鉛フリーリフロー炉はどれくらいの電力を消費しますか？
電子機器製造で働いたことがある人なら、リフローはんだ付けが、山積みの表面実装コンポーネントを機能する回路基板に変える中心であることをご存知でしょう。しかし、10 年前に有鉛はんだから無鉛はんだに切り替えたとき、生産管理者から最初に聞いた質問の 1 つは、「追加の電力はどれくらいかかりますか?」というものでした。 15 年以上この分野に携わっている鉛フリー リフロー オーブンのサプライヤーとして、私はその質問に何百回も答えてきましたが、真実を言えば、万能の数字などありません。それはオーブンの設計から生産スケジュールに至るまですべてに依存し、それを正しく行うことは、パフォーマンス、エネルギーコスト、長期的な効率のバランスをとることを意味します。
基本から始めましょう。鉛フリーはんだ（通常、錫、銅、および銀などの少量の他の金属の混合物）は、従来の有鉛はんだよりも融点が高く、約 217°C 対 183°C です。つまり、敏感なコンポーネントへの熱衝撃を防ぐために、リフロー オーブンは PCB を高温に加熱し、その温度に長時間保持し、徐々に冷却する必要があります。しかし、消費電力は最高温度だけの問題ではありません。重要なのは、オーブンがどのように熱を供給し、チャンバーを断熱し、アイドル時間、PCB サイズ、コンベア速度などの実際の生産要求に対処するかです。
まず、リフロー オーブンの主な 2 つのタイプの消費電力、公称 (稼働) 電力とスタンバイ電力を分類してみましょう。公称電力は、オーブンが PCB を積極的に処理し、各ゾーンを設定値まで加熱するときに使用する電力です。スタンバイ電力は、ジョブ間のアイドリング時に使用され、オーブン室を動作温度に保つため、小さなバッチを実行するたびに最初から再加熱する必要がありません。
標準的な 3 ゾーン鉛フリー リフロー オーブン (小規模から中規模の PCB の実行に最も一般的なモデル) の場合、公称電力は通常 4 kW ～ 8 kW の範囲です。ちょっと待って、それは大きなギャップですよね？説明しましょう。少量プロトタイピング用のコンパクトな卓上モデルは 4 kW を消費する可能性がありますが、8 または 10 ゾーンを備えた大量生産用の大型ユニットでは 10 kW ～ 12 kW に達する可能性があります。 PCB のサイズも重要です。20cm x 20cm の PCB を処理する 3 ゾーン オーブンは、高密度コンポーネントを含む 50cm x 50cm の基板を処理するオーブンよりも消費電力が大幅に少なくなります。そのため、私が新規顧客と仕事をするときは、最初に「平均的な PCB サイズと生産量はどれくらいですか?」と尋ねます。
待機電力も、見落とされがちな重要な数値です。多くの生産管理者は稼働電力のみに注目しますが、24 時間 365 日稼働するリフロー オーブンでは、1 日 2 シフトで稼働するリフロー オーブンとは異なるスタンバイ ニーズが生じます。 3 ゾーンの鉛フリー リフロー オーブンは、スタンバイ モードで約 1 kW ～ 2 kW を消費します。これは、発熱体を保温し、コンベアをゆっくりと移動させる電力であるため、PCB をロードするとすぐに使用できるようになります。ラインのバッチ間の切り替え時間が長い場合、この待機電力は実行電力よりも早く加算される可能性があります。たとえば、1 日あたり 2 時間の小さなバッチを 10 個実行し、オーブンが 1 日あたり 8 時間スタンバイしている場合、スタンバイ電力が 8 kWh であるのに対し、稼働電力が 20 kWh になります。つまり、スタンバイ電力は総エネルギー使用量の 28% になります。それは多くの人が見逃している大きな部分です。
ここで、ゾーン数とオーブンのサイズ以外に電力使用を引き起こす要因について話しましょう。加熱方法は膨大です。従来のリフロー オーブンは抵抗発熱体を使用しますが、これはシンプルではありますが、最も効率的ではありません。新しいモデルは、熱風の対流と組み合わせた赤外線 (IR) 加熱を使用します。これにより、よりターゲットが絞られ、必要な領域のみを加熱することでエネルギーの無駄が削減されます。当社の最も人気のある赤外線熱風鉛フリー SMT リフロー ov の 1 つに後ほどリンクしますが、説明のために説明すると、熱が上から放射されるだけでなく PCB 全体に均一に分散されるため、対流式オーブンは IR 専用オーブンよりも消費電力が 10 ～ 15% 少なくなります。
