組み立てのヒントとコツ

AltiumでPCB設計を最終化し、PCBが届いた後は、ボードの組み立て方を考える時です。大量生産でもプロトタイピング目的でも、設計者は組み立て技術を知っておくべきです。設計レビュープロセスの一部として、ボードが設計に対する組み立て（DFA）の問題に対してチェックされていることを確認することが重要です。この記事の主な焦点は手組み立てになるので、ステンシルやはんだペーストの選択、温度差の課題、コンポーネントのはんだ付けなど、私の経験から様々なヒントやコツを共有します。

はんだペーストステンシルの作成

まず最初に、ステンシルを使用してはんだペーストを塗布することは、シリンジで分配するよりも大きな時間節約になります。世界中のほぼすべてのプロトタイプ回路基板製造所が超安価なフレームレスステンシルを提供しているか、または一部の企業が低コストのプロトタイプを生産するためのスタンドアロンサービスを提供しています。つまり、すべての表面実装コンポーネントを手はんだ付けするよりも、それぞれのペニーの価値があり、同時にはるかに簡単です。

ステンシルの製造には異なるプロセスや材料がありますが、基本的には薄い金属シート、一般的にはステンレス鋼にはんだランドの開口部を持つことです。アートワーク内の最小ピッチサイズに応じて、化学エッチングまたはレーザーカットのステンシルが使用されるかもしれません。設計が非常に細かいピッチコンポーネントを持っている場合、化学エッチングが最適です。最小のパッドサイズもシートメタルの厚さを決定し、正しい量のはんだペースト廃棄のために正しいアスペクト比が保持されるようにします。プロトタイピングと少量生産では、組み立て機械を使用する予定がない限り、ステンシルの周りにフレームが必要ないので、フレームレスステンシルを選択するとコストが削減されます。

異なる視点から見ると、DIYに興味があり、レーザーカッターにアクセスできる場合は、レーザープリンターのトランスペアレンシーからステンシルを製造することもできます。

シートをレーザーカットしようとしたことがあるかもしれませんが、うまくいかず、溶けた混乱になったかもしれません。しかし、ここでレーザープリンターのトランスペアレンシーが登場します。アセテートシートは高温に耐えることができ、適切な厚さを持っています。すべては熱管理に関するものであり、ステンシルのレーザーカット操作を改善するためのいくつかのコツがあります。まず、アセテートシートは軽量なので、プロセス中に簡単に動いてしまう可能性があるため、レーザーベッド上で直接カットしたくありません。私の好みの解決策は、最初の層として水に浸した段ボール箱の平らな部分を使用し、その上に水に浸した普通のコピー用紙を覆います。その上にトランスペアレンシーを追加し、さらに水に浸したコピー用紙を追加します。物を濡らすために多くの水を使うと思うかもしれませんが、レーザービームは水と問題ありません。それどころか、ステンシルが溶けないようにすべてをきれいに冷やします。紙が乾燥しない最小限のレベルまで空気補助を減らし、レンズを清潔に保つことができます。

高性能な機械を使用していない限り、移動速度は低く保ってください。TrotecやEpilogのような高性能な機械であれば別です。一部のレーザーはベルトから跳ね返り、細かいピッチのコンポーネントパッド間の小さなスリットを吹き飛ばしてしまい、角が不正確になることがあります。最後の設定として、パワーレベルはダンボールの最初の層を切るように設定すべきですが、完全には切り抜かないようにして、不必要な熱を発生させずにきれいに切るための十分なパワーがあることを確認してください。

固定とペーストの塗布

ステンシルを手に入れたら、それを回路基板の上に正確に合わせることが重要です。私の場合、以前は古いプロジェクトから余った回路基板をデスクにテープで固定し、枠を形成する方法をとっていましたが、最近ではアクリル板をレーザーカットしてステンシリングを行っています。必ずしもレーザーカットされた表面である必要はありませんが、クリップボードやまな板のような何か硬くて平らなものであれば同じ仕事を果たすはずです。

アクリル板の上でボードを固定するために余ったPCBを使用する代わりに、ステンシルがボードの表面よりも高くないようにするリップ付きの3Dプリントされたボードサラウンドも作成しました。ステンシルがボードの上面に優しく座ることで、プロセス全体を通じてボードがボードに接触している状態を保ち、スミア効果を減らすのに役立ちます。また、ステンシルを別のプラスチックのリザーにテープで固定し、きれいに持ち上げることができるようにするヒンジとして機能させることも有用だとわかりました。ステンシルの反対側の端に余分なテープを使用して、何もがずれないようにすることを恐れないでください。塗布中のアライメントは非常に重要です。3Dプリンター革命の後、正確なDIYアライメントの方法はたくさんあり、これはそのうちの1つに過ぎません。

次のステップははんだペーストの塗布ですが、適切なペーストを使用する必要があります。私はHenkel LoctiteのGC10シリーズをT4またはT5メッシュサイズで使用することを好みます。メッシュが細かいほど、小さなパッドに対する塗布がより良くなります。このペーストはいくつかの理由からプロトタイピングに最適です。まず、ペーストが悪くなる前に8時間以上の組み立て時間があります。さらに、室温で安定しているため、必ずしも冷蔵庫に保管する必要はありません。良質のはんだペーストは高価ですが、その使用期限の終わりを遥かに超えても十分に役立ちます。ペーストが期限切れであっても心配しないでください - 期限切れのペーストをステンシルにするのが難しい場合、ゲルフラックスをペーストに追加するだけです。CHIPQUICKのSMD291は、他のどのゲルフラックスよりも私にとって遠く離れた最良の選択であり、期限切れのペーストと期限切れのフラックスを混ぜたものよりも良い組み合わせは考えられません。

