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目次

How to Use an SMT Stencil for Flawless Circuit Board Assembly?

PCBA業界において、高品質のはんだペースト印刷の重要性は、アセンブリ精度に直接影響するため、誇張することはできません。電子機器製造の規模が拡大するにつれ、メーカーはその自動化機能によりSMTプロセスを広く採用しています。このプロセスの中で、はんだペースト印刷は初期段階で重要な役割を果たします。 SMTステンシル used is of utmost importance. These stencils facilitate the precise deposition of solder paste onto the circuit board. In this comprehensive article, FSテクノロジー aims to provide a detailed overview of PCBステンシル基本的な概念と設計上の考慮事項をカバーしています。これらの側面を掘り下げることで、お客様のPCBAプロジェクトの品質向上を支援することを目指しています。

What is a Stencil in PCB?

PCBステンシルは、ソルダーペーストステンシル、smtステンシルとも呼ばれ、PCB上にソルダーペーストを正確に塗布することを主な目的としています。 SMD部品 が配置されます。はんだペースト印刷工程に先立ち、これらのステンシルをプリント基板の上に配置し、ステンシルの穴とプリント基板の対応する位置を合わせます。その後、はんだペーストをステンシル上に塗布し、スキージで圧力をかけてはんだペーストをステンシルの開口部から押し出し、はんだパッド上に正確に堆積させます。これらのステンシルは一般的に薄いシートで、金属やポリマー材料で構成され、PCB上のはんだパッドや部品のフットプリントに合わせて、細心の注意を払って作られた切り抜きや開口部が特徴です。
 
ソルダーペーストの流れを妨げないよう、使用前にステンシルの開口部に詰まりがないことを確認することが重要です。さらに、使用後に洗浄することでステンシルの寿命を延ばし、耐久性を向上させることができます。

Why do I Need a Solder Paste Stencil for PCB Assembly?

電子機器製造業界では、PCBA加工工場に対する要求がますます厳しくなっており、高品質の基準だけでなく、一貫した性能も求められています。さらに、顧客は迅速なターンアラウンドタイムを提供できる信頼できるパートナーを求めています。 大規模PCBアセンブリ は、製造施設のキャパシティに課題を抱えている。
 
こうした課題に対処するには、自動化された生産方式を採用する必要があるのは間違いない。一方 スルーホールアセンブリ は自動化に困難を伴うが、SMTは実行可能な解決策を提供する。
 
その中で SMTプロセスフロー, SMT stencils play a vital role in ensuring the accurate and consistent deposition of solder paste onto pads during the manufacturing of PCBA. By aligning with the PCB layout, surface mount stencils enable precise application of solder paste, resulting in uniform solder joints and minimizing defects. Compared to manual printing methods, the utilization of SMT stencils enhances production efficiency, reduces inconsistencies, minimizes material wastage, and facilitates process control and optimization within PCBA factories. Ultimately, this leads to high-quality and reliable PCB assembly.

What are the PCB Stencils Made of?

What are the PCB Stencils Made of?

Frame

The stencil frame serves as a sturdy and supportive structure for the circuit board stencil. It is commonly crafted from durable metals like アルミニウム or stainless steel, ensuring stability during the printing process and securely holding the PCB stencil in place.

Tensioning Mechanism

いくつかのステンシルフレームは、ステンシル材料に張力を加えるために、テンションバーやネジのようなテンション機構を組み込んでいます。この機構はステンシルの平坦性と表面全体の張力を維持するのに役立ち、ソルダーペーストの一貫した均一な成膜を保証します。

Apertures

これは、ソルダーペーストの堆積のサイズと形状を定義するステンシル材料の正確な形状の開口部を指します。はんだペーストの PCBパッドこの開口部により、はんだペーストの正確かつ制御された塗布が可能になります。開口部の設計と寸法は、適切なはんだペースト量とアライメントを決定する上で重要な役割を果たします。

Foil

Typically composed of durable metals like stainless steel or nickel, are selected for their resilience, precision, and ability to withstand the demands of the solder paste application process. Available in various thicknesses, ranging from 0.05 mm to 0.2 mm (or 2 mils to 8 mils), the choice of stencil foil thickness depends on factors such as component size, solder paste volume requirements, and specific application considerations.

