和田光弘 私の蘊蓄
技術発展の歴史「表面実装技術とは」
はじめに
ミュージアムには、かつて世界中と交信していた通信機が数多く展示されている。その殆どは真空管式であるためか、大きさは半端でなく大きくて重い。一方、現在広く使われている携帯電話（スマートフォンを含む）は、機能もさることながら、手のひらに載る大きさで、そのギャップの大きさには驚くばかりである。一体、何がどうなってそんなにも小さくできたのか。
無線通信も音声通話も、1993年頃、携帯電話の2G（第2世代）が登場するまではアナログ方式であった。それが2Gで音声波形もデジタル化された結果、データの符号化と圧縮、広帯域化、高速化が可能となり、データ通信の技術発展の波に乗った。CDMA (Code Division Multiple Access: 符号分割多元接続)や FDMA (Frequency Division Multiple Access: 周波数分割多元接続) などのアクセス方式や変調方式などの通信理論は、大学でも教えている。しかし、手のひらに載る通信機を可能にした「表面実装技術」 （Surface Mount Technology、以下 SMT という）は、一部の大学研究室で取り上げている程度で、教えているところが少ない。なぜならそれは「ものつくり」の技術であり、産業用ロボットの開発・設計や SMT の最適条件の割りだしなど、メーカーが現場で経験と工夫を重ねて生み出した技術であり、「企業秘密」として外部には公開していない為である。筆者は、1991年～2008年にかけて、チップマウンターの仕事をしてきたので、学生の皆さんの参考になればと思い、この欄をかりて SMT の概略について説明しようと思う。
SMT で作られた携帯電話
以下に示す写真の携帯は 2007 年製であるが、既に現在と同じ方法で作られていた。
携帯電話を小さく出来たのは、主要な電子回路の IC (Integrated Circuit) 化とチップ部品の使用による。IC パッケージにはいろいろな種類があるが、特に電子機器の小型化に寄与しているものを次に紹介する。これらは SMT によってのみ、基板への装着が可能である。
IC パッケージの種類とチップ部品
- QFP (Quad Flat Package)
写真 4 の円内の IC が QFP である。 QFP には 33x33mm 以上の大型 QFP と 24x24㎜ 位までの QFP がある。 ピンは 32pin～(280pin) で、ピンピッチは、通常 0.4～0.8mm。
写真4: QFP - SOP (Small Outline Package) と BGA (Ball Grid Array)
写真 5 の左側の IC が SOP である。向い合う 2 辺からピンを出したもの。 一方、右側の intel の IC が BGA である。 パッケージの裏面に半球状の電極が数十個並ぶ。 QFP より多数の電極を配置することが可能となり、実装面積を小さくできる。 半田付け部分は見えない為、一度実装したら通常交換修理はできない。
写真5: SOPとBGA - CSP (Chip Size Package)
写真 6 の左上に見える四角い IC が CSP。 右に見える馬蹄形の部品は携帯電話のマイクロホン部分。右側スケールの最小目盛りは 0.5mm なので、CSP は約 5mm 角であることが分かる。 尚、CSP とマイクの間にある長方形の部品は 1005 のチップ部品。
写真6: CSP - チップ部品
従来からあるリード線がついた抵抗やコンデンサーは「リード部品」だが、SMT で使われるのはリード線の無い「チップ部品」である。 よく使われるチップ部品を図 1 に示す。
図1: 携帯に良く使われているチップ部品のサイズ
| 呼称 | 横幅 (mm) | 縦幅 (mm) | 厚み (mm) |
|---|---|---|---|
| 0402 （ゼロヨンゼロニ） | 0.4 | 0.2 | 0.12 |
| 0603 （ゼロロクゼロサン） | 0.6 | 0.3 | 0.23 |
