業界標準ハンダステンシルの設計ガイドライン

はんだペースト印刷はPCB組立における最も重要なプロセスの1つであり、ステンシルの設計ははんだペーストの塗布品質に直接影響します。以前の記事では、ステンシルとその種類について詳しく説明しました。JLCPCBの高度なステンシルオプション（段差付きやナノコートステンシル）は、エンジニアがより高い印刷精度と組立信頼性を達成するのに役立ちます。電子ハードウェア設計において、適切な設計ルールを遵守することは、正しいツールを持つことと同じくらい重要です。この記事では、今日の実用的かつ量産対応のコンテンツを生み出すための主要な設計原則を考察します。

業界標準のはんだステンシルとは？

はんだペーストステンシルは、業界標準のステンシルを使用して塗布され、一般的にはレーザー加工されたステンレス鋼フォイルで、PCBパッドと正確に位置合わせされた微細な開口部が設けられています。これらのフォイルの厚さは通常100µm〜120µmです。SMT組立ラインで一般的に使用されるこれらのステンシルは、ピックアンドプレースマシンや自動ステンシルプリンターとの統合が容易に設計されています。

これらは、厚さの段差などの特殊機能を必要とせず、一般的なSMT要件を満たすように設計されており、IPC、SMTA、IECなどの組織が定める標準に準拠しています。完全な標準を確認するには、こちらのIPCガイドライン for PCBステンシルをクリックしてください。

はんだステンシル設計の考慮事項：

効果的なはんだペーストステンシルの主要な設計特徴は以下の通りです：

• ステンシル厚さ
• 開口部設計
• ステンシル材料と固定
• ステンシル位置合わせ
• PCB設計固有の要件

標準SMTステンシルの7つの主要設計ガイドライン：

1. ステンシル厚さの選択

塗布されるはんだペーストの量は、パターンの厚さに依存します。最もピッチの狭い部品に注目してください。厚いステンシルでは、表面張力の現象により、はんだペーストが開口部の内壁に付着する可能性があります。一般的なガイドラインとして、最小開口部には少なくとも5つのはんだ粒子が含まれることが望ましいです。JLCPCBでは、基板の要件に合わせてステンシル厚さをカスタマイズでき、標準オプションは0.10mm〜0.20mm、特殊オプションは0.03mm〜0.5mmまで対応し、微細ピッチ部品でも正確で一貫性のあるはんだペースト塗布を実現します。

2. 開口部設計ガイドライン

はんだブリッジやはんだビーズなどの欠陥を防ぐために、これは極めて重要です。正確な塗布のため、開口部はパッドよりもわずかに小さく設計されます。しかし、特定の部品では、部品の内側エッジにはんだペーストを少量塗布するため、特殊な開口部形状が必要になり、これにより「ミッドチップ」はんだボールの形成を防ぎます。以下にいくつかの例を示します：

3. 開口部縮小（パッド対開口部比率）

ブリッジや過剰なはんだを防ぐため、開口部は実際のパッド寸法よりもわずかに小さく作られることがよくあります。

• ほとんどの部品では、一般的な縮小率は5〜7%です。
• 信頼性の高い印刷性のため、IPC-7525はステンシル対パッド面積比>0.66を推奨しています。

公式： 面積比 = (開口部面積) / (開口部壁高さ × 開口部外周)

この比率を0.66以上に保つことで、クリーンなペースト離脱を確保します。

4. フィジュシャルマーク

はんだペーストをパッドに印刷する際、パターンをPCBと正確に位置合わせすることが非常に重要です。これは、PCBとステンシルにレジストレーションマークであるフィジュシャルマークを配置することで実現されます。最新の包括的なフィジュシャルマークに関する記事からも分かるように、ステンシルにこれを追加することで正確な位置合わせが保証されます。

5. ステンシルフレームとボーダー

ステンシルには、フレームレス（迅速な試作や手動印刷用）とフレーム付き（アルミフレームに固定）があります。

• 一般的なフレーム寸法は23 x 23インチです。
• 開口部エリアとフレームエッジの距離は少なくとも10 mm確保してください。
• ステンシルの位置、厚さ、部品番号を明確にマークします。

6. ステンシル材料

ステンシルの材料は、開口部からはんだペーストを除去する能力に影響します。ステンレス鋼が一般的に使用されますが、微細ピッチ部品を含むPCB設計では、ステンレスの約1.5倍のコストがかかるニッケルも使用できます。

初代のステンシルは化学エッチングで作られ、大きな開口部には適していましたが、部品サイズが小さくなるにつれはんだの除去が困難になりました。これにより、はんだペースト離脱を改善するより微細な台形開口部を実現するレーザーカットステンシルが開発されました。さらに部品サイズが縮小するにつれ、開口部壁の電解研磨や、後には電鋳によるステンシル製造技術が開発されました。

7. ウィンドウ効果設計：

PCB設計に大きな銅パッドが部品の下に配置されている場合があります。これは通常、パワーエレクトロニクス機器で見られます。この場合、良好な電気接続を確保し、デバイスの熱を逃がすためにウィンドウ効果が使用されます。パッド全体にはんだペーストを塗布すると、デバイスが持ち上がり外側リードが半田付けされない可能性があります。上の画像に示すように、「ウィンドウ効果」設計によりはんだ量を削減できます。

結論：

これらの基本的な設計ガイドラインを守ることで、ほとんどのPCB組立で良好な印刷結果が得られます。JLCPCBでは、PCBメーカーと組立エンジニアがステンシルの設計推奨事項を理解することが重要です。PCBメーカーがステンシルサプライヤーから提供される設計ガイドラインを理解することは重要だと考えています。印刷は組立プロセスの重要なステップであり、この段階でエラーが発生すると、プロセス全体に波及効果が及びます。良好で再現性のある印刷結果を得るためには、必要なすべての考慮事項を盛り込んで設計されたステンシルを使用することが不可欠です。段差ステンシル、電鋳版、ナノコートフォイルなどのより高度な技術を試す前に、PCB設計者と組立エンジニアはこれらの標準プロセスを習得することで確固たる基盤を築くことができます。