オフィスでのDIY SMTアセンブリ完全ガイド

この記事では、ちょっとした秘密をお伝えしたいと思います。SMT（コンパイルマスク）プロトタイプ基板の組み立ては簡単なだけでなく、必要な設備もほとんど必要ありません。ステンシルだけを使用して、0.3 mmピッチのICや0201（インペリアル）サイズの受動部品までのプロトタイプを簡単に渡すことができます。小さなウェーハスケールの部品は確かに困難ですが、定期的に生産されるプロトタイプのほとんどは、両面基板も含めた生産品質で、数時間で手作業で組み立てることができます。現在、はんだ付けステーションを使用してSMT基板を手作業で組み立てている場合は、すぐにこれを中止し、代わりにステンシルを使用し始めるとよいでしょう。

ほとんどの低コストのプリント回路基板製造業者は、基板のサイズに応じて、フレームなしのステンシルサービスを約5ドルから25ドルで提供しています。この記事で使用しているステンシルと基板は、JLCPCBから購入していますが、他のサプライヤーでも同等のステンシルを販売しています。地元の基板サプライヤーに基板を急いで注文する場合、ほとんどの大陸に、低コストのフレームなしのカプトン、アセテート、またはステンレス鋼のステンシルを販売する会社があります。また、CO2レーザーカッターをお持ちの場合は、アセテートコピー機用透明シートからステンシルを簡単に作成できます。ただし、この記事ではこれについて詳述しません。

ステンシルを使用すると、SMT基板のアセンブリが非常に簡単になり、各部品をはんだ付けするよりもはるかに速く、作業がはるかにシンプルになります。ステンシルを使用すると、BGA部品や、はんだごてが届かない中心部の下に露出パッドがあるリードレスパッケージなど、手はんだ付けが不可能な部品を使用して組み立てることができます。簡単な工具を使い、各部品を個別にはんだ付けするよりもはるかに少ない労力で、ピック・アンド・プレイス・ラインから取り出したような基板を、ピック・アンド・プレイス業務の見積もりを取るよりも短時間で作ることができます。。

工具と消耗品

電子ラボの設備がどれほど充実していても（または全く整っていなくても）、最小限の設備さえあれば、素晴らしい品質の基板を独自に組み立てることはできます。おそらく必要なものはすでにお持ちだとは思いますが、持っていない場合でも、非常に安価に入手できます。このプロセスは、これから始めようとする学生にも、多国籍企業でプロトタイプを迅速に作成しようとするプロのエンジニアにもお勧めの方法です。

工具や消耗品に加えて、非常に明るいワークスペースが必要です。適切な照明のない部屋で小さな部品を扱うとすぐに目が疲れてしまうかもしれません。私は動画撮影用に設計された2つのLEDライトパネルを作業台の上に取り付けていますが、高品質の拡大ランプも非常に役立ちます。拡大機能を使用する必要があるほど小さな部品でなければ、息でレンズが曇ることがないため、照明からレンズを取ってしまうとよく見えるようになります。

始めるには、はんだペーストが必要です。T4メッシュのLoctite/Henkel GC 10は、SMT手作業に最適です。室温で保管できるため、基板のリフローを正常に実行しながら、SMT手作業でのアセンブリを完了するまでに数時間かかります。これは鉛フリーのSAC305はんだで、優れた結果をもたらします。

はんだペーストの取り扱いや後始末には、ニトリル手袋が必要です。この工程は少し汚れが出ますが、手に付着した粘着性のはんだペーストを取り除くよりも手袋を捨てる方がはるかに簡単です。

はんだペーストをきれいにするには、消毒用アルコールまたはイソプロパノール（別名、イソプロピルアルコール）が必要です。これにより、ステンシルのクリーニングが簡単になります。また、後で物を拭くためのペーパータオルも必要になります。

