電子タイプ、プロセス、アプリケーション、および利点における表面実装技術

表面実装技術 (SMT) は、プリント基板 (PCB) の表面に小さな部品を直接配置することで電子回路を組み立てる最新の方法です。この技術は、そのスピード、精度、そして今日のあらゆる業界で使用されているより小型、軽量、より強力な電子デバイスを作成できる能力により、古い技術に取って代わりました。

カタログ

図 1. 表面実装技術とは何ですか?

表面実装技術とは何ですか?

表面実装技術 (SMT) は、コンポーネントがプリント基板 (PCB) の表面に直接実装される電子回路の製造に使用される方法です。表面実装デバイス (SMD) として知られるこれらのコンポーネントは、従来のスルーホール部品よりもはるかに小さく、高速機械によって自動的に配置できます。SMT では、コンポーネントのリード線に穴を開ける必要がなくなり、プロセスがより速く、よりコンパクトになり、コスト効率が高くなります。これにより、今日のエレクトロニクスにとって重要な要件であるより多くの機能をより小さな回路基板に詰め込むことができます。

SMTの歴史と発展

図2. SMTの歴史と発展

SMT の進化は、小型化と自動化に対するエレクトロニクス業界の需要と結びついています。

1960年代: 表面実装の初期の形式はハイブリッド回路に見られます。これらはほとんどが実験的なもので、手動で組み立てられていました。

1970年代: 最初の自動装着機が開発されました。部品メーカーは、表面実装に適した短いリードを備えた部品の生産を開始しました。

1980年代: 業界で広く採用されています。コンピュータ、計算機、通信機器が小型化するにつれて、SMT がスルーホールに代わって主要な方法になりました。

1990 年代～2000 年代：SMTは世界標準になりました。ピックアンドプレース機械はより高速かつ正確になり、コンパクトな電子機器の大量生産が可能になりました。

今日：SMTは、コンポーネントの小型化、鉛フリーはんだ付け、AIによる品質検査などにより進化し続けています。

表面実装技術の動作原理

図 3. 表面実装技術の動作原理

表面実装技術 (SMT) は、はんだペーストを使用して電子部品をプリント基板 (PCB) の表面に直接取り付けることを中心に展開されています。 まず、はんだペーストの層 小さなはんだ粒子とフラックスの混合物が、コンポーネントが配置される PCB 上の特定の領域に塗布されます。 次に、自動ピックアンドプレイス 機械は、これらのはんだ付けされたパッド上に表面実装デバイス (SMD) を正確に配置します。組み立てた基板は、 次にリフローオーブンを通過させます、熱によってはんだペーストが溶け、冷えるにつれて強力な電気的および機械的結合が形成されます。このプロセスにより、最新の電子回路の高速かつ正確な完全自動アセンブリが可能になります。

表面実装技術の組み立てプロセスのステップ

図 4. はんだペーストの印刷

ステップ1. はんだペーストの印刷

ステンレス鋼のステンシルを使用して、PCB パッドにはんだペーストを塗布します。ペースト層の厚さは、はんだ接合の品質を決定します。

図 5. コンポーネントの配置

ステップ 2. コンポーネントの配置

自動ピックアンドプレースマシンは、ビジョンシステムを使用して各コンポーネントを識別し、正しい位置と方向に配置します。1 台のマシンで 1 時間あたり数万個のコンポーネントを配置できます。

図 6. リフローはんだ付け

ステップ3. リフローはんだ付け

組み立てられた基板は、マルチゾーン リフロー オーブンに移動します。温度は徐々に約230～250℃まで上昇し、はんだが溶けます。冷却されると、コンポーネントのリードとパッドの間に固体の接合が形成されます。