| 1005 （イチマルマルゴ） | 1.0 | 0.5 | 0.35 |
| 1608 （イチロクマルハチ） | 1.6 | 0.8 | 0.45 |
| 3216 （サンニイイチロク） | 3.2 | 1.6 | 0.60 |
現在、一番小さなチップ部品は 0201 である。 マウンターメーカーでは、これを装着できる装置を既に開発しているが、 部品そのものの値段が高い為に、まだ一般には普及していない。 2019 年 5 月現在、スマートフォンに使われているチップ部品は、03015 までである。 なお、サイズ表示には、EIA (Electronic Industies Association) によるインチ表示と JIS (Japanese Industrial Standard) による mm 表示があるが、ここでは JIS 表示を使う。
これらのチップ部品は、紙テープ(写真9)やプラスチックのエンボステープ(写真11)に収納され、リール(写真10)に巻かれた状態で部品メーカーから供給される。それがテープカセットに取付けられて、チップマウンター本体にセットされる。
テープ幅は 8㎜
SMT ラインの構成と各装置の役割
IC パッケージやチップ部品を、プリント基板に装着し半田付けをして完成した基板にする製造ラインを、SMT ラインという。
SMT ラインの構成
SMT が登場してから 2005 年頃まで一般的だったライン構成を図２に示す。 高速マウンター (HM) と異形マウンター (FM) の組合せで構成されていた。
- Loader (ローダー)は、裸のプリント基板をセットしてラインに流す装置。
- Printer (半田印刷機）は、プリント基板上にクリーム半田を印刷(塗布)する装置。
- Dispenser (ディスペンサー)は、接着剤をプリント基板に塗布する装置。 半田だけでは装着に不安のある大型部品は、半田に加えて接着剤で基板に固定する。
- High-speed Mounter (高速マウンター)は、1005 部品などのチップ部品を、特に高速で装着する装置。 ヘッド数個を回転するターレットに取付けて、基板への装着を高速化した。
- Flexible Mounter(異形マウンター)は、IC パッケージや、コネクター、電解コンデンサー、コイルなど、 異形の部品を装着する装置。ヘッドが X 軸方向、Y 軸方向に動くタイプ。
- Reflow oven (リフロー炉)は、半田を熱で溶かして半田付けするコンベア型の装置。
- Inspection System（検査装置) SMT では、一度実装されると後から不良個所が見つかっても手直しが困難な為、 SMT ラインの途中に検査装置を入れて、部品の欠損や曲がり、ずれが無いかを検査する。 一つの SMT ラインに複数台入れる場合があるが、検査装置を増やせば、その分、SMT ラインの設備コストがアップすることと、また、生産にかかる時間が長くなるので良し悪しである。
- Un-loader (アンローダー)は、完成基板を収納する装置。
現在、一般的に使われている SMT ラインの構成を図３に示す。高速マウンターは使われなくなり、代わりにモジュラーマウンターが普及した。
- Modular Mounter (モジュラーマウンター)は、図2 の Flexible Mounter (異形マウンター)が進化したもの。 ヘッドスピードが技術の進歩により速くなり、またヘッドの種類が増えた結果、ヘッド交換により、 小さなチップ部品と異形部品の両方に対応できるようになった。 モジュラーマウンターを２重連、３重連と連結して使うことにより、装着する部品の種類の増加に対応、 ライン全体の装着スピードも速くなった。
各装置の概略
チップマウンター（一般的なモジュラーマウンターの場合）
基本的な構造
プリント基板をベルトで搬送し、中心にあるステージにセットする。その上を、X 軸方向、Y 軸方向のレール上を自由にスライドするヘッドが動き回る。 ヘッドには、チップ部品を吸着する複数個のノズルが取付けられている。 部品はカセットリール(写真10)か又は IC パッケージなどは収納トレイに納まった状態で、マウンターにセットされる。