Different Types of PCB Stencil

PCB stencils can be categorized in several ways: by manufacturing process, by the frame type, and by special features. Here’s a detailed breakdown of the different types of circuit board stencils:

By Manufacturing Process

Laser-Cut Stencil

FSテクノロジーでは、PCBA業界で広く採用されているレーザー切断をPCBステンシルサービスとして推奨しています。レーザー切断は、高出力レーザーを利用して、ステンシル材料に正確に開口部を形成します。レーザービームが材料を蒸発させ、クリーンで正確な開口部が得られます。この高度な技術は、優れた精度と品質を保証します。
 
レーザー切断ステンシルの主な利点の1つは、そのスピードです。この工程は非常に効率的で、次のようなことを必要とするお客様に最適です。 高速ターンアラウンドPCBアセンブリ.迅速なステンシル製作は、全体的な組立時間の短縮を可能にし、タイムリーなプロジェクト完了に貢献します。

Chemical-etched Stencil

Chemical-etched stencils are produced using an older, subtractive process where a photoresist-coated stencil blank is exposed and then chemically etched away from both sides. This is cost-effective for very simple designs or very thick PCB stencils, but results in less precise, coarser aperture walls with a built-in “hourglass” shape due to two-sided etching. Therefore, they should not be employed for ファインピッチ部品 but may be set aside for PCBs involving larger less dense components where ultimate precision is not crucial.

Electroformed Stencil

Electroformed stencils are the high-performance, high-cost option, constructed by an electroplating process onto a mandrel to create the circuit board stencil layer for layerless build. This creates very smooth, trapezoidal walls of openings to achieve excellent solder paste release. They are typically used on the most stringent assemblies, e.g., ultra-fine-pitch devices and micro-BGAs, where uniform paste deposition is critical. Their high performance, however, comes at a much increased cost and longer manufacturing lead time.

By Frame Type

Framed Stencil

Framed stencils are the production workhorses, with a metal foil stencil tensioned and bonded into a rigid aluminum frame. They provide the stability and ruggedness needed for thousands of prints in an automatic assembly line. They are the interface to automatic printers directly, enabling consistent registration and high-speed operation.

Frameless Stencil

In contrast, frameless stencils are simply foil alone and are intended to be used with a separate, reusable clamping frame. This makes them much cheaper and easier to store, appropriate for プロトタイピング, study, and manual low-volume assembly, in which a permanent framed stencil is not cost-effective.

By Feature Type

Stepped Stencil

Stepped stencils are specialty equipment that overcome the requirement for varying amounts of solder paste on a single board. They consist of areas etched down to place less paste or built up to place more. This is required for boards with mixed technology, e.g., small pitch components alongside large connectors or in order to have sufficient solder on large thermal pads. Although more complex and expensive to produce, they are an essential answer to creating reliable solder joints by way of elaborate board designs.

Nano-coated Stencil

Nano-coated stencils are not a manufacturing process for the stencil but a 表面仕上げ improvement process applied usually to a laser-cut stencil. The process is to apply a super-thin, non-stick coating to the stencil foil that covers the walls and bottom of the apertures. The primary benefit is a huge increase in solder paste release with reduced clogging and a clean print, especially with sticky lead-free pastes. This makes them the perfect upgrade for high-yield production and assemblies with rigorous fine-pitch or passive devices.