全てのパッドにペーストを塗ったら、部品の配置に移ります。私のお気に入りはカーブしたピンセットで、部品を配置する際により良い視認性と精度を提供します。それでも、安価なマルチパックのピンセットはどんな状況でも避けることを強くお勧めします—それらは価値がありません。あなたが探しているのは、ステンレス鋼またはESDセラミックで7SAパターンです。長時間の組み立て作業中も快適なパッド付きグリップがあると、私は大変気に入っています。長時間の組み立てセッション。

組み立てアシスタントで部品を追跡する

組み立て図を印刷することは、どの部品がどこに行くかを追跡する一つの方法です。最近、Altium 365 Assembly Assistantを試してみましたが、これは印刷物よりもはるかに実用的です。仮想ボードの人口と検索機能による良好な視覚フィードバックで組み立ての進行状況を簡単に追跡できます。試してみたい場合はリンクをクリックしてください。印刷物に戻りたくなくなるかもしれません。

基板をリフローすると、表面張力の助けを借りることができ、配置の精度にある程度の自由度が得られます。部品の端子がペーストに触れていれば、リフロー中に部品は直立し、0201パッケージなどの小さな部品を配置する際に作業が楽になります。ICの配置に関しては、端子がペーストと一致していて隣接するパッドに触れていないことを確認し、あとは表面張力に任せます。リフロー中に正しく配置されていなくても心配する必要はありません。もし不安ならば、はんだがまだ液体のうちにICを軽く押してみてください。それによって、ICは元の位置に戻るか、または位置がずれてしまいます。位置がずれた場合は、拾って再度合わせることができます。

一般的に、温度制御付きのシンプルなホットエアリワークステーションは、ほとんどの基板のリフローに適しています。858Dスタイルのリワークステーションは、私のラボで10年以上にわたってその目的を果たしてきました。それは安価で十分に仕事をこなします。ただし、リフロー中に作業台やESDマットが溶ける可能性があることに注意してください。私は、ボードを温かく保ち、作業台を隔離するためにピラミッドスタイルのシリコン製ベーキングシートを使用しています。リフロー用にトースターオーブンに費用をかける必要はありませんが、もしチェックアウトするなら、オーブンを制御するオープンソースプロジェクトであるpicoReflowを試してみてください。

金属コアや重量級の銅層が多いボードの場合、リフロー工程が少し複雑になることがあります。ボードに十分な熱を加えるのに時間がかかり、はんだが完全にリフローされる前にフラックスが蒸発してしまう可能性があります。リフロー装置だけでは不十分な場合、プリヒーターの使用を検討する必要があるかもしれません。コストがかかっても構わない場合、JBCは最高のプロ用プリヒーターを製造しています。私は比較的低コストの代替品であるQuick 854を使用していますが、加熱エリアと制御が限られています。また、安価な電気スキレットや鉄板焼きグリルは、プロ用プリヒーターの予算的な代替品ですが、過熱または十分な熱を提供しないという不安定な熱制御が欠点です。

研究室にプリヒーターがある場合は、リフロー工程全体に使用することを検討できます。それらは有能ですが、リフローに使用することは好みません。代わりに、ペーストの浸透温度までボードを加熱し、次にホットエアステーションを使用してボードを選択的に加熱します - 一度に一つのエリアを、これによりはんだの溶解を監視できます。これを行うことで、組み立ての問題に対する再作業時間も短縮され、途中で問題を修正できます。これは、マルチゾーンの産業用リフローオーブンの完全な代替品ではありません。しかし、私のボードのごく一部だけが、トゥームストーニングや配置のずれのような問題を経験します。

スルーホール部品は組み立てプロセスの最後です。ボードが取り扱い可能なほど冷えたら、特にボードに熱量が多い場合は、すぐにスルーホール組み立てを開始するべきです。温かいボードで作業すると、温度差が減少し、はんだ付け中の作業が楽になります。良質のはんだ付けステーションが非常に役立つこと、そして適切なチップ形状の選択が重要であることに言及する価値があります。私は円錐形よりも鑿形のチップを好みます。これは一般的に苦痛よりも価値があります。端子台のように熱量が多いスルーホール部品がある場合、ボードを加熱するよりもリードを加熱する方が挑戦的です。これらを扱うために凹部を持つ特殊なチップの使用を検討してください。チップが部品やリードよりも大きくても、表面張力が大いに役立ちます。私は喜んで3mm幅のチップを使用して0402部品の再作業を行います。

これらのヒントとコツを使えば、スルーホール部品を使ったプロトタイピングよりも、表面実装部品を使ったプロトタイピングの方がはるかに簡単で速くなります。自宅でのプロトタイピングを試してみてください。自分自身で部品数を管理可能な範囲内に保つ限り、それほど時間はかかりません。また、それは一種の瞑想でもあり、私にとっては非常にリラックスできます。多数の部品、ピックアンドプレース組み立てなどの組み立てヒントについては、引き続きフォローアップしてください。

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