マウンター内部には、数種類のノズル、画像認識カメラ、基板のたわみをなくすバックアップピンを装着したステージなどがある。
基本的な動き
ヘッドは、先ず吸着しようとする部品に合ったノズルをつかみ、部品吸着ポイントへ移動。部品吸着は、注射針のようなノズルの内部を真空（減圧）にし吸い付かせる。次にヘッドは画像認識カメラの真上に行き、部品の確認、吸着曲がりをチェックし、曲がっている場合にはその角度補正をしながら基板上に行き、ノズルを下降させて部品を基板上に置く。部品をノズルから離すのは、ノズル内部を加圧して行う。携帯電話のような小さな基板は、大きな基板上に数台分を一度に作り、後で割り取る。これを割基板という。1枚の基板には、通常、IC パッケージやチップ部品など、数千点のチップ部品が搭載される。
設計上の難しさ
- 装着精度・・・0402 チップや、ピンピッチ 0.3㎜ の QFP のピン位置がずれない様に装着する必要がある。 装着精度は、条件によるが、±0.025～0.040mm(3σ) 程度。
- 装着スピード・・・装置により異なるが、45,000 CPH (Chip Per Hour)/ヘッドが一般的である。 現在の最速機は、4 ヘッドを搭載して、最適条件下ではあるが 200,000 CPH を達成する。 これは 1 秒間に 55 個のチップ部品を搭載する計算になる。 信じ難いスピードであるが、1 枚の基板上には、普通数千点のチップ部品を装着するので、 これでも基板を 1 枚完成するのには結構な時間がかかる。 生産スピードを更に上げたい場合や、搭載部品の種類が多い場合には、 マウンターを 2 台、3 台と連結して使う。 また、数百～数キログラムの質量のあるヘッドを、X 方向、Y 方向に移動幅をミクロン単位で制御しながら、 瞬時に高速で動かし、瞬時に停止するという動きをさせる為には、十分な G が必要で、強力なサーボモーターが必要。 高速化と静粛性、メンテナンス性向上の為、リニアモーターを使っている機種もある。
- ノズルの下降時の高さ制御と押込み力の加減・・・装着するチップ部品毎にノズルを使い分けるが、 ノズルの最下降時の高さも制御する。 部品を半田ペースト上に置く際には、押し込む量が難しい。 IC パッケージの場合には、全てのピンが水平に押し込まれる必要がある。 特に BGA の場合には、数十個の電極がチップの裏面にあり見えないので、 装置の精度だけが頼りである。 又、CSP のような薄い IC パッケージの場合には、ノズルの押し加減がわずかに強くてもピシッとクラックしかねない。 ソフトマウンティングを高速で行う技術が使われている。
- 各ロボットの同期をとる・・・チップマウンターには、様々な役割をもつロボットが複数台搭載されていて、 お互いに同期をとりながら猛スピードで一斉に動く。 チップマウンターの制御ソフトは、それだけで数万ステップ以上。 更に IoT (Internet of Things) や M2M (Machine to Machine) への展開に伴い、ソフト量は加速度的に増え膨大なソフトになりつつある。
- 段取り替え・・・携帯や PC を主とする一般民生品は、モデルチェンジが頻繁にあり、 その都度装着する部品の入替え、基板上の部品位置情報、バックアップピンの位置変更など、 基板データと部品データを、頻繁に変更する必要がある。段取り替えの容易さも、チップマウンターの大事なポイントの一つである。
- 信頼性とタフさ・・・チップマウンターは、通常、メンテナンス時を除き 24 時間 365 日、連続運転させるのが普通である。 SMT ラインがずらりと並ぶ EMS （Electronics Manufacturing Service: 後述）のマウンター工場では、部品切れ時にテープカセットを交換する為のオペレーターが数人いるだけで、 殆ど無人の広大なフロアーでマウンターだけが静かに稼働している。 信頼性とタフさが、産業用ロボットには要求される。
プリンター（印刷機）
