SMTのリフロープロファイルを理解する方法

SMTのリフロープロファイルを理解する方法

表面実装技術(SMT)の発明と改良は、エレクトロニクス産業の繁栄に寄与してきた。リフローはSMTの中でも最も重要な技術の一つである。
があります。 リフロープロファイル 回路基板の組み立てには、プリヒート、ソーク、リフロー、冷却という4つの大きなブロックがあります。次の文章で詳しく紹介します。

目次
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    プリヒートゾーン

    リフロープロファイルにおいて、予熱領域とは通常、PCBAの温度が室温から150~170℃程度上昇する領域を指す。この領域では、ゆっくりと温度を上げる(1回昇温ともいう)ことで、リフローを容易にする。 ソルダーペースト量 と水蒸気の揮発が間に合い、多くのフラックスの活性化温度が150℃前後に下がるため、飛散してその後のはんだ付け品質に影響を与えるのを防ぐことができるのです。

    プリント基板に貼り付けられた電子部品、特にBGAやIOコネクタ部品などの大型部品も、その後の高温に備え、ゆっくりと加熱する必要があります。この部分の加熱速度が速すぎると、部品の内外温度差や異種材料のCTEによって部品が変形したり、回路の要求からプリント基板上の銅の分布が均一に設計されないことが多いからです。

    予熱帯

    また、昇温速度が速すぎると、基板内の異なる領域の熱吸収率が悪化し、熱応力差や基板の歪みなどの問題が発生します。そのため、リフロープロファイルの予熱部の昇温速度は通常1.5℃~3℃/secに制御され、鉛フリーソルダペーストの中には5℃/secまで昇温速度を上げるものがあります。

    急激な温度上昇はフラックスの軟化温度への到達を早め、フラックスが素早く広がり、はんだ接合部の最大面積をカバーするのに役立ちますが、活性剤の一部が実際の合金の液体に取り込まれることにもなります。

    しかし、熱応力の影響により、温度が急激に上昇すると、セラミックコンデンサーのマイクロクラック、プリント基板の加熱ムラによる反り、ICチップのボイドや破損、はんだペースト中の溶剤が揮発し、はんだペーストの崩壊の危険性があります。

    温度の立ち上がりが遅いと、溶剤の揮発やガスの抜けが良くなり、フラックスがはんだ接合部に近づくため、広がりや崩れの可能性が低くなります。ただし、リフロープロファイルの温度上昇が遅すぎると、はんだペーストが過剰に酸化され、フラックスの活性が低下します。

    また、リフロープロファイルには、予熱帯の昇温速度に関係する以下のような不都合な現象があります。

    崩壊

    リフロープロファイルでは、主にはんだペーストが溶融する前のペースト段階で発生します。ソルダペーストは温度が上昇すると、熱によって材料中の分子が激しく振動するため、粘度が低下します。また、リフロープロファイルの急激な温度上昇により、溶剤がうまく蒸発する時間がなく、粘度の低下につながる。 

    温度上昇により溶媒が揮発します。

    正しくは、温度上昇により溶剤が揮発し、粘度が上昇しますが、溶剤の揮発は時間と温度に比例し、つまりある温度上昇があれば、時間が長いほど溶剤の揮発は多くなります。したがって、温度上昇の遅いソルダペーストの粘度は、温度上昇の速いソルダペーストの粘度よりも高くなり、ソルダペーストの崩壊が起こりにくくなります。

    錫のビーズ

    リフロープロファイルでは、フラックスはすぐに脱出するガスに揮発するとき。時には外側のベルトにスズ高いスプラッシュ、および小さなギャップの本体の下にある小さなチップ部品ではんだペーストの分離をもたらすでしょう。 溶融はんだペーストを引き付けることができるバック溶接部品、下の溶接パッドが存在しないためです。部品本体の押出の重量と組み合わせることで、分離した溶融はんだペーストは、部品の本体の下から現れるとそのエッジに小さなスズのビーズを形成します。

