リフローはんだ付け

リフローはんだ付けは、はんだペースト（粉末はんだとフラックスの粘着性のある混合物）を使用して、1 個から数千個の小さな電気部品を一時的に接点パッドに取り付け、その後、アセンブリ全体を制御された熱にさらすプロセスです。はんだペーストは溶融状態でリフローし、永久的なはんだ接合部を形成します。加熱は、アセンブリをリフローオーブンに通すか、赤外線ランプの下に置くか、または（主にプロトタイプ作成の場合）ホットエアペンシルで個々の接合部をはんだ付けすることによって行われます。

長い工業用対流オーブンを使用したリフローはんだ付けは、表面実装技術(SMT) コンポーネントをプリント回路基板(PCB) にはんだ付けする推奨方法です。オーブンの各セグメントは、各アセンブリの特定の熱要件に従って温度が調整されています。表面実装コンポーネントのはんだ付け専用のリフローオーブンは、はんだペーストで穴を充填し、コンポーネントのリード線をペーストに挿入することで、スルーホールコンポーネントにも使用できます。ただし、ウェーブはんだ付けは、表面実装コンポーネント用に設計された回路基板にマルチリードのスルーホール コンポーネントをはんだ付けする一般的な方法です。

SMT とメッキスルーホール (PTH) 部品が混在する基板で使用する場合、特別に改良されたペースト ステンシルによってスルーホール リフローが実現できれば、ウェーブはんだ付けステップをアセンブリ プロセスから排除して、アセンブリ コストを削減できる可能性があります。^{[説明が必要]}これは、以前に使用されていた鉛スズはんだペーストについて言えることですが、SACなどの鉛フリーはんだ合金では、オーブンの温度プロファイル調整の制限や、はんだワイヤで手作業ではんだ付けする必要がある特殊なスルーホール部品の要件、またはリフロー オーブンのコンベア上を移動する回路基板に当たる高温に十分耐えられないという要件の点で課題があります。対流オーブン プロセスではんだペーストを使用してスルーホール部品をリフローはんだ付けすることを、侵入はんだ付けと呼びます。

リフロー プロセスの目的は、はんだペーストが共晶温度に達し、特定のはんだ合金が液体または溶融状態に相変化する温度に達することです。この特定の温度範囲では、溶融合金は接着特性を示します。溶融はんだ合金は、凝集性と接着性を持つ水とほぼ同じように動作します。十分なフラックスが液相線の状態にある場合、溶融はんだ合金は「濡れ」と呼ばれる特性を示します。

濡れ性は、特定の共晶温度範囲内にあるときの合金の特性です。濡れ性は、「許容可能」または「目標」条件の基準を満たすはんだ接合部の形成に必要な条件であり、「不適合」はIPCに従って不良品とみなされます。

リフロー炉の温度プロファイルは、特定の回路基板アセンブリの特性、基板内のグランドプレーン層のサイズと深さ、基板内の層の数、コンポーネントの数とサイズなどに適しています。特定の回路基板の温度プロファイルにより、電気コンポーネントが温度許容範囲を超えて過熱したり損傷したりすることなく、隣接する表面へのはんだのリフローが可能になります。従来のリフローはんだ付けプロセスでは、通常、「ゾーン」と呼ばれる 4 つの段階があり、それぞれに異なる熱プロファイルがあります。予熱、熱浸漬(単に浸漬と略されることが多い)、リフロー、および冷却です。

予熱はリフロー プロセスの第 1 段階です。このリフロー段階では、ボード アセンブリ全体が目標のソーク温度またはドウェル温度に向かって上昇します。予熱段階の主な目標は、アセンブリ全体を安全かつ一貫してソーク温度またはプレリフロー温度にすることです。また、予熱は、はんだペースト内の揮発性溶剤がガスを放出する機会でもあります。ペースト溶剤を適切に排出し、アセンブリを安全にプレリフロー温度に到達させるには、PCB を一貫して直線的に加熱する必要があります。リフロー プロセスの第 1 段階の重要な測定基準は、温度勾配率または上昇対時間です。これは、通常、摂氏毎秒 (°C/s) で測定されます。メーカーの目標勾配率には、多くの変数が影響します。これには、目標処理時間、はんだペーストの揮発性、およびコンポーネントの考慮事項が含まれます。これらすべてのプロセス変数を考慮することが重要ですが、ほとんどの場合、敏感なコンポーネントの考慮事項が最も重要です。 「多くのコンポーネントは、温度変化が急すぎると割れてしまいます。最も敏感なコンポーネントが耐えられる最大温度変化率が、最大許容傾斜率となります」^{[説明が必要]}。ただし、熱に敏感なコンポーネントが使用されていない場合で、スループットの最大化が大きな懸念事項である場合は、処理時間を改善するために、積極的な傾斜率を調整できます。このため、多くのメーカーは、これらの傾斜率を最大許容共通速度の 3.0 °C/s まで押し上げています。逆に、特に強力な溶剤を含むはんだペーストを使用している場合は、アセンブリを急速に加熱すると、制御不能なプロセスが簡単に発生する可能性があります。揮発性溶剤がガスを放出すると、パッドからはんだがボード上に飛び散る可能性があります。はんだボールは、予熱段階での激しいガス放出の主な懸念事項です。ボードが予熱段階で温度まで上昇したら、ソーク段階またはプリリフロー段階に入ります。