プリンターの原理は、「プリント基板の上に孔を開けたマスクを置き、その上をクリーム半田で スキージ (squeeze) を使って刷っていく」という簡単なものである。
問題は、印刷する半田の孔の径が、極めて小さいこと(例えば 0.1mm φ)。又、大型基板の大きさが 510(L) x 460(W)mm の場合、メタルマスクは、最大 750 x 750mm のサイズ。その厚さは 0.12～0.15mm が一般的だが、0402 チップ用だとクリーム半田の抜けを考慮して厚さ 0.08mm と言われている。そうなるとマスクの“たわみ”がどうしても発生する。“たわみ”は、印刷精度に悪影響を及ぼす。 減らすのには、バックアップピンをつけたステージで、プリント基板が歪まないように 下方から水平に支えるのに加え、マスク自体がプリント基板に吸着するような工夫をする。 現在、あるメーカーのプリンターは、「繰り返し位置合わせ精度」が ±0.010mm(6σ) を保証。 印刷スピードは、10 sec/cycle である。
メタルマスクの材質は SUS (special use stainless steel) 304 で、孔やスリットはレーザー加工機で開けるのが一般的。 スキージの材質は、メタル、ウレタン、プラスチックがあるが、耐久性を考慮して、 通常 SUS 等の金属に特殊コーティングをした物が使われている。 プリンターは、原理は簡単だが精度が要求される精密機械なので、マウンターメーカーが自前で持つ場合が多いが、専業メーカーもある。
ディスペンサー（接着剤塗布装置）
半田による接着だけでは装着力に不安のある大きくて重い部品や、小さくて軽い部品でもラインの途中で基板をひっくり返して 両面装着をする場合には、部品の中心付近をボンドで接着する場合がある。 最近は、ディスペンサーを使う顧客が減ってきており、全 SMT ラインの約3割程度と思われる。 接着剤はシリンジに入れ、温めながらシリンジのノズルから、通常トントントンと点で叩きながら塗布していく。 接着剤の吐出し量を一定に保つことが重要で、塗布スピードは最高 0.07sec/shot。 塗布精度は ±0.05mm。 ディスペンサーは、以前はマウンターメーカーが自前で持つことが多かったが、 現在は、ヤマハ発動機(株)と(株)鈴木(長野県須坂市)の製品がある。
リフロー（リフロー炉）
半田付けの経験がある人は多いと思うが、光沢があり丸みをもった半田付けに仕上げるのには、ちょっとしたコツがいる。 工場では昔「作業認定」という認定制度があって、半田付けについて、飛び半田、ルーズ半田、 過剰半田、冷半田、突起半田、半田不足等のダメ半田を教わった。 SMT による半田付けも基本は同じ。 加えて、SMT ではチップ部品やICパッケージのように、電極間が極めて狭く、ブリッジ不良が出やすい。 ブリッジとは、隣同士の半田が繋がってショートしてしまうこと。
また、半田と言えば、「鉛と錫の合金」が常識であったが、今の(特に SMT で使う)半田には、鉛は含まれていない。 これはRoHS (Restriction of Hazardous Substances) 指令で鉛が有害物質として規制を受け、家電品や PC、携帯などは鉛の使用が禁止されたからである。 では今の半田の成分は何かというと、Ag(3.0%)＋Cu(0.5%)＋Sn(残り)が一般的である。 これは融点が昔の半田よりも高く、光沢の無い冷半田になりやすい。 その為、In (インジウム)や、Bi (ビスマス)を加えたものや、Ge、Co、Si などを微量添加したクリーム半田もある。
フラックス等の有害ガスを廃棄する為、排気ダクトは必須。
リフロー炉は、宅配ピザ屋のコンベヤ型オーブンと同じ原理だが、中は熱風を使い、内部は 10 ブロック以上に分かれて、細かく温度コントロールが出来る様になっている。 熱による部品のダメージが無く、理想的な半田付けに仕上げる為には、 各ブロックの温度分布コントロールとコンベヤのスピードが重要である。 ベテランエンジニアは、搭載する部品の種類と高さをみて経験により設定する。 又、半田付け部分の酸化による経年劣化を防ぐ為、例えば 10 年、20 年経過しても接合部が劣化しないように、 チッソガスでリフロー内部を充填した N2リフローも、一般的に使用されている。 鉛フリ―半田の融点が高くなった為、今のリフロー炉の長さは約 4～6m あり、基板は入ってから出るまで約 5 分程度かかる。
