SMT インダクタは、ワイヤまたはフラット ストラップをボディの周りに巻き付けたり、透明なエポキシに埋め込まれたりして、ワイヤまたはストラップが見えるようにすることがよくあります。フェライトコアが付いている場合もあります。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ていますが、フラット ストラップ タイプの中には数アンペアを処理できるものもあります。コンデンサと同様に、小型インダクタのコンポーネント値と識別子は、通常、コンポーネント自体には表示されません。文書化されていないか、PCB に印刷されていない場合は、通常は回路から取り外して測定する以外に、それらを決定する方法はありません。大型のインダクタ、特に大きなフットプリントの巻線型の場合、通常は上部に値が印刷されています。たとえば、「330」は 33 μH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 個または 3 個の記号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付けられている同じコードが、異なるデバイスに変換されることがあります。デバイスが小さすぎて、大型パッケージで使用される従来の番号を付けることができないために使用されているこれらのコードの多くは、相関リストを参照すると、より一般的な従来の部品番号と相関しています。英国の GM4PMK は相関リストを作成しており、同様の .pdf リストも利用できますが、これらのリストは完全ではありません。

集積回路

一般に、集積回路パッケージは、製造元固有のプレフィックスを含む完全な部品番号、または部品番号の重要な部分と製造元の名前またはロゴを刻印できるほどの大きさです。

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