リフローオーブンのプロファイルを作成する方法は？

SMT アセンブリに精通している方なら、リフロー オーブン プロファイルが画面上の単なる数字の集まりではないことをご存じでしょう。それが、はんだ付けされた基板の良し悪しを決めるのです。長年リフローはんだ付け装置を使ってきた私は、あまりにも多くのチームがプロファイルのセットアップをスキップし、コールドジョイントやツームストーン、さらにはコンポーネントの損傷に至ることを見てきました。今日は、難しい専門用語を必要とせずに、機能する固体リフロー オーブン プロファイルを構築する方法を正確に説明します。飛び込んでみましょう。

まず、現実のことを理解しておきましょう。不適切なプロファイルは単に面倒なだけではなく、生産の歩留まりを低下させ、多大な時間を費やす可能性があります。私はクライアントが「デフォルトのオーブン設定」で実行しているのを見てきましたが、なぜ鉛フリー基板が検査で不合格になり続けるのか疑問に思っています。実際のところ、基板はそれぞれ異なり、プロファイルははんだペースト、コンポーネント、オーブンに適合する必要があります。プロファイルを機能させるための信頼できる機器をお探しの場合は、3 ゾーン リフロー オーブンや、混合アセンブリに最適な多機能 8 ゾーン リフローはんだ付けシステムなどのオプションをチェックしてください。

待ってください。手順に入る前に、事前に必要な基本事項を説明しましょう。プロファイル ブラインドを構築することはできません。はんだペーストの仕様、コンポーネントの組み合わせ、オーブンの機能という 3 つの重要な要素が必要です。はんだペーストについては、鉛フリー (SAC305 など) が現在標準であるため、液相線 (TAL) を超える推奨時間 (通常は 60 ～ 90 秒) と約 245°C のピーク温度を守る必要があります。有鉛ペーストを使用している場合は、それよりも低くなり、ピーク値は約 217°C になります。次に、コンポーネントである小さな 0201 抵抗器は、大きな BGA や LED などの熱に敏感な部品とは異なる加熱を必要とします。そしてあなたのオーブンは？すべてのリフロー オーブンが同じというわけではありません。当社の SMT アセンブリ用 10 ゾーン リフローはんだ付けオーブン HW-R10 は、小型の 2 ゾーン モデルよりもはるかに多くのゾーン制御を可能にし、複雑な基板を均一に加熱する革新的な製品です。大量生産を扱う場合、SMT 用の HW-R816Z 8 ゾーン デュアル コンベヤ リフロー オーブンを使用すると、相互汚染を発生させることなく 2 つの基板サイズを同時に実行できます。また、SMT ライン用の HW-R816E 8 ゾーン メッシュ ベルト リフロー オーブンは、硬いコンベヤを好まない繊細な基板に最適です。

さて、ステップ 1: ボードと熱電対を準備します。これはほとんどの人が間違える部分です。熱電対はどこにでも貼り付けることができます。ボード上の最も熱い場所と最も冷たい場所を表す必要があります。たとえば、中央に BGA があり、端に小さな SMD がある場合、両方に熱電対を配置する必要があります。私は通常 5 ～ 6 つのポイントを実行します。1 つは大きなコンポーネント (コネクタや BGA など)、1 つは小さな 0402 または 0201、1 つはボードの端、1 つはサーマル パッド (使用している場合)、そして異常を検出するために 2 つの追加ポイントです。プロのヒント: 熱電対を取り付けるには、高温のはんだまたはカプトン テープを使用してください。セロテープはリフロー中に溶けて、データが不良になります。始めたばかりで、このプロセスを成功させるための機器が必要な場合は、当社の回路電子 PCB 製造装置シリーズには、常に一貫したプロファイルを作成するために必要なツールがすべて揃っています。