ペーストを塗布するには、スキージーのようなものが必要になります。私は通常、不要になった店舗の会員カードなど、クレジットカードサイズのプラスチックを使用しています。スクレーパーやヘラなどの金属製の工具は破損の原因となりますので避けてください。使用するスキージーは、できれば版材よりも柔らかいものを使用してください。そうすれば、貴重なステンシルが交換可能なスキージーに損傷を与えることがあっても、その逆は避けられます。

基板を正確に取り付けるには、基板と同じ厚さで基板を所定の位置に保持するものが必要です。この記事では、3Dプリントされたサラウンドをいくつか使用しています。ただし、レーザーカットした1.587mmのアクリル板を使用したり、未実装の予備/スクラップPCBを使用したりすることもできます。3Dプリントしたサラウンドを使用する利点は、外側にリップを追加したことで、サラウンドを取り付けるために使用しているマスキングテープをサラウンドの上部よりも低い位置に貼れることです。サラウンドは基板を所定の位置に正確に保持するだけでなく、作業中にステンシルが曲がったり回路基板から離れたりすることがないようにステンシルをサポートします。

この記事では、基板の実装にレーザーカットしたアクリル板を使用しますが、これは私にとってとても都合がよいからです。これまでは、ほとんどの場合、すべてのものをテープで机に貼り付けていました。マスキングテープなら何でも使えますが、私は幅3.8センチの薄くて頑丈な3Mテープを使用しています。一般的なマスキングテープよりも幅が広いため、作業がはるかに楽になります。

ペーストを基板に塗布したら、部品を配置するために高品質のピンセットが必要になります。私はSwanstrom 7-SAHピンセットを使用しています。これは、長時間使用しても快適な大きなパッド付きグリップが特徴です。高品質のステンレス鋼で作られているため、SMT部品のカバーテープを剥がすときに使用しても曲がりにくいです。

SMT部品を基板に配置した後、基板を加熱してはんだを溶かす必要があります。この作業には特別なものを使う必要はありません。改造したピザ/トースターオーブン、または電気フライパンで完璧に機能します。私は通常、安価な858D熱風リワークステーションを使用しているので、はんだを溶かすために基板全体を移動して加熱する必要があります。その結果、各基板のリフローには少し時間がかかりますが、この安価なツールをすでに持っているので、活用しています。ESDマットと作業台を熱から守るためにシリコン製のクッキングマットも使用しています。貴社の基板に非常に大きなグランド注入、厚い銅、または複数のグランド層がある場合は、予熱プレートとして低コストの電気フライパンを使うとよいでしょう。その後、熱風リワーク工具を使用して、はんだをリフローのピーク温度まで上げることができます。

PCBのフレーミング

私はまず、作業台にプリント基板を並べることから始めています。ペーストを塗布する基板を完全に拘束するために、サラウンドの4側面がしっかりとフィットするようにしたいと考えているからです。ステンシルを上に置いたときにステンシルを支えることができるよう、すべての面にサポートが必要です。基板自体の厚さと同じである必要があります。

マスキングテープは薄くて剥がしやすいので、サラウンドを固定するのに使います。

サラウンドを所定の位置に配置したら、SMTステンシルを所定の位置にテープで留める必要があります。ステンシルの背面にテープを使ってヒンジを作ることで、ステンシルがパッドと正確に揃うようになります。極端に小さい部品、間隔が狭い部品がある場合は、位置合わせが非常に重要になります。ステンシルの位置が少しでもずれていると、0201パッドが完全に無意味になってしまいます。幸運なことに、ステンシルのすべての開口部に明るい光沢のある金属が見え、ソルダーマスクが見えなくなるまでステンシルを少しずつ動かし続けることで、ステンシルを簡単に揃えることができます。

SMTステンシルの背面にも、ヒンジで固定されているステンシルの背面がペーストを塗布するPCBと正確に同じ高さになるように、サポート材が必要です。SMTステンシルを正確に位置合わせしたら、裏面にマスキングテープを貼り付けて所定の位置に保持します。こうすることで、印刷したばかりのペーストを汚すことなく、ステンシルを基板から持ち上げることができます。

