鉛フリーリフローにおけるはんだショートのトラブルシューティング方法

鉛フリー リフロー オーブンのサプライヤーとして、私は過去 10 年間、リフロー後の PCB の上に群がる SMT 技術者、生産管理者、ライン リードの隣に立って、ピンセットで小さなはんだ接合部をつつきながら、同じイライラする問題であるはんだショートについてつぶやいてきました。鉛フリーのラインを稼働させたことがある人なら、これが単なる小さな問題ではないことをご存知でしょう。短絡により、生産が何時間も停止し、数十枚の基板が廃棄され、チームがすでに手薄になっているときに注文が遅れる可能性があります。実際の問題は通常、回避可能な小さなミスの積み重ねであるのに、ステンシル、リフロー プロファイル、さらには倉庫の湿度のせいにするなど、チームが修正を推測することに何時間も費やしているのを私は見てきました。今日は、鉛フリーリフローにおけるはんだショートのトラブルシューティング方法、当社の機器を購入するすべてのお客様に教えているのと同じ方法、そしてお客様の手戻り率を平均 40% 削減したヒントについてカーテンを引き戻します。これを現実的に理解することから始めましょう。鉛フリーはんだ（通常、錫、銅、ニッケル、銀の混合物）は、従来の錫鉛よりも 30 ～ 40°F 高い温度で溶けます。これは、リフローウィンドウが狭く、表面張力が異なることを意味し、プロセスのわずかな偏差でさえ、発生すべきでないブリッジやショートを引き起こす可能性があります。幸いなことに、私たちが目にするほぼすべての短編は、当てずっぽうではなく、体系的かつ段階的にチェックすることで解決できるということです。

ほとんどのチームが短編映画を見るときに最初に注目する場所、つまりピックアンドプレイスのプロセスから始めましょう。はんだが基板に接触する前に、コンポーネントを正確に配置する必要があります。コンポーネントの位置ずれは、鉛フリー リフロー ショートのトップ 3 原因の 1 つです。私はこれを何百回も見てきました。技術者が、キャリブレーションがわずかにずれている古いピックアンドプレースマシンを使用して生産ラインを稼働させており、0402 抵抗器がパッドからわずか 0.1mm ずれているのです。リフロー中、溶けたはんだがコンポーネントのリードと隣接するパッドの両方を濡らし、最終的な AOI チェックまで見逃されやすいショートを引き起こします。これははんだ付け自体の失敗ではなく、上流のコンポーネントの配置の失敗です。電話、ウェアラブル、産業用電子機器で一般的な微細ピッチのコンポーネント (0.4 mm 以下) を扱うチームの場合、このリスクは倍増します。そのため、毎週だけでなく、毎回の生産実行の開始時に、ピックアンドプレイス システムが校正されていることを常に確認することをお勧めします。たとえば、数値制御されたピックアップと配置の電子セットアップを使用している場合は、最初に製造された 100 枚から 10 ～ 15 枚のサンプル ボードを取り出し、デジタル顕微鏡でコンポーネントの位置合わせを測定します。コンポーネントの位置が 0.05 mm ずれているだけでも、鉛フリー リフローの不足につながる可能性があり、はんだの溶融範囲が狭いため、セルフアライメントにかかる時間が短くなります。数年前、Bluetooth スピーカーの PCB で 12% のショート率が発生しているクライアントがいました。結局、ピック アンド プレース ノズルに小さな亀裂があり、それが 0201 コンデンサの一貫した位置ずれの原因となっていたことがわかりました。ノズルを交換し、毎日の調整チェックを追加すると、不良率は 1 週間で 1.8% に低下しました。これは上流の小さな詳細ですが、大きな影響を与えます。