コンベヤの速度も影響します。オーブンをより速く実行すると、各ゾーンが PCB を加熱する時間が短縮されるため、温度を維持するために発熱体がより懸命に動作する必要があります。動作が遅すぎると、PCB がそこに置かれている間、チャンバーを高温に保つためにエネルギーを浪費することになります。ほとんどのメーカーは、鉛フリー リフロー プロファイルに基づいてコンベア速度を設定します (標準的な PCB の場合、通常は 1 ～ 2 メートル/分)。正確なプロファイルに合わせて速度を調整すると、はんだ付けの品質を犠牲にすることなく、電力使用量を最大 10% 削減できます。
断熱性ももう一つの要素です。古いリフロー オーブンでは、熱を逃がす薄いグラスファイバー断熱材が使用されていたため、熱を補うために発熱体を常に稼働させる必要がありました。最新の鉛フリーモデルは気密チャンバー設計のセラミックファイバー断熱材を使用しており、熱損失を 30 ～ 40% 削減します。そのため、異なるサプライヤーの 2 台の同じ外観の 3 ゾーン オーブンでは、消費電力が大幅に異なる場合があります。これはよく目にすることです。お客様が別のサプライヤーから 2 kW 低い 3 ゾーン オーブンの見積もりを持って当社に来られますが、テストすると、そのオーブンは壁を通して熱の 25% を失うため、実際の生産では、断熱性に優れた当社のモデルよりも多くの電力を消費します。
では、実践してみましょう。たとえば、1 日 1 シフト、週 5 日稼働し、平均サイズ 25cm x 25cm の PCB を 1 日 100 枚処理する小さな電気店があるとします。このショップの 3 ゾーン鉛フリー リフロー オーブンの公称電力は約 5 kW、待機電力は 1.5 kW で、1 日あたり 8 時間稼働します。計算してみましょう。稼働電力は 1 日あたり 5 kW x 8 時間 = 40 kWh です。待機電力は 1.5 kW x 16 時間 (シフト後オーブンが停止しているため) = 24 kWh です。 1 日の合計使用量: 64 kWh。 KWh あたり 0.15 ドルとすると、1 日あたり 9.60 ドル、または年間で 1,920 ドルになります。これは大きな数字ではありませんが、これに中規模の生産ラインのオーブン 5 台または 10 台を掛けると、年間 10,000 ドルから 20,000 ドルのエネルギーコストがかかることになります。 1 日 3 シフトで稼働する大規模施設の場合、その額は年間 50,000 ドル以上に跳ね上がります。
鉛フリーのリフローオーブンは有鉛のリフローオーブンよりもランニングコストが高いのではないかとよく質問されます。簡単に言うと「はい」ですが、多くの人が思っているほどではありません。有鉛リフローオーブンは、通常の動作では消費電力が約 20 ～ 30% 少なくなりますが、スタンバイ電力と鉛フリーのより正確な温度制御の必要性を考慮すると、その差は 10 ～ 15% に狭まります。また、鉛フリーはんだが RoHS に準拠し、鉛による環境コストや規制コストを回避し、自動車や医療用電子機器向けにより信頼性の高い接合部を製造できることを考慮すると、そのわずかな追加電力コストは、ほとんどのメーカーにとって簡単なことです。
もう 1 つ考慮すべき点は、オーブンが生産ライン全体とどのように統合されるかです。鉛フリー リフロー オーブンは真空中には存在しません。SMT ピック アンド プレース マシン、PCBA テスター、コンベア システムなどの他の機器と連携して動作します。消費電力を見るときは、オーブンだけでなくライン全体を見る必要があります。たとえば、鉛フリー リフロー オーブンをエネルギー効率の高い PCB 製造装置と組み合わせると、鉛フリー プロセスによる余分な電力の一部を相殺できます。そのため、当社の顧客の多くは、単にオーブンを購入するのではなく、当社と協力して統合ラインの構築に取り組んでいます。回路電子 PCB 製造装置についてはよくご存じかもしれません。この装置には、他のライン コンポーネントとシームレスに動作して全体的なエネルギー使用量を削減するように設計された互換性のあるリフロー オーブンが含まれています。この統合により、セットアップ時間が短縮され、アイドル電力が削減され、ライン全体が最高効率で稼働し続けます。