ペーストの塗布

スクリーン印刷を行ったことがある方は、はんだペーストの塗布に関してはすでに専門家であることでしょう。これはまったく同じプロセスです。スクリーン印刷を行ったことがなくても心配はいりません。作業はとても簡単です。

まず、スキージー上に適度な大きさのはんだペーストの塊を集めます。私はクレジットカードサイズのプラスチックを使用し、スキージーの幅全体にわたって圧力が均一になるように狭い側を使用します。スキージーを使用して集めたペーストは、全幅を比較的均等にカバーする必要があります。

片手でステンシルをサラウンドに押し付け、完全に平らで基板上に正しく配置されるようにします。作業が完了するまで、この手を持ち上げたり動かしたりしないでください。

まず、スキージーをステンシルの反対側のステンシル開口部の上に置きます。ペーストの最初の部分は、ステンシルの開口部ではなく、サラウンドのステンシルのカットされていない部分に塗布する必要があります。しっかりと圧力をかけて、スキージーを自分の方に引くようにして使用します。スキージーについた余分なはんだは、ステンシルになすりつける必要があります。作業完了後にはんだペーストの汚れが多少残ってもまったく問題ありませんが、ステンシルの開口部が完全に埋まっていないのは問題です。この問題が発生した場合は、ステンシルがまったく動いたり持ち上げたりしないことを確認して、もう一度やり直します。

ステンシルの開口部がすべて正しく埋められたら、スキージーを垂直に保ち、ステンシルの上を簡単にきれいにします。具体的には、余分なソルダーペーストをきれいにするだけで十分です。これにより、すべてのステンシル開口部がはんだペーストでふちまで満たされた状態になります。このステップ中にはんだペーストを強く押し込みすぎると、ペーストの一部が開口部から引き出され、一部のパッドにペーストが不足したままになる可能性があります。一般に、はんだペーストは少なすぎるよりも少し多すぎる方がよいでしょう。

ステンシルが比較的きれいになったら（これを達成するまでに何回もきれいにする必要ありません）、汚れたスキージーをペーパータオルの上に置きます。この時点ではまだ片手でステンシルに圧力を加えておく必要があります。それをすぐに動かせる状態になることだけを知ってください。ステンシルの残りの部分に圧力を加えながら、ステンシルの前面をまっすぐ上に持ち上げます。ステンシルをできるだけまっすぐに持ち上げながらゆっくりと外します。ステンシルを横に動かすと、はんだペーストが汚れてしまうので横向きの動きは避けてください。

ステンシルが基板から完全に持ち上げられたら、はんだペーストを検査します。ペーストの各パッドのトップがきれいに平らになっているはずです。ペーストがきれいになっていない場合（間隔が狭い部品を徹底的にチェックすることを忘れないでください）、最初からやり直す必要があります。イソプロパノールに浸したペーパータオルを使用して基板からはんだペーストを完全に拭き取り、プロセスを最初からやり直します。同様に、パッドがきれいな平らに見えても、パッドとパッドの間のはんだがきれいになっていなければ、ペーストを塗布しているときにステンシルが浮き上がっています。繰り返しますが、基板を徹底的にきれいにして、やり直す必要があります。

ペーストを塗布してステンシルを持ち上げる技術を習得すると、SMTの成功率が非常に高くなり、基板からペーストを除去する必要が生じることはほとんどなくなります。

基板にSMT部品を実装する前に、回路基板があった場所にペーパータオルを敷き、イソプロパノールに浸したペーパータオルでステンシルを拭きます。ステンシルをきれいにすることを忘れて、後で拭き取るのがほぼ不可能な堅いはんだペーストで覆われていることに気づくよりも、作業を進めながらきれいにするほうがはるかに簡単です。

PCBの実装

回路基板に多くの部品を手ではんだ付けしたことがある方なら、次のステップを気に入ってくれるはずです。比較するととても簡単です。

あとは、部品表をチェックし、部品を基板に置くだけです。湾曲したピンセットを使用すると、配置の順序をあまりよく計画する必要がないので、作業がずっと簡単になります。ピンセットを使用すると、他のSMT部品にもかなり簡単に手が届くようになります。

