図解プリント基板の歴史

最初のプリント基板（PCB）は、1930年代にポール・アイスラーによって開発された。彼は工学を学び、雑誌編集者を経て電気工学の分野に進んだ。アイズラーは、紙に印刷することで新聞以外の用途にも使えるというアイデアを持っていた。彼は、ロンドンのハムステッドにある小さなワンルームのアパートでこのアイデアを開発した。

ムー・エイブラムソン

プリント基板の歴史は、多くの技術開発の影響を受けてきた。最初のプリント基板のいくつかは、自動組立プロセスの開発に貢献したコンピューター・エンジニアのモー・エイブラムソンによって作られた。アブラムソンはまた、銅箔の相互接続パターンとディップはんだ付け技術も開発した。彼のプロセスは後に改良され、プリント回路基板の標準的な製造工程につながった。

プリント回路基板は、電子部品を機械的に支持し、電気的に接続する回路である。通常、2層以上の銅板から作られる。その製造工程は、より高い部品密度を可能にする。また、電気接続用のメッキスルーホールもある。より高度なPCBには、電子部品が組み込まれています。

スタニスラウス・F・ダンコ

プリント基板の歴史は20世紀半ばにさかのぼる。それ以前は、電子部品にはリード線があり、プリント基板のトレースに直接はんだ付けされていた。最初の自動組立プロセスは、米国信号部隊に所属していたモー・エイブラムソンとスタニスラウス・F・ダンコによって開発された。彼らはこのプロセスで特許を取得し、以来プリント基板製造の標準的な方法となった。

プリント回路基板は電子機器の重要な一部である。19世紀半ばのささやかな始まりから、今では当たり前のものとなった。その進化は、消費者の要求の高まりによってもたらされた。今日の消費者は、電子機器から即座の反応を期待している。1925年、チャールズ・デュカスは配線の複雑さを軽減するために「プリント・ワイヤー」と呼ばれるプロセスを開発した。1943年、ポール・アイスラー博士がオーストリアで最初の動作可能なPCBを製造した。

ハリー・W・ルービンシュタイン

プリント回路基板の歴史は、1927年から1946年までグローブ・ユニオンのCentralab部門で研究科学者兼重役を務めたハリー・W・ルービンシュタインという人物によって大きく形作られた。ルービンシュタインはCentralabに在籍中、ローラースケート、スパークプラグ、蓄電池の改良など、いくつかの技術革新を担当した。しかし、彼の最も有名な発明はプリント電子回路である。

プリント基板の歴史は1900年代初頭に始まり、当時は電子部品をプリント基板にはんだ付けしていた。プリント基板にはリード線用の穴が開いており、その穴からリード線を挿入し、基板上の銅トレースにはんだ付けしていた。しかし1949年、モー・エイブラムソンとスタニスラウス・F・ダンコは、部品のリード線を銅箔の相互接続パターンに挿入し、ディップはんだ付けする技術を開発した。このプロセスは後に米陸軍信号隊に採用され、最終的にはプリント回路基板を製造する標準的な方法となった。

表面実装技術（SMT）部品

SMTとは、プリント基板（PCB）の表面に電子部品を直接貼り付ける技術である。これにより、より効率的な生産とコンパクトな設計が可能になります。また、ドリル穴の数を減らすことができるため、製造コストの削減にもつながります。SMT部品はまた、より堅牢で、より高いレベルの振動や衝撃に耐えることができます。

スルーホール部品に対する表面実装技術の主な利点は、高度に自動化され、溶接プロセス中の故障の数が減少することである。さらに、SMT部品はTHT部品に比べパッケージングが非常に安価であるため、販売価格も安くなります。これは、大量のプリント回路基板を探している顧客にとって大きな利点である。

銅の多層構造

複数の銅層を持つプリント基板は、複数の銅箔と絶縁材料から構成される。銅層は連続した銅エリアを表すこともあれば、別々のトレースを表すこともあります。導電性の銅層は、電流を流すことのできる細い溝であるビアを使って互いに接続されています。これらの導電層は EMI を低減し、明確な電流リターン・パスを提供するためによく使われます。プリント回路基板に銅を使う利点を以下に挙げます。

多層プリント基板は単層基板よりもコストがかかる。また、製造も複雑で、より複雑な製造工程を必要とする。コストが高いにもかかわらず、プロ用電子機器では人気がある。

電磁両立性

電磁両立性（EMC）は製品設計の重要な側面です。EMC規格は、製品の安全な動作を保証するための前提条件です。プリント基板の設計は、そのコンポーネントや環境と電磁気的に適合していなければなりません。通常、プリント回路基板は一度ではEMC規格に適合しません。そのため、設計プロセスでは、最初からEMC規格を満たすことを中心に考える必要があります。

電磁両立性を実現するためには、いくつかの一般的な手法がある。ひとつはPCBにグランド層を設ける方法。もうひとつは、低インピーダンスを実現するためにグラウンド・グリッドを使用する方法である。回路基板のグランド・インダクタンスを決めるには、グリッド間のスペースが重要である。ファラデーケージは、EMIを低減するもう一つの方法である。このプロセスでは、PCBの周囲にアースを投げ、信号がアースの限界を超えて伝わらないようにする。これにより、PCBから発生するエミッションや干渉を低減することができます。

