鉛フリーはんだのリフローはんだ付け温度は何度ですか？

スマートフォン、自動車用 PCB、消費者向けウェアラブルの製造など、エレクトロニクス製造に携わったことがある方は、おそらく「リフローはんだ付け」という用語を聞いたことがあるでしょう。また、鉛フリーはんだ (RoHS などの環境規制のおかげで、ほとんどの地域で義務化されています) を使用している場合、誰もが抱く大きな疑問は、「適切なリフローはんだ付け温度はどれくらいか?」ということです。 10 年以上 SMT チームと協力してきたリフローはんだ付けサプライヤーとして、私はあまりにも多くのプロジェクトが不適切な温度プロファイルのせいで計画通りに進まないのを見てきました。暑すぎるとコンポーネントが焼けたり、寒すぎると接合部が脆くなったりします。専門用語を多用せず、毎週ピック アンド プレース マシンやリフロー オーブンに取り組んできた人による本当の話を、簡単に説明しましょう。

まず、基本を正しく理解しましょう。鉛フリーはんだは、快適な 183°C (361°F) で溶ける古い鉛入りのはんだとは異なります。最近最も一般的な鉛フリー合金は、強度、手頃な価格、およびコンプライアンスのバランスが取れているため、錫、銀、銅からなる SAC305 です。その融点は約 217°C (423°F) なので、リフロー プロファイルはこれに達する必要がありますが、はんだが流れるまでオーブンの温度を上げるだけというほど簡単ではありません。ボードやコンポーネントの強制終了を避けるために、特定の段階でプロファイルを構築する必要があります。

標準的な鉛フリー リフロー プロファイルの 4 つの主要な段階を見てみましょう。第 1 段階は予熱で、通常は 150°C ～ 200°C (302°F ～ 392°F) で 60 ～ 120 秒間行います。これには 2 つの大きな効果があります。1 つはんだペースト上のフラックスを乾燥させること (フラックスは、はんだがくっつくように金属表面をきれいにするネバネバしたものです) と、基板を均一に加熱して熱衝撃を与えないことです。熱衝撃とは、冷えた PCB に一度に熱が加えられることです。この段階を省略すると、PCB の小さな亀裂やチップ抵抗器の微小亀裂がどれほど多くなるか驚くでしょう。プロトタイピング用の 3 ゾーン リフロー オーブンなどの小規模なセットアップを使用している場合は、小さなボードほど加熱が速いため、予熱時間を調整する必要がある場合があります。

ステージ 2 はソーク ステージで、多くの新人がスキップしたり急いだりします。ここで、予熱温度 (通常は 180°C ～ 200°C (356°F ～ 392°F)) をさらに 60 ～ 90 秒間保持します。ここでの目標は、すべてのコンポーネント (大小) を同じ温度にし、フラックスがパッドやはんだボールから酸化物を除去するのに十分な活性を示すことを確認することです。十分に浸さないと、接合部が冷えてしまい、時間の経過とともに切れてしまう鈍くざらざらした接合部が発生し、現場での失敗にとっては悪夢のような状態になります。安価な 3 ゾーン オーブンを使用し、浸漬を省略したクライアントのことを覚えています。彼らは基板の 30% を作り直す必要がありました。そこで私たちは、次のようなより精度の高いユニットへのアップグレードを推奨しました。HW-R10 SMTアセンブリ用10ゾーンリフローはんだ付けオーブン、爪を完璧に浸す温度に特化したゾーンがあります。

次はリフロー段階です。これは誰もが気にする部分です。ここは最大 245°C (473°F) のピークですよね?待って、待ってください。全力でそのピークに到達しないでください。 SAC305 の融点 217°C をわずか 10 ～ 15 秒上回るだけで、ピークまで緩やかに上昇する必要があります。なぜ？ IC などのコンポーネントは超高熱に長時間耐えることができないためです。ほとんどの標準的な SMT 部品の最大定格は 260°C なので、それを超えることは絶対に避けてください。 「仕事が早く終わるから」という理由で、ピークを 250℃ に設定している新人エンジニアが多すぎますが、それは BGA や繊細なコネクタをダメにする方法です。ここで重要なのは、1 箇所だけでなくボード全体の温度を監視することです。大きな電力コンポーネントが小さな 0201 チップの隣にある場合、必要な熱は異なるため、一貫性を保つためにマルチゾーン オーブンを使用することは交渉の余地がありません。の回路電子基板製造装置このページには、ゾーン数がプロファイルの精度にどのような影響を与えるかについて詳細に説明されているため、始めたばかりの場合は確認してください。