    ハンダボール

    ハンダボール

    リフロープロファイルでは、昇温速度が速すぎると、はんだペーストから溶剤ガスが急速に蒸発し、はんだペーストの飛散の原因となります。加熱速度を遅くすることで、はんだボールの発生を効果的に抑制することができます。しかし、加熱速度が遅すぎると、過度の酸化を招き、フラックスの活性を低下させることにもなります。

    ランプサイフォン現象

    このリフロープロファイルの現象は、はんだがピンを濡らした後、はんだ接合部からピンに沿ってはんだが上昇し、はんだ接合部にはんだ不足または空はんだが発生するものである。これは、はんだペーストが溶融段階にあることと、部品の足元が基板パッドよりも高温であることが原因として考えられます。 

    基板下部の温度を上げるか,はんだペーストが融点付近にある時間を長くすることで改善されます。部品の足とはんだパッドの温度バランスは、はんだが濡れる前に到達するのがベストです。パッドにはんだが濡れると、はんだの形状が変化しにくくなり、温度上昇の速度に影響されなくなります。

    濡れ性が悪い

    リフロープロファイルの濡れ不良は、酸化の他に、一般に、リフロー中に錫粉が過度に酸化することによって起こります。 プリント基板はんだ付け工程このため、プリヒート時にソルダーペーストが吸収する過剰な熱を低減することで改善することができます。

    リフロープロファイルの時間はできるだけ短くすることが理想的です。他の要因で加熱時間を短くできない場合は、室温からソルダーペーストの融点までの直線的な温度を採用することで、リフロー時の錫粉の酸化の可能性を低くすることを推奨します。

    錫粉

    ヘッドインピロー

    リフロープロファイルにおける誤溶着の主な原因は、ウィックサイフォン現象やノンウエットによるものが考えられます。ウィックサイフォン現象が発生すると、溶融したはんだがより高温の位置に移動するため、誤溶着が発生します。ノンウエット現象であれば、次のようにも呼ばれます。 枕元 この現象は、BGA のはんだボールがはんだに浸されたものの、真の金属間化合物 (IMC) や濡れ性が形成されていないことに起因しています。この問題は通常、酸化を抑えることで解決することができます。

    ボイド

    主な理由は、フラックスに含まれる溶剤や水分がすぐに酸化してしまい、はんだが固化する直前に抜けなくなるためです。

    ソークゾーン

    ソークゾーン

    リフロープロファイルでは、この領域を吸熱領域と呼び、人によっては「定温領域」または「活性領域」と呼び、このほぼ一定の温度を通常150±10℃領域、鉛フリーはんだペースト温度は約170℃±10℃に維持されます。ランプアップ温度は通常150~190℃の間に収まります。このリフロープロファイル領域は、ソルダーペーストの溶融前夜であり、ソルダーペースト中の揮発分はさらに除去されることになります。 

    アクチベーターが活性化され、はんだ表面の酸化物を効果的に除去しています。このリフロープロファイルの主な目的は、異なるサイズや異なるテクスチャを作ることです。リフローゾーンに入る前に部品の温度を一定にすることで、基板表面温度差△Tが最小値に近くなるようにします。

    この温度帯のリフロープロファイルの形状は水平に近く、リフロー炉のプロセスを評価する窓にもなります。平坦な活性リフロープロファイルを維持できる炉を選択すれば、溶融時間の違いによる時間差で容易でないため、部品両端の応力が異なるという問題が少なくなり、はんだ付け効果が向上します。

    定温領域は通常、炉の2ゾーン目と3ゾーン目の間であり、その時間は約60〜120sを維持する。この時間が長すぎると、ロジンが過剰に揮発し、ソルダペーストが過度に酸化する問題が発生し、リフローはんだ付け時の活性・保護機能が損なわれる。その結果、溶接後の仮想溶接、はんだ接合部の黒ずみ、はんだ接合部のくすみなどの問題が発生します。

    この部分の温度が急激に上昇すると、ソルダーペースト中のロジン(フラックス)が急激に膨張し、揮発します。通常であれば、ロジンはソルダーペーストの隙間からゆっくりと抜けていくはずです。ロジンの揮発速度が速いと、ポロシティ、フライドスズ、スズビーズなどの品質不良が発生します。