図 7. 検査と品質テスト

ステップ 4. 検査と品質テスト

はんだ付け後、自動光学検査 (AOI) システムが基板をスキャンして、はんだブリッジや部品の位置ずれなどの問題がないか確認します。

図 8. 再加工または修理

ステップ 5. 再加工または修理

欠陥が検出された場合、熟練技術者がリワークステーションまたは熱風ツールを使用して、基板に損傷を与えることなくコンポーネントを取り外して交換します。

表面実装部品の種類

図 9. 受動部品

受動部品

• 抵抗器: 電流を制限または制御する小さな長方形のチップ。

• コンデンサ: エネルギーを蓄積および放出し、信号をフィルターし、電圧変化を滑らかにします。

• インダクタ: 電流の流れを管理し、電力回路と通信回路の信号をフィルタリングします。

図 10. アクティブなコンポーネント

アクティブコンポーネント

• 集積回路 (IC): QFP、SOIC、BGA などのパッケージに入ったマイクロコントローラー、プロセッサー、アンプなどの小型チップ。

• ダイオードとトランジスタ: 電流の方向の切り替え、増幅、制御に使用されます。

表面実装技術の一般的な欠陥

欠陥	原因	効果
墓石設置	両方とも半田溶けムラ 終わる	コンポーネントは直立します
はんだブリッジ	余分なはんだペーストまたは 位置ずれ	パッド間のショート
はんだ不足	ペースト量またはステンシルが少ない 閉塞	弱い関節
位置ずれ	配置のずれや振動	接続不良
ボイドまたははんだボール	不適切なリフロー温度	信頼性の低下

SMTのメリットとデメリット

利点

• コンパクトなデザイン: 小型基板上で高いコンポーネント密度を実現します。

• 生産の高速化：自動化により組立時間を大幅に短縮します。

• コスト効率: 人件費と材料使用量の削減。

• パフォーマンス: リードが短くなり、経路が小さくなることで、信号損失とノイズが減少します。

• 一貫性：自動組立により均一な品質が保証されます。

短所

• 難しいやり直し: 小さなコンポーネントは手動で修復するのが困難です。

• 熱応力：熱に弱い部品はリフロー時に影響を受ける可能性があります。

• 初期投資: 機械やステンシルのセットアップ費用が高額です。

• すべてのコンポーネントに適しているわけではありません: 大型のトランスやコネクタでは、依然としてスルーホール アセンブリが必要な場合があります。

表面実装技術の応用

図 11. 表面実装技術の応用

• 家庭用電化製品

SMT は、スマートフォン、ラップトップ、タブレット、ウェアラブルなどのデバイスで広く使用されています。これにより、メーカーは、パフォーマンスとエネルギー効率を維持しながら、強力なコンポーネントを薄型軽量設計に組み込むことができます。

• 自動車

最新の車両は、電子制御ユニット (ECU)、インフォテインメント システム、エアバッグ センサー、および先進運転支援システム (ADAS) に SMT ベースの回路基板を使用しています。これらのコンポーネントは、車両操作の安全性、効率性、自動化を保証します。

• 産業オートメーション

産業環境では、SMT は制御システム、IoT デバイス、ロボット工学、電源管理ボードに不可欠です。精度と耐久性が重要な環境において、高い信頼性、長い動作寿命、コンパクトな統合を可能にします。

• 医療機器

SMT は、ポータブル モニター、診断センサー、補聴器、埋め込み型医療機器において重要な役割を果たしています。コンポーネントのサイズが小さいため、患者のケアと遠隔監視をサポートする小型、軽量、信頼性の高い医療ツールが可能になります。

• 航空宇宙と防衛

航空宇宙および防衛用途では、SMT はナビゲーション システム、レーダー ユニット、飛行制御ボード、衛星電子機器に使用されます。高い耐振動性、耐久性、極端な温度への対応能力により、ミッションクリティカルなシステムに最適です。

SMTとスルーホールの違い

パラメータ	SMT (表面実装技術)	THT (スルーホール技術)
取付方法	プリント基板表面上	ドリル穴を通して
コンポーネントのサイズ	小さくてコンパクト	大型コンポーネント
組み立て	自動化	手動または半自動
修理可能性	難しい	より簡単に
機械的強度	中等度	高
生産速度	速い	遅い
コスト効率	量産向けに高い	人件費が高い
アプリケーション	消費者、自動車、エレクトロニクス	プロトタイプ、高出力回路

結論

表面実装技術は、デバイスをよりコンパクト、信頼性、効率的にすることでエレクトロニクス製造に変革をもたらしました。スマートフォンから医療ツール、航空宇宙システムに至るまで、SMT は最新のイノベーションを可能にします。技術が進歩し続けるにつれて、世界中でより高速でスマートな電子製品を作成する上で SMT は今後も重要であり続けます。