待ってください。実際のテストについて話しましょう。紙に書かれた数字は、生産現場で起こっていることと必ずしも一致しないからです。昨年、私たちは Bluetooth ウェアラブルを製造している顧客と協力しましたが、その顧客は競合他社の低コストの鉛フリー リフロー オーブンを使用していました。彼らは、リフローラインの電気代が月額 12,000 ドルで、利益率を圧迫していると言いました。当社では、対流加熱と優れた絶縁性を使用する 3 ゾーン リフローはんだ付けシステムの 1 つを設置し、PCB サイズとコンポーネントの負荷に合わせてプロファイルを調整しました。 3 か月後、電気料金は 28% 減少しました。これは、月あたり 3,000 ドル以上の節約になります。また、オーブンの温度制御がより正確になったため、はんだ付けの歩留まりが向上したと報告しています。これは、私たちが話している消費電力の数値が単なる理論上のものではなく、製造業務の収益を左右する可能性があることを示す、現実世界の結果です。
鉛フリーリフローオーブンの電力使用に関する一般的な通説は、誤りであることを暴く価値があります。よく耳にするのは、「オーブンが大きい = パワーが大きい」ということです。いつもではありません。大量生産用の高効率の 10 ゾーン オーブンは、プロトタイピング用の小型の 3 ゾーン オーブンよりも PCB あたりの使用量が少なくなる可能性があります。これは、24 時間年中無休でフル稼働しているため、スタンバイ電力が数千の PCB に分散されるためです。もう 1 つの迷信は、「良い結果を得るにはオーブンをフルパワーで稼働させる必要がある」です。いいえ、最新のオーブンにはゾーンごとの温度制御が備わっているため、プロファイルの必要に応じて各ゾーンを正確に調整できます。つまり、必要のない加熱ゾーンを無駄にすることがなくなります。
では、鉛フリーのリフローオーブンを検討している場合はどうすればよいでしょうか?まず、スペックシートの定格電力だけを見てはいけません。サプライヤーから実際のパフォーマンス データを入手してください。通常の生産スケジュールで、平均的なサイズの PCB を処理するオーブンがどのくらいの電力を使用するかについて確認してください。次に、前払い価格だけでなく、総所有コストを考慮してください。断熱性と効率が優れた少し高価なオーブンを使用すると、寿命全体で数千ドルのエネルギーコストを節約できます。第三に、オーブンがライン全体にどのように適合するかを考えます。チップ製造機 CNC ピック アンド プレースや大型 PCB 製造機 Bluetooth 生産ラインなどの互換性のある機器と組み合わせることで、ダウンタイムが短縮され、アイドル電力が低減され、全体的な動作がより効率的になります。
消費電力やどのモデルがニーズに適しているかがまだわからない場合は、私たちがお手伝いいたします。当社は、小規模な試作工場から大規模な自動車エレクトロニクス施設に至るまで、あらゆる規模のメーカーと協力して、パフォーマンス、コンプライアンス、エネルギー効率のバランスをとった鉛フリーのリフロー ソリューションを見つけています。少量作業用のコンパクトな卓上モデルが必要な場合でも、大規模生産用の大量システムが必要な場合でも、当社は数値を確認し、PCB を使用して当社の機器をテストし、予算に応じた最適なソリューションを見つけるお手伝いをします。
当社のリフロー オーブンの製品ラインと互換性のある製造装置の詳細については、当社の全製品をオンラインでご覧ください。特定の生産ニーズについて話し合い、電力要件に適合する鉛フリー リフロー オーブンのカスタム見積もりを取得する準備ができている場合は、遠慮なくお問い合わせください。私たちはいつでも喜んでご質問にお答えし、お客様のビジネスにとって最も効率的な選択ができるようお手伝いいたします。
参考文献
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- 国際電気標準会議 (IEC)。 （2021年）。鉛フリーリフローはんだ付け装置の性能の基準。 IEC 61788-15:2021。
- リー、S.、パテル、R. (2023)。中量エレクトロニクス生産におけるリフロー オーブンの総所有コスト。製造工学協会国際会議、187-194。