次にクールダウン段階があります。これは見落とされがちですが非常に重要です。ボードを 30 ～ 60 秒以内に室温 (または少なくとも 75°C/167°F) まで冷却する必要があります。また、急激に冷気を吹き付けるのではなく、ゆっくりと安定して冷却する必要があります。急速冷却によりはんだ粒子が小さくなり、より強力で信頼性の高い接合が形成されます。冷却が遅すぎると、粒子が大きくなり、より脆くなります。特に振動を受ける自動車部品や医療部品には何の役にも立ちません。私はかつて航空宇宙産業の顧客と仕事をしていましたが、顧客は当社の製品に切り替えました。HW-R816Z SMT用8ゾーンデュアルコンベアリフローオーブン古いオーブンでは冷却効果が弱かったためです。彼らは一晩で関節の故障率を 40% 減少させました。デュアルコンベアは、相互汚染することなく一度に 2 枚の基板を処理できるため、大量生産の場合にも役立ちます。

ここで重要なのは、すべてに適合する万能のプロファイルは存在しないということです。それは、基板のサイズ、コンポーネントの組み合わせ、さらにはんだペーストのメーカーの仕様によっても異なります。より短い浸漬時間を必要とするはんだペーストもあれば、より高いピーク時間を必要とするはんだペーストもあります。だからこそ、テストには交渉の余地がありません。私は常にクライアントに、大きなコンポーネント、小さなチップ、PCB エッジなど、さまざまな場所に熱電対を取り付けてテストボードを実行し、すべての点が推奨範囲内にあることを確認するように指示しています。少量のプロトタイピングを行う場合は、10 ゾーンの巨大なオーブンは必要ありません。コンパクトなチップ製造機 CNC ピック アンド プレイス3 ゾーン リフロー オーブンと組み合わせると正常に動作します。中量の場合は、6 ゾーン ユニットを使用します。マイクロピッキングアンドプレース用製造機械このラインは、大金を掛けずに精度とスピードのバランスをとっているため、完璧です。

待って、よくある間違いについて話しましょう。まず、コンポーネントの温度感度が考慮されていません。 LED などは最大温度がマイクロコントローラーよりも低い場合があるため、プロファイルを最も弱いリンクに調整する必要があります。第二に、フラックス活動を無視します。リフロー温度が低すぎると、フラックスが適切に活性化せず、ボイドが発生します。ボイドははんだ接合部の小さな気泡です。ボイドは接続を弱め、高ストレスのアプリケーションでは時限爆弾となります。第三に、オーブンを過密状態にすることです。ボードを近づけすぎると、熱風が間違って循環し、プロファイルが不安定になります。オーブン内のボードの間には常にスペースを残し、ゾーンの温度に対してコンベアの速度を確認してください。

もう 1 つの重要な点は、コンプライアンスです。現在、ほとんどの地域で鉛フリーはんだ付けが義務付けられているため、温度プロファイルが低すぎる手抜きをすると、製品が税関で引っかかったり、市場から禁止されたりする可能性があります。有鉛基板上の有鉛はんだ用のプロファイルを使用したため、不良品のバッチが発生した後に私のところに来られるお客様がいらっしゃいました。これはまったくの惨事でした。 SAC305 (またはより優れた高温耐性が必要な場合は SAC-Q) を使用し、前述した温度範囲を守ってください。

初めてリフロー ラインをセットアップする場合は、機器をケチらないでください。安価な無名のオーブンを使えば、初期費用は節約できるかもしれませんが、接合部の不良やプロトタイプの失敗による再加工コストで予算が潰れてしまいます。プロファイルをカスタマイズできる信頼性の高いリフロー オーブンに投資する価値は十分にあります。当社は、オーブンを使用してプロトタイピングから本格的な生産に至るまで、数十の小規模店舗のスケールアップを支援してきました。そのため、お客様のニーズに適切な機械を適合させる方法を熟知しています。

結局のところ、鉛フリーはんだのリフローはんだ付け温度は乱数ではなく、熱、時間、制御のバランスによって決まります。プロファイルを正しく取得し、量とコンポーネントの混合に適したオーブンを使用すれば、いつでも強力で信頼性の高いはんだ接合が得られます。特定のプロジェクトにどのプロファイルが機能するかについてまだ頭を悩ませている場合、またはジョイント障害に対処するのをやめるためにリフロー設定をアップグレードしたい場合は、ニーズに合わせてチャットしてください。私たちは単なるサプライヤーではありません。実際にお客様と一緒に現場に入り、プロファイルのトラブルシューティングを行い、SMT ラインをスムーズに実行するための適切な機器の選択を支援するチームです。

参考文献

IPC-J-STD-020、「非ハーメチックソリッドステート表面実装デバイスの湿気/リフロー感受性分類」
IPC-SM-817、「はんだ付けされた電気および電子アセンブリの要件」
SAC305 はんだペースト技術データシート、Indium Corporation、2022
ROHS 2.0 指令 2011/65/EU、欧州議会、2011 年