次に、コンポーネントの配置からステンシルとはんだペーストに移ります。これは、トラブルシューティングを行うショートの 60% が、リフロー オーブン自体ではなく、ステンシルの設計またははんだペーストの塗布に遡るためです。無鉛はんだペーストには有鉛ペーストとは異なる特性があります。つまり、粘度が高く、印刷中の「スランプ」が少なく、各パッドに適切な量のはんだを付着させるには一定の圧力が必要です。ここで最も一般的な原因は、はんだペーストが多すぎることです。ステンシルの開口部が大きすぎる場合 (または、50,000 回の印刷後に穴が伸びてステンシルが磨耗している場合)、隣接するパッドに余分なはんだが残り、リフロー中に橋が架かってしまいます。私はつい最近、FDA の検査用に心臓モニターの PCB を製造していた医療機器メーカーでこれを目にしました。彼らのステンシルは 10 年前のもので、ファインピッチ IC の開口部は十分に磨耗しており、各堆積物は設計よりも 15% 大きくなっていました。リフロー中に溶けたはんだがピン間の隙間にこぼれてショートが生じ、規制当局の監査を2週間遅らせることを余儀なくされた。修正は新しいリフローオーブンではなく、コンポーネントに合わせた開口サイズを備えた 0.15 mm レーザーカットのステンシルと、乾燥したはんだペーストの残留物を穴から除去する毎月のステンシル洗浄スケジュールでした。ここでもう 1 つチェックすべき点は、はんだペーストの保管と鮮度です。鉛フリーペーストの保存期限は 40°F で 6 か月ですが、開封後は室温で 24 ～ 48 時間しか有効ではありません。チームが 3 日間放置したペーストを取り出したり、冷凍庫から間違って解凍したりして、ペーストがトロトロになってしまったのを見たことがあります。流れ出るペーストは印刷中にパッドに留まらないため、隣接するパッドに余分なはんだが残り、リフロー中にショートが発生します。同様の基板設計で一貫したショートが見られる場合は、バッチの中間点からはんだペーストのサンプルを取り出します。粒子が粗いように見えたり、金属粒子が分離している場合は、期限切れの兆候であり、交換する必要があります。

ここで、リフロー プロファイル自体に移りましょう。これは、ほとんどのチームがトラブルシューティングの際に最初に検討する場所であり、鉛フリー プロセスで最も微妙な違いが見られる場所です。不適切なリフロープロファイルははんだ接合部のサイレントキラーであり、正しく設定されていない場合、ショートが最も明らかな症状です。鉛フリーの場合、理想的なプロファイルには予熱、ソーク、リフロー、冷却という 4 つの異なるゾーンがあります。予熱ゾーンは、基板を 1 秒あたり 1 ～ 2 °C で上昇させ、室温から開始して 150 ～ 180 °C の間で終了する必要があります。このゾーンは、PCB とコンポーネントから水分を除去し、熱衝撃を防ぎ、はんだペーストのフラックスを活性化し始めます。ソークゾーンでは基板を 150 ～ 180°C に 60 ～ 90 秒間保持します。フラックスはほとんどの作業をここで行います。フラックスはパッドとコンポーネントのリード線から酸化物を除去し、溶融はんだが適切に濡れるようにします。リフロー ゾーンは精度が最も重要な場所です。ピーク温度は 245 ～ 260°C であり、液相線以上の時間 (TAL) は 60 ～ 90 秒である必要があります。ピーク温度が低すぎると、はんだが完全に溶けず、接合部が冷えてしまいます。高すぎる場合、または TAL が長すぎる場合、フラックスが燃え落ち、溶けたはんだが「濡れすぎ」ます。つまり、隣接するパッド上で意図したよりも遠くまで広がり、ブリッジやショートが発生します。私の顧客は自動車エレクトロニクス分野で、ピーク温度が 275°C の一般的な鉛フリー リフロー プロファイルを使用していましたが、これは自社の 0.5mm ピッチ IC には高すぎる 20°F 近くでした。彼らは ECU の 8% でショートを確認しており、彼らの最初の反応は、SMD リフローはんだ付けのセットアップに欠陥があるというものでした。 70 秒の TAL で 250°C でピークになるようにプロファイルを調整したところ、2 日以内にショート率が 0.9% に低下しました。これが、フリーサイズのプロファイルと、特定のコンポーネントや PCB 設計に合わせて調整されたカスタム プロファイルの違いです。もう 1 つのよくあるプロファイルの間違いは、リフロー オーブンのコンベア全体での不均一な加熱です。ほとんどの鉛フリーリフローオーブンは赤外線と熱風を使用して基板を加熱しますが、熱風ノズルが詰まっていたり、コンベアがわずかに傾いている場合は、基板の一方の端にホットスポットができ、もう一方の端に温度の低いスポットができる可能性があります。ホットスポットによってはんだが早期に広がり、基板の片側にショートが発生する可能性があり、一方、クールスポットによってもう一方の側にコールドジョイントが発生する可能性があります。そのため、特にボード サイズやコンポーネント タイプを切り替える場合には、生産実行ごとにデータ ロガーを使用してプロファイルの一貫性をチェックすることをお勧めします。これを行わない場合、何百ものショート動画が作成される前にプロフィールの問題を発見する重要なチェックが欠けていることになります。