BGA部品のはんだボール問題とその対策

BGA部品のはんだボールの問題は、部品の劣化につながる一般的な問題です。これらの問題は、はんだボールの剥離や酸化によって引き起こされます。幸い、対処法は簡単で、複雑な専門知識は必要ありません。これらの解決策は、部品のさらなる損傷を防ぐのに役立ちます。

はんだボール剥離

BGA部品は、一般に「ヘッド・イン・ピロー欠陥」と呼ばれる、はんだボールに関連した問題を起こしやすい。この問題は、2つの金属表面が機械的に接続されるときに発生し、多くの場合、はんだボールによって接続されます。はんだボールとはんだの接触量は、はんだ付けプロセスや部品に加えられる熱と圧力によって異なります。この欠陥の原因と防止策を理解するために、いくつかの研究が行われてきた。

欠陥のあるBGAは、製品の機能に深刻な影響を及ぼす可能性があります。典型的な救済策は、影響を受けたコンポーネントを新しいものと交換することです。しかし、この解決策には問題と費用が伴います。より良い選択肢は、BGAコンポーネントをリボールすることです。これには、技術者が影響を受けた部品を取り外し、裸の部分に新しいはんだを取り付ける必要があります。

はんだボールの問題を防ぐためには、正しいテストソケットを使用することが重要です。テストソケットには、爪状のソケットと針状のソケットの2種類があります。前者ははんだボールの膨張や変形を引き起こし、後者ははんだボールへの衝撃や摩耗を引き起こします。

はんだボールの酸化

BGA部品のはんだボール酸化の問題は、電子機器製造において増加しつつある問題です。これらの欠陥は、はんだリフロー工程でBGA/CSPコンポーネントのはんだ球と溶融はんだペーストが不完全に融合することによって発生します。これらの欠陥は、鉛フリーおよび錫鉛はんだアセンブリの両方に影響します。しかし、これらの問題を軽減する方法があります。

この問題を避ける一つの方法は、半流動性のソルダーペーストを使うことである。こうすることで、加熱時にボールがショートすることがなくなります。強固なはんだ接合を保証するために、使用するはんだ合金は慎重に選択される。この合金も半流動性であるため、個々のボールが隣接するボールから分離した状態を保つことができる。

はんだボールの酸化を防ぐもう 1 つの方法は、取り扱い中に BGA 部品を保護することです。輸送や出荷の際には、BGA部品が静電気を帯びない発泡パレットに置かれていることを確認してください。これにより、はんだボールとソケットの酸化プロセスを遅らせることができます。

はんだボール除去

BGA部品のはんだボール除去は重要なプロセスです。はんだボールが適切に除去されないと、BGA部品が損傷し、製品が汚れる可能性があります。幸いなことに、BGA部品からボールを除去する方法はいくつかあります。第一の方法は、真空を使用して残留はんだを除去することです。第二の方法は、水溶性ペーストフラックスを使用することです。

多くの場合、最も費用対効果の高い方法はリボールである。この工程では、無鉛はんだボールを有鉛はんだボールに置き換えます。この方法により、BGA部品はその機能を確実に保持します。このプロセスは、特にその部品が定期的に使用されている場合、基板全体を交換するよりもはるかに効率的です。

プロセスを開始する前に、技術者はBGA部品を調査する必要がある。デバイスに触れる前に、はんだボールのサイズと形状を見極める必要がある。さらに、使用するはんだペーストとステンシルの種類を決定する必要があります。その他に考慮すべき点は、はんだの種類と部品の化学的性質である。

はんだボールリボーリング

BGAコンポーネントのはんだボールリボールは、電子アセンブリの再加工を伴うプロセスです。このプロセスには、リフローはんだ付けとステンシルが必要です。ステンシルには、はんだボールをはめ込むための穴があります。最良の結果を得るために、ステンシルは高品質のスチール製である。ステンシルは、ホットエアガンまたはBGAマシンで加熱することができます。ステンシルはBGAのリボール工程に必要で、はんだボールが正しい位置に収まるようにします。

BGA部品をリボールする前に、PCBを準備することが重要です。これにより、部品の損傷を防ぐことができる。まず、PCBを予熱します。これにより、はんだボールが溶融状態になります。次に、ロボット・デボール・システムがマトリックス・トレイから部品の列をピックアップします。はんだボールにフラックスを塗布します。その後、プログラムされた予熱段階を通過する。その後、ダイナミックソルダーウェーブが基板から不要なボールを取り除きます。

多くの場合、BGA部品の再ボール化は、基板全体を交換するよりも経済的です。基板全体の交換は、特に定期的に稼働する機械に使用されている場合、コストがかかる可能性があります。そのような場合は、リボールするのが最良の選択肢です。はんだボールを新しいものに交換することで、基板はより高い温度に耐えることができ、基板の寿命が向上します。