SMT Stencil Manufacturing Process

  1. デザインの準備： The initial stage involves meticulous preparation of the SMT stencil design based on the PCB layout. This includes determining the precise aperture sizes と shapes for each solder pad on the PCB.
  2. 素材の選択： The choice of surface mount stencil material is made considering critical factors such as durability, chemical resistance, and ease of handling. Commonly employed materials include stainless steel と nickel due to their superior properties.
  3. 製作： Various fabrication techniques, such as レーザー切断 と chemical etching, are utilized to create the surface mount stencil according to the design specifications.
  4. 清掃と点検： 製造後、ステンシルは徹底的な洗浄と厳密な検査を受け、残留物や汚染物を取り除きます。この入念な工程により、ステンシルの最適な品質が保証され、印刷工程におけるペーストの適切なリリースが保証されます。
  5. フレーミングまたは取り付け： 安定性を高め、印刷工程での取り扱いを容易にするため、ステンシルはしばしばフレームに入れられたり、頑丈な金属やプラスチックのフレームに取り付けられます。フレームはまた、PCBパッドとステンシルの正確な位置合わせを助けます。
  6. ステンシル印刷： ステンシルを準備し、しっかりと取り付けたら、ソルダーペーストの印刷工程に使用します。ステンシルはプリント基板と綿密に位置合わせされ、はんだペーストはスキージやステンシルプリンターなどの技術を駆使して、正確に作られた開口部から対応するはんだパッド上に巧みに塗布されます。
  7. メンテナンス 安定した高品質のペースト印刷を保証するためには、ステンシルの定期的なメンテナンスが最も重要である。これには、定期的な洗浄、徹底的な検査、そして必要であれば、最適な性能を維持し、信頼性の高いペースト析出を達成するためのステンシルの再加工や交換が含まれる。

PCBソルダーペースト設計ガイドライン

Stencil Thickness

ステンシルの厚さは、特定のアプリケーション要件と製造プロセスによって決定される重要なパラメータです。最適なソルダーペーストの析出を達成し、最終PCBAボードの機能性と信頼性を確保する上で重要な役割を果たします。厚さはステンシルの種類や希望する結果などの要因に影響されます。 type of PCB stencil and desired outcomes.
 
孔版の厚みを正確に計算するために、一般的に採用されている計算式は以下の通りである：
 
ステンシルの厚さ = 2.64 + 0.0831 * コンポーネントのピッチ
 
について はんだマスク stencils, which are utilized for precise application of solder mask material to specific areas of the PCB, typical thickness ranges from approximately 0.05mm (2 mils) to 0.15mm (6 mils). This range provides the necessary precision while allowing controlled application of the solder mask material for effective masking and protection of designated areas on the PCB.

Aperture Size

開口部の大きさは、ソルダーペーストの析出中に正確で信頼性の高いソルダーペーストの析出を確保するために重要な役割を果たします。 PCB組立工程.
 
正確な位置合わせと最適なペーストの広がりを実現するために、開口部のサイズはパッドまたはリードのサイズよりもわずかに小さくする必要があります。これにより、印刷工程におけるはんだペーストの制御された均一な分布が保証されます。
 
Maintaining an appropriate aspect ratio is important, which is defined as the circuit board stencil thickness divided by the aperture opening size. The aspect ratio should typically fall within the range of 0.66 to 1.5. The stencil thickness is determined based on factors such as component size and solder paste volume requirements. The aspect ratio can be calculated using the formula:
 
アスペクト比＝ステンシル厚さ／開口部直径
 
テーパリングはステンシルの端部におけるスキージ圧の減少を補うために利用することができ、開口部全体にわたって一貫したはんだペーストのリリースを保証します。最適なはんだペーストのリリースと分布を達成するために、開口部とパッドのアライメント、ステンシルの張力、はんだペーストの表面張力などの要因を適切に考慮する必要があります。
 
絞りの向きを調整することができる。 コンポーネントの向きはんだペースト成膜プロセスをさらに最適化する。
 
開口面積を計算するには、以下の式を用いることができる：
 
面積 = (パッド幅 - ステンシル厚さ) x (パッド長さ - ステンシル厚さ)
 
It is important to note that the specific aperture size and design specifications may vary based on the unique requirements of the application, component types, and the characteristics of the solder paste being used. It is highly recommended to collaborate with experienced PCB stencil manufacturers or design engineers to optimize the aperture size and design to meet the specific electronic assembly needs.