待って、ここで一時停止しましょう。これは、自動化の話に戻るのに良いポイントです。なぜなら、私が一緒に働いている多くのチームが、大量生産のための自動化ラインに移行しているからです。デスクトップロボットのピッキングと配置を自動化する移行により、人的エラーは減少しましたが、調整されていない場合にショートにつながる可能性のある新しい変数も導入されました。たとえば、自動ピック アンド プレイス ロボットの Z 軸の高さが低すぎる場合、配置中にコンポーネントのリードがはんだペーストに押し込まれ、余分なペーストが隣接するパッドに押し付けられる可能性があります。 Z 軸が高すぎると、リフロー中にコンポーネントが移動し、前に説明したのと同じ位置ずれが発生します。私たちは、プロトタイプから月産 10,000 ユニットまでスケールアップし、手動配置から自動ロボット ラインに切り替えたクライアントでこれが起こっているのを見てきました。新しい 01005 抵抗器に合わせてロボットの Z 軸を再調整しなかったので、1 週間以内に 2,000 枚の基板にショートしたジョイントができました。修正は？コンポーネントの高さの 10 分間の校正チェックと、小さくて繊細なコンポーネントのロボットの配置圧力のソフトウェア調整。これが、チップ製造機 CNC ピック アンド プレイスを追加する場合でも、大型 PCB 製造機 Bluetooth 生産ラインの新しいコンベア速度に切り替える場合でも、自動化セットアップを更新するときは、完全な生産の前に最初に小さなテスト ボードを実行することを常にアドバイスする理由です。所要時間は 15 分で、その後のやり直し作業にかかる時間を節約できます。

ここで、チームが見落としがちな短絡のあまり明白ではない原因、つまり PCB 設計とリフロー後の処理について話しましょう。プロセスのせいにするのは簡単ですが、根本的な問題がデザイン自体にある場合もあります。パッド間隔が 0.2 mm 以下のファインピッチ コンポーネント (0.4 mm 以下) は、完全なプロセス制御であっても特にショートが発生しやすくなります。 PCB 設計者がパッド間にはんだマスクの「クリアランス」を追加しすぎると、露出した銅が残り、リフロー中にさらにはんだが引き寄せられる可能性があります。または、2 つのパッド間のトラックが狭すぎる場合、溶けたはんだがそこに吸い込まれ、ショートが発生する可能性があります。幸いなことに、クリアランスを 0.05 mm 減らす、小さなはんだ止めを追加してパッド開口部を狭くするなど、設計を少し調整するだけで、プロセスを変更することなくショートを完全に排除できるということです。私は、スマート ウォッチを製造しているクライアントでこの問題を経験しました。そこでは、0.35 mm ピッチのマイクロ USB コネクタがリフロー中に一貫したショートを引き起こしていました。彼らの設計チームは、コネクタ パッドのステンシル開口サイズを 0.12 mm から 0.1 mm に調整し、同じリフロー プロファイルとピック アンド プレース設定でもショートが発生しなくなりました。リフロー後の処理も隠れた原因です。チームが素手で基板を扱っている場合、皮膚の油分によってはんだパッドが汚染される可能性があります。また、リフロー後すぐに基板を積み重ねている場合は、溶けたはんだ（固まっているように見えても）が移動してショートが発生する可能性があります。リフロー後、基板を移動する前に 20 ～ 30 分待ってから、実装済みの PCB を取り扱うときに ESD 手袋を使用し、保管中に基板の間にセパレータを使用することを常にお勧めします。以前、リフロー直後に 20 枚の基板を高く積み上げていたチームがありましたが、上部基板の底部のはんだがわずかに溶けて下の基板上部を橋渡ししていたために、下部基板の 15% がショートしていました。これは、セパレーターを追加し、積み重ねる前にさらに 10 分待つという簡単な修正で、一夜にして空売り率が半分に減りました。