    リフローゾーン

    リフローゾーン

    リフローエリアとは、リフロープロファイルの温度が区間全体で最も高いエリアのことで、通常「液上時間」と呼ばれます。このとき、はんだ中のスズはパッド上の銅(Cu)またはニッケル(Ni)と化学反応を起こし、金属間化合物であるCu5Sn6またはNi3Sn4を形成します。 

    OSP(有機保護膜)の表面処理を例にとると、はんだペーストが溶けると、すぐに銅層を濡らし、界面で錫原子と銅原子が互いに浸透し、初期の錫-銅合金の構造は良好なCu6Sn5金属間化合物(IMC)となり、アセンブリ全体の温度勾配を最小限に抑える必要があるため、リフロー炉内の重要な段階となる。

    IMC の厚さは 1~5μm で問題ありませんが、厚すぎるのも良くなく、一般的には 1~3μm をベストとし て管理することが推奨されます。TALはソルダーペーストメーカーが指定するパラメータ内に収める必要があります。また、この段階で製品のピーク温度となります。この時間が長すぎると、IMCが厚く脆くなり、銅系床からCu3Snの不良IMCが発生し続ける可能性があります。ENIG表面処理を施した基板は、初期段階でNi3Sn4 IMCを生成しますが、Cu6Sn5化合物もほとんど生成しません。

    PCB上の温度に敏感な部品の最高温度と加熱速度の能力を超えないように注意する必要があります。例えば、一般的な鉛フリーのタンタルコンデンサは、最大温度 260℃、最大 10 秒の加熱が可能です。理想的には、アセンブリのすべてのはんだ接合部が、同じ時間、同じ速度で同じピーク温度に達し、すべての部品が炉内で同じ環境を経験するようにする必要があります。

    リフロープロファイルのピーク温度は、通常、はんだの融点温度と組み立てられた部品が耐えられる温度によって決まります。一般的に、ピーク温度ははんだペーストの通常の融点より約25~30℃高い温度でなければ、はんだ付け作業を正常に完了させることはできません。この温度より低いと、冷やし固めや濡れ性が悪くなるなどのデメリットが発生する可能性が高くなります。リフローエリア(TAL)の時間は、一般的に30秒から60秒を推奨しており、45秒以上90秒未満とするメーカーも少数ながら存在します。

    クーリングゾーン

    リフローゾーンの後、製品は冷却され、はんだ接合部が固化し、その後の組み立て工程に備えます。冷却速度のコントロールも重要です。

    ハンダ接合部

    一般に、リフロープロファイルの冷却領域は、はんだを固化させるために急冷することが望ましいとされています。急冷することで、より微細な結晶構造が得られ、はんだ接合部の強度が向上し、はんだ接合部が明るくなり、表面が連続したメニスカス状にもなりますが、一部のガスが抜ける時間がないため、穴ができやすくなる欠点があります。

    逆に、融点以上のリフロープロファイルでの徐冷は、金属間化合物(IMC)の過剰発生や結晶粒の大型化を招きやすく、疲労強度を低下させる。冷却速度を速める一方で、部品の耐衝撃性にも注意を払う必要があります。 

    一般的なコンデンサで許容されるリフロープロファイルでの最大冷却速度は約4℃/secです。過度の冷却速度は、応力やクラックの原因となる可能性があります。また、パッドとプリント配線板間、パッドとはんだ接合部間の剥離の原因となることがあります。一般にリフロープロファイルの推奨冷却速度は2~5℃/秒です。

    よくあるご質問

    基板実装のリフロープロファイルは、予熱、ソーク、リフロー、冷却の4つの大きなブロックから構成されています。
    予熱領域とは、通常、PCBAの温度が室温から150~170℃程度上昇する領域を指す。

    一般に、リフロープロファイルの冷却領域は、はんだを固化させるために急冷することが望ましいとされています。急冷することで、より微細な結晶構造が得られ、はんだ接合部の強度が向上し、はんだ接合部が明るくなり、表面が連続したメニスカス状にもなりますが、一部のガスが抜ける時間がないため、穴ができやすくなる欠点があります。

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