Stencil Materials

ステンシルは主に金属材料で製造され、ステンレス鋼とニッケルが業界で広く採用されている。ステンレススチールは、その優れた耐久性、耐食性、繰り返しの使用や厳しい洗浄手順に耐える能力が高く評価されています。
 
一方、ニッケルは良好な機械的特性と堅牢性を有しており、大きな摩耗や劣化を伴わない長時間の連続使用に適している。場合によっては、精度の要求がそれほど厳しくない低コストや一時的な用途に、ポリマーやプラスチックのステンシルを利用することもあります。
 
ステンシル材料の選択は、要求される耐久性、精度仕様、予算など様々な要因に左右されます。しかしながら、ステンレスとニッケルは、その信頼性、寿命、PCBステンシル用途における優れた性能により、依然として好ましい選択肢です。

ステンシルの位置合わせ

Precise PCB stencil alignment is a fundamental requirement for effective solder paste printing. Irrespective of an optimally designed aperture and correct thickness, misalignment of the stencil with the PCB will result in incorrect paste deposition and defects such as bridging, opens, and tombstoning. A correct and even alignment ensures that the solder paste is deposited accurately over the pads of the components.
 
The key method of delivering high-precision alignment is through the use of fiducial marks. These are non-solderable, pre-defined geometries—typically circles, diamonds, or crosses—stamped into the copper layer of the PCB and an equivalent location in the stencil frame. The stencil printer’s vision system uses cameras to detect such marks on the PCB and on the surface mount stencil, calculating any offset and executing fine alignments in order to achieve perfect overlay.
 
  • Include Fiducials in the PCB Design: Always include unique, non-solder mask protected fiducial marks in your PCB layout.
  • Specify Stencil Fiducials: When ordering your stencil, confirm that fiducials are added to the stencil frame that match your PCB design.
  • Maintain Printer Calibration: Calibrate the vision system and mechanism of your stencil printer regularly in order to maintain its intrinsic accuracy.
  • First Print Inspection: The first printed board of a batch should always be visually inspected or measured to verify that the paste is precisely in the center on the pads prior to starting full production.

Where is the PCB Stencil Required in the PCBA Process?

PCBA製造工程におけるステンシルの利用は、主にSMD部品へのはんだペーストの塗布と関連しています。以下のステップは SMTアセンブリ involving surface mount stencils:
 
  1. PCB設計 – The initial step involves creating the PCB layout using computer-aided design (CAD) software. This encompasses component placement, trace routing, and other design aspects.
  2. ステンシル・デザイン - PCB設計に基づき、ステンシル設計が開発されます。この設計では、PCB上の部品パッドに合わせたはんだペースト開口部の位置、サイズ、形状を指定します。
  3. ステンシル製作 - ステンシルはステンシルデザインに基づいて製造される。
  4. PCB準備 - 通常、ガラス繊維強化エポキシ積層板で構成されるベアPCBは、はんだペースト塗布のために準備される。これには以下が含まれます。 PCB表面のクリーニング 汚染物質を除去し、組立装置との適切なアライメントを確保する。
  5. ステンシルの位置合わせ - ステンシルは、アライメント機能またはレジストレーションマークを使用してPCBと位置合わせされます。これにより、PCB上の対応する部品パッドとステンシル開口部の正確な位置合わせが保証されます。
  6. ソルダーペースト塗布 - はんだ合金とフラックスからなるはんだペーストをステンシル表面に塗布する。スキージまたはステンシルプリンターを使用して、はんだペーストをステンシル全体に広げ、開口部からはんだペーストを押し出し、PCB上の部品パッドに堆積させます。
  7. ステンシル除去 - はんだペーストが塗布されると、パッド上にはんだペーストが残ったまま、ステンシルがプリント基板表面から注意深く取り除かれる。
  8. コンポーネントの配置 - 抵抗器、コンデンサー、集積回路、コネクターなどのSMD部品は、自動ピック・アンド・プレース機や手作業による組み立て方法を用いて、はんだペースト堆積物上に正確に位置決めされる。
  9. リフローはんだ付け – The assembled PCB, with components and solder paste, undergoes a reflow soldering process, typically employing a reflow oven. The oven heats the PCBA board, melting the solder paste and creating reliable solder joints between the component leads and the pads.
  10. 検査とテスト - 組み立てられたPCBは、はんだ接合、部品配置、および全体的な機能の品質を保証するために、検査および試験手順を受けます。これには以下が含まれます。 AOI, レントゲン, 機能試験, and other 品質管理 measures.
 