これを実践的なトラブルシューティング ワークフローで締めくくりましょう。これは、制作中にショートを見たときに、推測するのではなく段階的に実行できるワークフローです。まず、ただちに生産を停止してください。待っていても無駄が増えるだけです。ショートのあるボードを 5 枚、欠陥のないボードを 5 枚入手します。短絡した接合部を顕微鏡で検査します。コンポーネントの位置がずれていませんか? 「はい」の場合は、ピックアンドプレイスの位置合わせとノズルの状態を確認してください。次に、ステンシルをチェックします。ブランクの PCB にテスト ステンシルを印刷し、はんだの堆積を検査します。均一で、適切なサイズで、パッドから溢れていませんか?デポジットが大きすぎる場合は、ステンシルの磨耗をチェックし、はんだペーストの粘度を確認し、印刷圧力と印刷速度を確認してください。 3 番目に、最後の実稼働実行からデータ ロガーを取得します。リフロープロファイルを見てください。ピーク温度は範囲内でしたか? TAL は 60 ～ 90 秒でしたか?全体的にホットスポットやコールドスポットはありましたか?プロファイルがずれている場合は、調整してテストボードを実行します。最後に、上流の問題を確認します。はんだペーストは新鮮ですか?ステンシルが覆われていないまま放置されたダウンタイムはありましたか?最近、自動化設定に変更がありましたか?このワークフローに従うと、機器の欠陥ではなく、小さな修正可能な問題によって引き起こされるショートの 90% が排除されます。

結局のところ、鉛フリーリフローにおけるはんだショートは生産の妨げになる必要はありません。これらはプロセスに小さな問題があることを示す兆候であり、鉛フリー リフロー オーブンが壊れているということではありません。毎年何百ものメーカーと協力している私たちのチームにとって、チームが犯す最大の間違いは、プロセス、材料、上流ステップを最初に監査せずに、高価な機器の交換に飛びつくことです。少量のプロトタイピング ボードを実行している場合でも、24 時間年中無休の大量の Bluetooth 生産ラインを実行している場合でも、各実行の開始時に 15 分かけて位置合わせ、ステンシルの状態、プロファイルの一貫性をチェックすることで、何時間ものやり直しやスクラップを節約できます。

一貫したはんだショートに悩まされている場合、または欠陥を減らすために鉛フリーリフロー設定をアップグレードしたい場合は、当社がお手伝いいたします。当社は、スタートアップの試作工場から大手自動車会社や医療機器会社まで、あらゆる規模のメーカーと協力して、プロセスの調整、機器の校正、やり直し率の削減と歩留まりの向上を実現するワークフローの実装を行っています。当社のチームに連絡して、お客様固有の課題について話し合い、生産ラインに最適なソリューションを見つけてください。

参考文献

1. IPC-J-STD-005、電子アセンブリ用のはんだ付けフラックスの要件
2. IPC-A-610、電子アセンブリの許容性
3. 鉛フリーリフローはんだ付け: 実践ガイド、SMTA インターナショナル、2022 年
4. ピックアンドプレイス校正のベスト プラクティス、Surface Mount Technology Association、2021 年
5. はんだペーストの保管および取り扱いガイドライン、Alpha Assembly Solutions、2023 年