低温はんだが使われるようになった理由

低温はんだが使われるようになった理由
かつて、EU の有害物質規制指令 2002/95/EC(RoHS) に対応するため、PCBA 工程のはんだは錫-鉛(SnPb)から錫-銀-銅(SAC)合金 に変更されましたが、はんだの溶接温度は比較的高くなり ました。省エネ、低炭素化の流れを受けて、SACの高温プロセスから低温プロセスへの転換を図る企業が増えているようです。
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    低温はんだの種類はどれが一番人気ですか?

    低温はんだの種類はどれが一番人気ですか?

    実際、はんだ付け工程がSAC合金に移行した後、SMT生産ラインのリフローピーク温度も当初の220˚Cから250˚C程度に上昇し、はんだ温度の上昇は、材料や生産コストの一部を削減することも意味しています。より高温に耐える材料を使用する必要があり、最大の変化は、エンジニアリングプラスチック材料、さらに、高温はまた、例えば、材料は高温で変形しやすく、不良溶接を引き起こすなど、生産の品質を悪化させるということです。

    現在、最もよく知られているのは 低温はんだ は、錫(Sn)をベースにビスマス(Bi)を加えた錫ビスマス(SnBi)合金や錫ビスマス銀(SnBiAg)合金である。

    低温はんだプロセスの利点

    省エネルギー・二酸化炭素削減

    低温はんだ工程では、融点の低いはんだ合金を使用するため、温度、時間、消費エネルギーの低減につながる。

    高温材料の需要低減

    室温以上の耐熱性の低い材料を使用することで、通常、低温はんだ工程での材料コストを削減することができます。

    プロセスの敷居を下げ、生産の歩留まりを向上させる

    はんだ合金をSACからSnBiに変更することで、リフロー炉内の最高温度が250˚Cから約175˚Cに下がり、それに伴い、BGAやLGAなどの大型リードレス部品のHIP/HoPはんだやMLCC破断の主因の1つとなる高温時の回路基板の変形率も約50%低減させることが可能です。

     

    BGA、LGAなどのリードレス部品

    低温はんだプロセスのデメリット

    はんだ接合部の長期信頼性が悪い

    低温はんだの最大の欠点は、はんだ接合部が比較的もろく、応力による錫クラックが発生しやすいことです。SnBi合金はSnPb合金やSAC合金はんだに比べ、熱衝撃や衝撃落下に対して非常に弱いはんだ強度を持っています。

    リフロー工程でホット・テアリング欠陥が発生しやすい

    SACはんだボール、SnBiソルダペースト鉛フリー、錫鉛のハイブリッドはんだ付けプロセスにおいて、特にBGAのはんだ接合部において、プリント基板のパッド表面にホットテアリングが発生しやすくなっています。これは、はんだ付け工程で、SACはんだボールは融点が高く、溶けにくいためです。 

    溶融しても冷却過程で早めに固化するのに対し、SnBiソルダペーストはリフロー時に確実に溶融し、冷却されます。また、硬化もSACよりゆっくりです。リフロー炉の冷却過程で、BGAのはんだボールが凝固してしまったり、全く溶けていない状態で、SnBiはんだのごく一部だけがスラリー状態で残っていると想像してください。 

    このとき、PCBとBGAキャリアボードも高温変形から徐々に回復していきます。BGAキャリアボードとPCBの隙間が高温で小さく変形し、温度復帰後に隙間が大きくなると(変形回復)、まだ完全に硬化していないスラリー状のSnBiはんだを引っ張るため、引き裂かれたホット-ティアリングクラックが形成されることになります。

    SAC合金のBGAはんだボールを低温ソルダペーストに混ぜる場合、どのような温度プロファイルにすればよいですか?

    実際には、低温ソルダペースト、低温ソルダボール、低温プロファイルを同時に組み合わせることで、低温ソルダペーストのすべての利点と最高のはんだ付け効果および品質を得ることができるため、有用です。しかし、低温ソルダーボールを使用したBGAは市場に出回っていないため プリント基板製造 は、低温ソルダーペーストやSAC合金BGAソルダーボールに頼らざるを得ません。

    低温ソルダペーストに混合したSACの品質効果を最大限に発揮させるためには、ホット・テアリングの影響を軽減する方法を見つけなければなりません。また、高温プロファイルは溶かすことができると同時に、SACとSnBi合金はSnBi合金領域にSACを拡散させるので、リフロープロファイルはSACの温度プロファイルに従うことがベストです。

    SAC-アロイ

    これにより、SnBiの配合比を変えることで、SnBi領域の凝固温度を若干上げることができ、ピーク温度後の冷却速度、特に217℃(SAC305)〜138℃(Sn42Bi58)までの速度を加速することをお勧めします、目的は、SACはんだ領域が最短時間で凝固した直後にSnBiはんだ領域を凝固させることにあります。 しかし、この方法では、LTSを使用する利点がすべて失われ、はんだ強度もSAC合金に及ばないため、SACソルダーペーストを直接使用した方がよいでしょう。

    低温ソルダペーストを使用する場合の多くは、部品がSACの高温プロファイルに耐えられないためです。この場合、低温ソルダーペーストの低温プロファイルのみを使用することができます。専門家は、リフローのピーク温度は、はんだ付けの品質に影響を与えない範囲でできるだけ下げるべきだと提案しています。その目的は、プリント基板の発熱を抑えることと リフローキャリア リフロー時の基板