リフローのメーカーは、タムラ製作所と千住金属工業が大手で、両社ともクリーム半田やフラックスも供給している。
外観検査装置
SMT で作られたプリント基板は、出来上がった後で不良個所が見つかっても、部品の交換修理は難しい。 1 個の不良個所の為に、基板に装着された他の部品を全て無駄にしてしまうので、 それを避ける為、ラインの途中で不良基板をはじき、その後の作業工程へは進まないようにする。 1 枚当たり数千点のチップ部品の、全ての半田付け部分をチェックするのは、 目視検査では難しく、認識カメラを使った自動化された外観検査装置を使う。 現在は 3D 外観検査装置が一般的で、部品のずれ、ブリッジ、部品の曲がりなどの他、部品の傾きや浮き具合までチェックできる。
外観検査装置には、プリンターの後に入れる半田印刷検査機と、マウンターの後に入れる外観検査装置がある。マウンターメーカーが自前で作っているところが多いが、専業メーカーもある。
中国、東南アジアの EMS
EMS (Electronics Manufacturing Service、電子機器の受託生産) は、アップルなどのファブレスメーカーの委託を受け、電子機器を生産する。最近の 10～15 年は、技術革新に伴ったスマートフォンやＰＣのモデルチェンジが相次ぎ、それは即ち、チップ部品の微小化や、IC パッケージの多種化やファインピッチ化などであって、EMS は、それらを装着できる最新のチップマウンターを間断なく設備導入する必要があった。 連続する設備投資は、資金的な負担が大きく、結局、現在生き残っている大手 EMS は、Foxconn (工場は中国、本社台湾) と Flextronics (工場はマレーシア他、本社シンガポール)の 2 社である。
SMT の今後
実装技術の高密度化は、半田付けそのものがアナログなので、そろそろ限界ではないかと思われる。 今後は、チップ部品を使った実装基板が 2 階建て、3 階建てに立体的に組まれ、それが一つのモールドで固められて小さなモジュール部品となる、 モジュール化が更に進むであろう。 基板も、高周波基材を使った 8 層以上の多層基板が 5G (第5世代) では使われる。 ミリ波のアンテナを基板上に形成する技術や、センサーモジュールも今後更に進化する。
FPC (Flexible Printed Circuit) は、デジタルカメラやビデオカメラあたりから多用された。 FPC 上に部品を実装し、それを折り畳んで、カメラ内部の隙間に押し込めて製品が作られた。 この FPC の使用頻度が、これからますます増えてくると思われる。 特に、自動車関連では、FPC 基板に各種のセンサーと電子回路が組まれ、 そのままハーネスにもなって車の運転制御ユニットに接続される。 自動車は、今後一層、電子機器や IT をフル装備したインテリジェント・カーになる。 その自動車の進化は、陰で表面実装技術がサポートすることになる。
おわりに
これから産業用ロボットに関わろうという人に一言申し添えたい。 一番注意して欲しいことは、ロボットに近寄る時、静止しているロボットが、 電源 OFF で止まっているのか、あるいは単にコマンドを待っている状態にあるのか、 常に考える習慣を身につけて欲しい。これまでに、ロボットが急に動き出したことによって負傷したという話をよく耳にした。
尚、チップマウンターの実物を見学したい人は、東京ビッグサイトで毎年 6 月に開かれる「実装プロセステクノロジー展」"JISSO PROTEC" に行かれるとよい。 日本ロボット工業会主催の展示会で、装置のデモを間近で見ることができる。又、同じ期間、同じ場所で「国際電子回路産業展」"JPCA Show" もやっている。こちらはプリント配線板技術展である。どちらもSMTの最新の技術情報が得られる。
（第4、第5展示室担当学術調査員 和田光弘）