PCBアセンブリのペースト印刷プロセスでは、適切な開口サイズ、アスペクト比、およびアライメントを持つステンシル設計を含む、いくつかの重要なパラメータを考慮する必要があります。安定したペースト転写を達成するためには、スキージ圧力、速度、分離速度を制御することが不可欠です。ソルダーペーストのレオロジー特性を理解し、必要な調整を行うことで、流動性と転写特性を向上させることができる。最適な性能を維持するためには、定期的なステンシル洗浄が必要です。これらのパラメータとソルダーペーストの配合や環境条件とのバランスを注意深く調整することで、ペースト印刷の成功と高品質なはんだ接合部の形成を達成することができます。
 
理論的なソルダーペースト体積（TV）、開口面積（A）、ステンシル厚さ（TS）の関係は次のように表すことができる：
 
TV = A * TS
 
どこでだ：
  • TVは理論上のソルダーペースト量
  • Aは開口部の面積を表す。
  • TSはステンシルの厚みを示す。

PCBステンシルFAQ

ソルダーペーストステンシル： ソルダーペーストステンシルは、SMTアセンブリ工程でPCB上にソルダーペーストを正確に塗布するために不可欠なツールです。電子部品を配置する前に、指定されたはんだパッドにはんだペーストを正確に付着させることができます。

ソルダーマスクステンシル： ソルダーマスクステンシルは、PCBへのソルダーマスク材料の塗布において重要な役割を果たします。その はんだマスク はんだ付けの際に意図しないはんだブリッジを防ぎ、適切な絶縁を確保するために、PCB上の銅トレースとパッドの上に塗布される保護層として機能する。

コンベンショナル： ステンレス鋼またはニッケルから製造され、表面実装技術で使用されるはんだパッドの特定の形状とサイズに合わせてカスタマイズされた開口パターンで設計されています。

額入り： ステンシルには、安定性と支持性を高める金属フレームが採用されています。フレームは剛性を提供し、ソルダーペースト印刷工程での取り扱いと正確な位置合わせを容易にします。このタイプのステンシルは、一般的に自動化装置で利用されています。

フレームレス： その名の通り、金属製のフレームがない。個人的な趣味のプロジェクトでよく使われる。 PCBAプロトタイピング. 

この課題に直面したとき、FSテクノロジーはGoogleなどの検索エンジンを使って評判の良いステンシルメーカーを徹底的に検索することを強くお勧めします。これらのメーカーは、高品質のステンシルを競争力のある価格で生産することに特化しており、お客様の特定の要件を満たすために幅広いオプションを提供しています。

あるいは、FS TechnologyのようなターンキーPCBAサービスプロバイダを選択することもできます。当社のサービスを選択すれば、設計会社、ステンシルメーカー、ベアボードメーカー、組立工場を個別に探す必要がなくなります。FSテクノロジーは便利なワンストップ・ソリューションを提供し、お客様のPCBAプロジェクトのあらゆる側面に効率的に対応します。

何よりもまず、プロトタイプ・プロジェクトにフレームレス・ステンシルを利用することは、手を抜くことと同義ではないことを明確にすることが重要です。プロトタイプ・プロジェクトは通常、新製品の開発を伴うもので、大量生産と販売を追求するのではなく、プロジェクトの実現可能性を検証することが主な目的です。

フレームレス・ステンシルを選択することで、実際に生産スケジュールを早め、プロジェクトのシームレスな進行を促進することができます。金属フレームの必要性をなくすことで、フレームレス・ステンシルは柔軟性と敏捷性を高め、より迅速なステンシル製作と組み立てを可能にします。

You need to provide your PCB manufacturer with the Gerber file for the solder paste layer. This file (often named something like PasteTop.gbr または PasteBottom.gbr) contains the exact size and location of every pad that needs solder paste.
Regular cleaning is vital to prevent clogged apertures and print defects.
  • Between Prints: Use a lint-free wipe and a specialized stencil cleaner or high-purity isopropyl alcohol (IPA).
  • Periodic Deep Cleaning: Use an ultrasonic cleaner for a thorough removal of dried solder paste residue.
A well-maintained stainless steel stencil can last for hundreds of thousands of prints. Its lifespan depends on the material, how often it’s used, the aggressiveness of the cleaning process, and the abrasiveness of the solder paste.
No. The apertures in a stencil are custom-cut for a specific PCB layout. You cannot use a stencil from one board design on another unless the pad layouts are identical.

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