どの部品が他の部品を組み立てる際の邪魔になりそうなのかを判断し、最後に配置する計画を立てる前に、Altium を使用して基板の3Dビューを確認することをお勧めします。基板上に部品の高密度領域がある場合は、最も重要でアクセスが困難な部品を最初にそれらの領域に配置します。抵抗やコンデンサなどのSMT部品は、位置合わせがそれほど重要ではないため、これらの領域の最後に配置できます。パッドにアクセスするのが難しい場合は、パッドをできるだけ適切な場所に置き、正しい場所に押し込むとよいでしょう。

コイル、アルミニウムコンデンサ、表面実装コネクタなどの大きな部品は最後に配置します。これらは、他のSMT部品を配置するときに邪魔になる可能性が最も高くなります。

部品の配置は重要ですが、プロジェクトの成否を決めるほどではありません。一般に、部品のリードがはんだペーストに接触している限り、位置合わせは問題なしとみなされます。これにより、リードレス部品を予想より簡単に取り付けることができます。部品がフットプリント上にほぼ正確に配置されている限り、はんだが溶けると自動的に解決されます。各部品を所定の位置に配置したら、フラックスとの接触が良好であることを確認するために、慎重にペースト内に押し込みます。これにより、部品を回避するときに誤って部品をパッドにぶつけて外してしまうことがなくなります。また、熱風を使用して基板を加熱する場合、部品が粘着性のフラックスと十分に接触していると、熱風が少し近づきすぎた場合でも誤って基板から部品が吹き飛ばされる可能性が低くなります。

手が震える場合、極小部品を配置するのが非常に困難になることがあります。部品を完全に位置合わせするのが難しい場合は、右手でピンセットを持ちながら、左手でピンセットを支えます。この両手操作により揺れが軽減され、より細かいモーター制御が可能になります。これは、間隔が狭い部品や極小部品を配置するのに非常に役立ちます。

ディナータイム

すべての部品が基板上に正しく配置されたら、この作業で一番楽しいプロセス、つまり基板を加熱していきます。

先に述べたように、この記事では、このプロセスがいかに安価かつ簡単にできるかを示すために、非常に安価な熱風リワークガンを使用しています。シリコンクッキングマットの上に基板を置き、リワークステーションを350^oCに設定し、エアフローを最大に設定して基板を加熱し始めます。

まず、基板から適度な距離を置いて、基板のすべての領域を移動しながらヒートガンで加熱します。まず、基板全体を温めて、より大きな銅の領域と銅箔を加熱します。基板上に大きなコイルやトランスがある場合は、大量の熱を送り込む必要があるため、それらも温める必要があります。基板を加熱すると、フラックスの液体が増え始め、はんだペーストが光沢を帯びてくるのがわかります。ここでの目的は基板を加熱することですが、フラックスが失われるほど基板を加熱しないでください。

ペーストがすべて美しく光沢が出てきたら、ヒートガンを近づけます。ただし、熱源からの距離は3.5～ 5センチ程度に保ちます。ここで、近づきすぎないないように注意してください。ヒートガンが必要以上に高温に設定されていると、SMT部品やPCBが損傷する可能性があります。はんだが溶ける前に、小さな部品をパッドから吹き飛ばすこともあります。まずは、最初の部品セット上で小さな円を描くようにガンを動かします。部品とそのパッドをはんだの融点まで加熱し、大量の銅の流し込みを加熱して、これらの領域に接続されているピンが同時にリフローされるようにすることが目的です。私はどの基板にもサーマルリリーフを使用したことがありませんが、このローテクなアプローチを使用して基板を均一にリフローしてもまったく問題はありません。

個人的には、はんだペーストが溶けて光沢があり、部品がフットプリントの中心に配置されるのを見るのが大好きです。その領域のすべてのパッドのはんだが完全に溶けたら、さらに2～3秒間その領域を加熱し続けてから、熱を近くの他の領域にゆっくりと移動させます。あまり速く動かしすぎると、はんだがすぐに冷えてしまいますので注意してください。逆に、熱の滞留時間が長すぎると、はんだが酸化しすぎてしまいます。