ステップ 2: プロファイルを 4 つの主要なフェーズに分割し、急いで進めないでください。オーブンが段階的に上昇するのには理由があります。速すぎるとボードが歪んでしまいます。遅すぎると、はんだペーストが酸化し始めます。各フェーズを簡単に分類してみましょう。

1. 予熱段階: 室温から約 150°C まで加熱する段階で、合計 60 ～ 120 秒かかります。ここでの目標は、はんだペースト内のすべての溶剤を焦がさずに蒸発させることです。ここでの立ち上がりが 1 ～ 2 °C/秒 (°C/s) よりも速い場合、飛沫が発生したり、ペーストが不均一になったりします。私は常に 0.8 ～ 1.2°C/s の予熱を目指しています。これは、コンポーネントの亀裂を防ぐのに十分な速度であり、適切なサイクル タイムを保つのに十分な速さです。ここで熱を強める必要はありません。これは乾燥に関するものであり、はんだ付けに関するものではありません。

2. 浸漬段階: 次に、150 ～ 180°C で 60 ～ 90 秒間保持します。これはプロファイルの過小評価されている部分です。ここでフラックスが活性化され、パッドとコンポーネントのリード線の酸化が除去されます。ソークを省略したりケチったりすると、見た目は大丈夫でも後で失敗する冷たい接合部ができてしまいます。浸漬温度は正確である必要はありませんが、全体にわたって一貫している必要があります。繰り返しますが、予熱からソークまでランプを監視し、コンポーネントに衝撃を与えないように 1.5°C/s 以下に保ちます。大きな部品と小さな部品が混在する基板の場合、浸漬時間を長くすると、すべてのコンポーネントの温度を均一に上げることができます。

3. リフロー段階: これは高温の部分です。まず、ソーク温度からピーク温度まで 0.5 ～ 1°C/s で上昇します。これより速いというわけではありません。ここで 1°C/s を超えると、BGA または QFP に熱衝撃が発生し、目に見えない内部クラックが発生する可能性があります。ピーク温度は使用するはんだペーストによって異なります。鉛フリーは 240 ～ 250°C、有鉛はんだは 210 ～ 220°C です。ここで重要なのは液相線以上の時間 (TAL) です。鉛フリーの場合、これは 60 ～ 90 秒です。 TAL が少なすぎたり (フラックスがその役割を果たさない)、多すぎたり (コンポーネントが過熱) する必要はありません。私は通常、基板がランプの終わりで液相線に達し、ピークに達する前にその TAL ウィンドウの間液相線のすぐ上に留まるようにリフロー ゾーンの温度を設定します。

4. クールダウン段階: 最後に、降ろす前に、温度を 2 ～ 3°C/秒などで約 50°C まで急速に下げます。急速冷却により良好な錫-鉛金属間化合物層が形成され、接合部が強くなります。冷却が遅すぎると、特に鉛フリーの場合、接合部が脆くなります。ただし、基板上に冷気を急激に放出しないようにしてください。急激な温度低下により、大きな PCB に反りが生じる可能性があります。当社のリフロー オーブンには、ランプ レートを調整できるクール ゾーンが組み込まれているため、当てずっぽうでボードに合わせて微調整できます。

待ってください。プロファイルのテストについて話しましょう。最初のバージョンは決して完璧ではないからです。ゾーン温度を設定したら、テストボードを実行して熱電対データを確認します。最も寒い場所を探します。エッジが中央より 10°C 低い場合は、次のランのためにそのゾーンの温度を少し上げる必要があります。 BGA が他の BGA よりも高温で動作している場合は、そのゾーンを下げるか、ランプ レートを調整する必要がある場合があります。プロファイルを固定する前に、私は常に少なくとも 3 回のテスト実行を行います。運用環境では推測が許される場所はありません。また、より正確なプロファイルを得るためにゾーン制御を改善するためにオーブンをアップグレードする場合、当社の製品群には、SMT ライン用の HW-R816E 8 ゾーン メッシュ ベルト リフロー オーブンなどのオプションがあり、基板上のホット/コールド スポットを修正するための独立したゾーン加熱機能を備えています。

