基板実装技術詳細工程及び不良率抑制対策に対する考察

1.基板実装技術の詳細な工程及び応用技術

　基板実装技術は、電子部品をプリント基板（PCB）上に取り付ける技術であり、現代の電子機器において不可欠なプロセスです。この技術は、電子機器の小型化、高性能化、多機能化に大きく寄与しており、さまざまな工程が含まれています。主な工程には、はんだペースト印刷、部品の実装、リフローはんだ付け、検査工程などがあり、それぞれにおいて高度な技術が求められます。

図1 JLCPCBの実装現場状況イメージ

Step1）はんだペースト印刷は、PCB上の部品接合点にあたるパッドに、はんだペーストを印刷する工程です。この工程では、スクリーン印刷技術やステンシル印刷技術が使われます。はんだペーストの量やパッドへの均一な塗布が重要で、これが不均一だと部品の接合不良が発生しやすくなります。

Step2）部品実装工程では、表面実装（Surface Mount Technology:SMT）によって、部品が自動的に配置されます。ピック＆プレースマシンと呼ばれる装置が、高速かつ高精度で部品を基板上に配置します。小型のチップ部品から複雑なIC（集積回路）まで、さまざまな部品が用いられ、設計の複雑さに応じて機械の精度や制御技術が重要です。

Step3）リフローはんだ付けは、部品と基板をはんだペーストで接合するために、基板全体を加熱し、はんだペーストを溶融させる工程です。この工程では、基板を加熱ゾーンに通すことで、はんだペーストが融解し、冷却されると同時に部品が接合されます。温度プロファイルが重要であり、過熱や不足した加熱は、部品の損傷や接合不良につながります。

　検査工程には、自動光学検査（Automated Optical Inspection: AOI）、X線検査、電気的検査などが含まれます。これらの検査工程では、部品の位置や接合状態、配線の通電状態を確認し、製品の品質を保証します。特に、X線検査では、内部構造の確認が可能であり、BGA（ボール・グリッド・アレイ）などの隠れた接合部も確認できます。

　今後の発展方向としては、より高精度かつ高速な実装技術が求められることが予想されます。5G通信やAI、IoT（モノのインターネット）の普及により、電子機器はさらなる高密度化と小型化が進むため、基板実装技術の精度や自動化レベルの向上が不可欠です。また、フレキシブル基板や3Dプリンティング技術の導入により、これまでにない形状や材料を用いた電子機器の実装が可能になることも期待されています。特に、ウエアラブルデバイスや柔軟性を持つ電子製品において、フレキシブル基板の需要は高まっており、これに対応した実装技術の開発が進行中です。

　環境問題に対する意識の高まりから、鉛フリーはんだや低環境負荷材料の使用も進められています。これに伴い、従来のはんだ接合に比べて接合強度や耐久性の課題があるため、信頼性の高い接合技術の確立が求められます。加えて、製造過程におけるエネルギー消費の削減や、リサイクル可能な材料の採用が進められることで、持続可能な基板実装技術が求められています。


2.挿入実装と表面実装の違い及び注意点

　基板実装技術には、挿入実装（Through-Hole Technology: THT）と表面実装（Surface Mount Technology: SMT）の2つの方法があります。挿入実装は、電子部品のリード（脚）を基板に開けられた穴に通し、裏側でリードをはんだ付けする方法です。対して、表面実装は、部品を基板表面に直接配置し、はんだ付けによって固定する方法です。

図2 JLCPCBにおける実装イメージ

　挿入実装は、機械的な強度が高く、大電流を扱う部品や大きな部品に適しています。一方で、基板の両面にわたるはんだ付け作業が必要であり、製造工程が複雑化するというデメリットがあります。これに対して表面実装は、部品を基板表面に直接配置するため、小型化が可能であり、製造コストも抑えられます。しかし、部品のリードが短いため、耐機械的ストレスが低く、接合の強度に注意が必要です。

　注意点として、表面実装では、はんだ付けの際に温度管理が重要です。特にリフロー工程では、はんだの融解温度に対する正確な温度プロファイルを設定する必要があります。また、部品が小型化しているため、実装の精度や自動化技術の進展が今後も求められる分野です。

3.不良率に与える要素と抑制技術

　基板実装における不良率に影響を与える要素はいくつかあります。主な要素は、はんだペーストの印刷不良、部品の誤配置、リフロー工程での温度制御の不備、そして接合部分のクラックや空洞（ボイド）です。これらの不良要因は、製品の品質や耐久性に大きく影響を与えます。

　不良率を抑制するための技術ポイントとしては、まずはんだペーストの印刷精度が重要です。ステンシルの精度や印刷の厚さが均一でないと、はんだ接合部の強度が低下し、不良が発生しやすくなります。次に、リフローはんだ付けの温度管理が重要です。加熱や冷却のプロセスにおいて、適切な温度プロファイルを設定し、部品が正しく接合されるように制御する必要があります。また、AOIやX線検査の活用により、初期段階で不良を検出し、早期対応が可能です。

4.考察とまとめ

　基板実装技術は、現代の電子機器の発展において不可欠な役割を果たしています。挿入実装と表面実装の違いに加え、それぞれの利点と注意点を理解し、製品設計に応じた最適な技術を選択することが重要です。また、不良率を抑制するためには、製造プロセス全体での品質管理が不可欠であり、特に自動化技術や検査技術の進展が求められます。今後も、より高度な電子機器に対応するための基板実装技術の発展が期待されると同時に、環境負荷を低減する持続可能な技術の導入が重要な課題となるでしょう。