はんだがリードレス部品の下で溶けたかどうかわからない場合は、ピンセットを使用して慎重に少しずつ押してください。溶けたはんだの上に置かれた部品は横に浮き、はんだが溶けると表面張力によって跳ね返されます。溶けていないペースト上にある部品は、簡単には脇に寄せられず、ピンセットを遠ざけても中心に戻りません。

SMT部品が正しく整列されておらず、リフロー中に意図しない角度にずれてしまった場合は、ピンセットを使用して正しい位置にカチッと収まるまで浮かせて戻すことができます。はんだが溶けている間、ピンセットで部品をつついて、自由に部品を移動できます。部品が正しい位置に配置されていれば、溶けたはんだの表面張力により、部品がフットプリントの真上に配置され、通常はピンのブリッジが発生しません。ピンが目に見えてブリッジしている場合は、後でフラックスとはんだごてを使って修正することも、はんだが溶けている間に部品を基板から持ち上げて、元の位置に戻すこともできます。ピンがブリッジしている場合は、通常、基板上のはんだペーストが多すぎることを示しています。

繰り返しになりますが、問題を解決するときは、対象箇所に長時間熱を加え続けないように注意してください。はんだが酸化しすぎて、接合の品質が低下する可能性があります。数秒で解決できないと思われる問題が発生し、後ではんだ付けステーションで修正できないと思われる場合は、そのまま放置してください。基板のリフローが完了したら、加熱する領域の部品にゲルフラックスを塗布し、近くにある他の部品をカプトンテープでマスキングし、その部分を再度リフローします。ゲルフラックスを使用すると、間違いを修正したり、はんだから酸化物を除去したりする時間を与えてくれます。ただし、ゲルフラックスは扱いが非常に面倒で、後で多くの洗浄が必要になります。

最終作業

この特定の基板では、1つの部品（コンデンサー）を注文するのを忘れていました。幸いなことに、別のSMTプロジェクト用に用意していた、同じ値および定格のコンデンサーが余っていました。唯一の問題は、パッケージがはるかに小さいことでした。この基板の場合、後でこのコンデンサーをはんだ付けするだけで済みましたが、リフロー作業でまだ温かいうちに部品を基板にはんだ付けする方がはるかに簡単です。スルーホールパーツを追加したり、最後の修正が必要な場合は、常に余熱を利用してください。

両面基板

両面基板をはんだ付けするには、反対側でもまったく同じ手順を行う必要があります。基板のサポートを構築して底面に部品用のスペースを作るか、このPCB用のアクリル板で行ったように土台からポケットを切り取ってください。最初に最も重要でない極小部品を側面にはんだ付けすると、溶融はんだの表面張力が部品を保持するため、部品が脱落する問題が起きにくくなります。最も複雑な面は、2度目の加熱時に残しておく方が簡単です。

2度目の加熱時に底面の部品が剥がれたり位置がずれたりすることが特に心配な場合は、2番目の面にTin Bismuthはんだペーストを使用してください。その融点はSAC305ペーストよりもはるかに低いため、SnBiペーストが正常にリフローされるまで、底面のはんだは熱全く影響されなくなります。

プロジェクトがうまくいくように祈っています。

この記事で、基本的な低コストのSMTラボツールを使用した基板のリフローが比較的簡単で、しかも高品質の結果が得られることを伝えられていたら幸いです。ステンシルを使ったことのない多くの人は、私が0201部品や非常に細かい間隔のリードレス部品を手作業で加工していることに驚きます。しかし、実はこの作業は誰にでもできる簡単なものです。シンプルなステンシルと高品質のペーストを使用すると、SMTで達成できることに驚かれることでしょう。基板を実装するときは、はんだ付けステーションのスイッチをオフにしておきます。これを行うには、各部品を個別にはんだ付けするよりも効率的な方法があります。

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