2 番目のセクションである熱浸漬は、通常、はんだペーストの揮発性物質の除去とフラックスの活性化のために 60 ～ 120 秒間さらされる部分で、ここでフラックス成分がコンポーネントのリードとパッド上で酸化物還元を開始します。温度が高すぎると、はんだの飛散やボール化、およびペースト、接続パッド、コンポーネント端子の酸化につながる可能性があります。同様に、温度が低すぎるとフラックスが完全に活性化しない可能性があります。浸漬ゾーンの終わりには、リフローゾーンの直前にアセンブリ全体の熱平衡が望まれます。さまざまなサイズのコンポーネント間のデルタ T を減少させるため、または PCB アセンブリが非常に大きい場合は、浸漬プロファイルが推奨されます。浸漬プロファイルは、エリア アレイ型パッケージのボイドを減らすためにも推奨されます。^[1]

3 番目のセクションであるリフロー ゾーンは、「リフロー時間以上」または「液相線以上温度」(TAL) とも呼ばれ、最高温度に達するプロセスの部分です。重要な考慮事項は、プロセス全体の最大許容温度であるピーク温度です。一般的なピーク温度は、液相線より 20 ～ 40 °C 高いです。^[1]この制限は、アセンブリ上のコンポーネントのうち、高温に対する許容度が最も低いコンポーネント (熱による損傷を受けやすいコンポーネント) によって決まります。標準的なガイドラインは、最も脆弱なコンポーネントが耐えられる最高温度から 5 °C を差し引いて、プロセスの最高温度に達するようにすることです。プロセス温度を監視して、この制限を超えないようにすることが重要です。さらに、高温 (260 °C を超える) は、SMTコンポーネントの内部ダイに損傷を与え、金属間化合物の成長を促進する可能性があります。逆に、温度が十分でないと、ペーストが適切にリフローしない可能性があります。

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液相線以上の時間 (TAL)、またはリフロー以上の時間は、はんだが液体である時間の長さを測定します。フラックスは金属の接合部の表面張力を低下させて冶金結合を実現し、個々のはんだ粉末球が結合できるようにします。プロファイル時間がメーカーの仕様を超えると、フラックスの活性化または消費が早まって、はんだ接合部が形成される前にペーストが事実上「乾燥」する可能性があります。時間/温度の関係が不十分だと、フラックスの洗浄作用が低下し、濡れが悪くなり、溶剤とフラックスが適切に除去されず、はんだ接合部に欠陥が生じる可能性があります。専門家は通常、可能な限り短い TAL を推奨しますが、ほとんどのペーストでは最小 TAL を 30 秒と指定していますが、その特定の時間には明確な理由がないようです。1 つの可能性として、PCB 上にプロファイル中に測定されない場所があるため、最小許容時間を 30 秒に設定すると、測定されていない領域がリフローしない可能性が低くなります。最小リフロー時間を長くすると、オーブンの温度変化に対する安全マージンも確保できます。濡れ時間は、理想的には液相線より 60 秒以上長く保ちます。液相線より長く長いと、金属間化合物が過剰に成長し、接合部が脆くなる可能性があります。基板とコンポーネントは、液相線より長い温度で損傷を受ける可能性があり、ほとんどのコンポーネントには、特定の最高温度を超える温度にさらされる時間について明確な制限があります。液相線より長い時間が短すぎると、溶剤とフラックスが閉じ込められ、冷えた接合部や鈍い接合部、はんだボイドが発生する可能性があります。

最後のゾーンは、処理された基板を徐々に冷却し、はんだ接合部を固めるための冷却ゾーンです。適切な冷却により、過剰な金属間化合物の形成やコンポーネントへの熱衝撃が抑制されます。冷却ゾーンの一般的な温度は、30～110 °C (86～230 °F) です。最も機械的に健全な微細粒子構造を形成するために、速い冷却速度が選択されます。 ^[1]最大ランプアップ速度とは異なり、ランプダウン速度は無視されることがよくあります。ランプレートは特定の温度を超えるとそれほど重要ではありませんが、コンポーネントが加熱されているか冷却されているかに関係なく、どのコンポーネントにも最大許容傾斜を適用する必要があります。一般的に 4 °C/s の冷却速度が推奨されます。これは、プロセス結果を分析するときに考慮すべきパラメーターです。

「リフロー」という用語は、はんだ合金の固体が（単に軟化するだけでなく）確実に溶ける温度を指すために使用されます。この温度以下に冷却されると、はんだは流れなくなります。もう一度この温度以上に温めると、はんだは再び流れます。これが「リフロー」です。

リフローはんだ付けを使用する最新の回路アセンブリ技術では、はんだが 1 回以上流れることは必ずしもありません。はんだペーストに含まれる粒状のはんだが、使用されるはんだのリフロー温度を上回ることが保証されます。

熱プロファイリングとは、はんだ付け工程における熱変位を測定するために、回路基板上の複数のポイントを測定することです。電子機器製造業界では、SPC（統計的プロセス制御）は、はんだ付け技術と部品要件によって定義されたリフローパラメータに対して測定されたプロセスが制御されているかどうかを判断するのに役立ちます。^{[3] [4]} 最新のソフトウェアツールを使用すると、プロファイルをキャプチャし、数学的シミュレーションを使用して自動的に最適化できるため、プロセスの最適な設定を確立するために必要な時間が大幅に短縮されます。^[5]

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