私がいつも目にするよくある間違い: まず、コンポーネントの熱質量を無視します。電源 IC 上の大きなヒートシンクは、小さな 0201 抵抗器よりも多くの熱を必要とするため、プロファイルは万能ではありません。 2つ目は、立ち上げを急ぐことです。以前、クライアントに 3°C/s の予熱でプロファイルを実行させたことがありますが、その BGA の半分に内部亀裂があり、100 枚のボード後にそれが現れました。まったくの悪夢でした。第三に、オーブンゾーンを調整しないことです。オーブンは時間の経過とともに変動するため、3 か月ごとにゾーンの温度を確認するか、プロファイルの問題に気付いた場合は確認する必要があります。当社のチームがオーブンの校正をお手伝いします。また、信頼性の高い新しいユニットをお探しの場合は、初日から一貫したプロファイルが得られるように事前校正された多機能 8 ゾーン リフローはんだ付けラインをチェックしてください。

もう 1 つは、鉛フリープロファイルと有鉛プロファイルです。それらは交換可能ではありません。鉛入りはんだは 183°C で溶けるので、TAL は 30 ～ 60 秒、ピーク温度は約 217°C です。鉛フリーも約 217°C で溶解しますが、SAC 合金は流動性が低いため、より高いピーク温度とより長い TAL が必要です。有鉛ランと鉛フリーランを切り替える場合は、プロファイル全体を調整する必要があります。ゾーンの温度を切り替えるだけでは調整できません。だからこそ、より多くのゾーンを備えたリフロー オーブンが役立ちます。SMT アセンブリ用の HW-R10 10 ゾーン リフローはんだ付けオーブンを使用すると、プロファイル全体を台無しにすることなく、さまざまなはんだの種類に合わせて各セクションを微調整できます。

ここで、本番稼働に向けてすべてをまとめます。プロフィールがロックされたら、それを文書化してください。各ゾーンの温度、ランプレート、フェーズごとの時間、および TAL を書き留めます。ボード設計が変更された場合は、古いプロファイルを単に調整するのではなく、最初に新しいプロファイルをテストしてください。私は常に、実行するすべてのボード タイプのプロファイル ログを保存します。クライアントのバッチに問題がある場合は、ボードの設計ではなく、プロファイルが間違っていないかどうかを遡って確認できます。また、大量生産を実行している場合、SMT 用の HW-R816Z 8 ゾーン デュアル コンベヤ リフロー オーブンのようなオーブンを使用すると、複数の基板を同時に実行できるため、品質を犠牲にすることなく部品を生産しながら一貫したプロファイルを維持できます。

結局のところ、優れたリフロー オーブン プロファイルとは、時間、温度、コンポーネントのニーズのバランスをとることがすべてです。ロケット科学ではありませんが、細部にまで注意が払われています。歩留まりの悪さや接合部の不一致に悩んでいる場合、またはより良いプロファイルを実現するためにリフローはんだ付け装置をアップグレードする必要がある場合は、当社のチームがお手伝いします。当社は小規模ショップから大規模 OEM まで、あらゆるタイプの SMT チームと連携しています。そのため、3 ゾーン リフロー オーブンのようなコンパクトなユニットをお探しの場合でも、複雑な基板用の高性能システムをお探しの場合でも、お客様のニーズについて話し合うために、遠慮なく営業チームに連絡してください。

参考文献

1. J. Liu、リフローはんだ付けのための SMT プロセス設計、エルゼビア、2018 年。
2. IPC-7530、電子アセンブリの再加工、修理、および組み立てに関するガイドライン、エレクトロニクス産業をつなぐ協会、2020 年。
3. K. Gilleo、「表面実装テクノロジー: 原則と実践」、マグロウヒル、2019 年。