    同時に、リフローのピーク温度以降の冷却速度を速める必要があります。基板の変形が回復する前に低温のはんだを固化させるためです。しかし、過度に冷却速度を速めると、BGAのはんだクラックを悪化させる危険性があります。リフローピーク温度は高くすると基板やBGAキャリアの変形が大きくなるため、高くすることは推奨できません。

    低温ペーストの機械的強度を強化する方法

    エポキシ樹脂接着剤

    現在、より現実的な低温はんだ接合部の補強方法としては、アンダーフィルを使用することが挙げられます。これは、CSPやフリップチップの登場時に実際に存在し、その後BGAに応用された解決策です。BGAなどの部品の端にエポキシ樹脂の接着剤を指しておき、毛細管現象の原理で接着剤を部品の底に浸透させて充填し、加熱して固化することで、隙間を埋めてはんだ接合部を強化する目的を達成するものです。また、比較的粘度の高い接着剤を使用して、BGAの四隅に選択的に点付けするもの(コナーボンド)やBGAの四辺に点付けするもの(エッジボンド)もあり、固定を強化することができます。

    ここでアンダーフィルムの登場です。はんだペーストを印刷した後、SMT配置機を通して基板のBGA位置に配置し(はんだ接合部を避けて)、その上にBGAを配置します。リフロー炉の高温でフィルムを溶かして隙間を埋め、冷却後固化させる。ただし、アンダーフィルは基板組み立てと機能検査の後に機能するのに対し、SMT工程ではアンダーフィルを追加することになるので注意が必要だ。製品の歩留まりが悪いと、手直しが非常に面倒になる。

    また、低温はんだの適用拡大に伴い、時代の要請に応じて、いわゆるエポキシペーストやエポキシフラックスも作られています。エポキシペーストは、ハンダペーストにエポキシを添加し、直接ハンダペーストを印刷してリフロー後に加熱するものですが、ハンダペーストに添加するため、その添加量はあまり多くできず、BGA部品のハンダ強度に限界がある場合があります。しかし、チップ部品やLED照明基板程度であれば、まだある程度の効果が期待できるはずです。

    LEDライトボード 

    エポキシ系フラックスは、実装前にソルダーペーストの印刷・塗布を行うので、アンダーフィルムと少し似ている。上記2つのエポキシ添加工程の効果はまださらに検証されておらず、いずれも試験前に終了している。アンダーフィルを追加することで、確かにBGAの耐ストレス性は強化されますが、ストレスによるはんだのクラックを遅らせることはできても、完全に治すことはできません。つまり、一定期間使用した後でも、問題のあるはんだ接合部では問題が発生するのです。 

    そのため、ベルを解くには、はんだ接合部に影響を与えるストレス源を最小限に抑える工夫が必要です。

    低温はんだ工程を採用できる製品は?

    さて、低温はんだプロセス製品のはんだ接合部は比較的もろく、ストレスに強くないことがわかりましたが、電子製品の採用状況が厳しい熱ストレス(高温・低温サイクル)変化や機械的ストレス(落下衝撃)でない限りは、低温はんだプロセス製品の採用は必要ありません。長期的な寿命設計の保証が必要でない場合は、低温ペーストプロセスの使用を検討する必要がある。結局のところ、エネルギーとコストを節約することができる。低温はんだを引用した業界ガイドラインの参考文献を紹介します。

    製品設計寿命は5年以内が望ましい。MTBF (Mean Time Between Failures) 評価を行うことを推奨する。

    主要部品には、ディスペンサーやカシメなど、はんだ接合部の保護機構が付加されているとよりよい。

    ハンダ接合部

    IO部品には、過挿入防止、揺れ防止などの挿入ストレス防止機構設計を追加するとより良い。

    製品の動作条件は40˚C以下が最適で,最高動作温度は85˚Cを超えないようにしてください。

    一般に、激しい高低差のない屋内環境で使用されます。車内や屋外での使用は推奨しません。

    現在、低温はんだはLED照明に多く使用され、ミニLEDもごく一部で使用され、一部のPC業界では評価中と見られています。

    結論

    省エネや二酸化炭素削減の観点からは、確かに低温ソルダーペーストプロセスの方が省エネであり、高温のプラスチック材料への部品の要求も減り、コスト削減も可能である。しかし、現在の低温ソルダーペーストには、信頼性が低いという致命的な欠点があります。 

    はんだ接合は比較的もろいため、一部の小型部品にはあまり影響がないかもしれませんが、I/O部品など応力負荷のかかる部品や、外力を受けて基板が曲がるような製品、振動や熱応力がかかることが多い製品は、低温はんだプロセスには適さないことがあります。 

    低温ソルダペーストは省エネ、低炭素化の要求に応えることができるものの、まだまだ道のりは長く、最終的に低温ソルダが完全に置き換わることはないのかもしれないとしか言いようがないのです。SAC、低温ソルダーと並行する可能性が高い。

    よくあるご質問

    現在、低温はんだとしては、錫(Sn)をベースにビスマス(Bi)を添加した錫ビスマス(SnBi)や錫ビスマス銀(SnBiAg)の合金が最もよく知られている。
    省エネルギー・二酸化炭素削減 高温材料の需要低減 プロセスの敷居を下げ、生産の歩留まりを向上させる
    はんだ接合部の長期信頼性は低い。 リフロー工程でホット・テアリング欠陥が発生しやすい。

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