リフローはんだ付けにおいて、液相線温度を超えることが許容される最大時間はどれくらいですか？

SMT アセンブリで作業している場合は、本題に入りましょう。リフローはんだ付けの最も重要な成否を分ける段階は、基板が液相線 (略して TAL) を超えて費やす時間です。これを台無しにすると、接合部が冷えたり、墓石ができたり、コンポーネントが損傷したりすることになります。これらすべてが生産性を低下させ、ラインマネージャーの髪の毛を引っ張る原因になります。オーブンの調整や生産ラインのトラブルシューティングに何年も費やしてきたリフローはんだ付けサプライヤーとして、私は毎日この質問をされます。液相線を超えて実際に放置できる最大時間はどれくらいですか?

まず、ここに初めて参加する人のために、基本的な内容を理解しましょう。鉛フリーはんだ (現在は標準で、ロジンベースの 63/37 錫鉛のものはありません) の融点は、最も一般的な合金である SAC305 の場合、ちょうど 217°C (423°F) 付近です。 TAL について話すとき、それは最初のはんだペーストの小球が液体になってから最後のはんだペーストが再び固化するまでの範囲です。つまり、およそ 217°C 以上になります (SAC405 などの別の合金を使用している場合は少し調整してください。ただし、ここでは SAC305 が業界標準であるため、SAC305 に固執します)。

ここが難しいところです。万能の数字はありません。それは、コンポーネント、基板の熱質量、選択したはんだ合金、およびプロセスの目標によって異なります。しかし、私が常にクライアントに伝えているベースラインから始めましょう。ほとんどの標準的な SMT アセンブリでは、TAL を 90 秒を超えないようにしてください。ちょっと待ってください。眉をひそめる前に、これが低から中複雑さのボードの上限です。しかし、ファインピッチ IC やマイクロチップなどの小型で熱に弱いコンポーネントを扱う場合は、この数は減少します。 TAL を 85 秒に達させたために、多数の 0201 抵抗と BGA を備えたボードが接続部をポップするのを見たことがありますが、重い銅プレーンを備えた別のボードは 82 秒で問題なく動作しました。それはすべて可変です。

なぜ TAL がそれほど重要なのでしょうか?分解してみましょう。はんだが液体の場合、金属間化合物 (IMC) が成長するリスクがあります。 IMC は、はんだとコンポーネントのリード/PCB パッドの間に形成される脆い層です。 TAL が長すぎると、IMC が厚くなりすぎて、厚さが 5 ミクロンを超えてしまいます。厚い IMC は曲がりません。基板が振動や熱衝撃を受けると亀裂が入り、断続的な接続や完全な故障につながります。さらに、熱に弱いコンポーネント (LED、プラスチック コンデンサ、一部のマイクロコントローラーなど) は、高温に長時間放置されると劣化する可能性があります。以前、顧客が一連の欠陥のあるスマート サーモスタットを持って私のところに来たことがありましたが、その古いリフロー オーブンの TAL が 110 秒で、温度センサー モジュールのプラスチックが溶けていたことが判明しました。ああ。

ここで、オーブンの設定によってこれがどのように変化するかについて説明しましょう。基本的な 3 ゾーン リフロー オーブン (小規模な実行用に提供されている赤外線熱風オーブンなど) を使用している場合は、ゾーン数が少ないため、厳密な TAL を維持するのが少し難しくなる可能性があります。しかし、最新の CNC 制御オーブンを使用すると、浸漬段階とリフロー段階を非常に正確に調整できます。大量ラインの場合、当社の 8 ゾーン リフロー オーブンまたは 10 ゾーン モデルはより優れた制御を提供するため、部品を過熱することなくスイート スポット内にある TAL を達成できます。たとえば、熱質量が 100 グラムのボードを実行している場合、質量により熱が均一化され、コンポーネントが高温ゾーンに長く留まりすぎないため、TAL を長く (最大 85 秒) 実行する可能性があります。ただし、小さな抵抗を備えた薄い PCB のような低質量基板では、TAL を最大 70 ～ 75 秒に制限する必要があります。

待って、テスト内容を明確にしましょう。多くの人がこの部分をスキップしているからです。 TAL は推測するだけではなく、測定する必要があります。ボード上の最も離れた熱に弱いコンポーネント (大きな BGA、小さな 01005 抵抗器、ファインピッチ コネクタだけでなく) に熱電対を貼り付け、テスト プロファイルを実行します。これが、正確な TAL 数値を取得する唯一の方法です。大きな銅製のプレーンで温度を測定すると、データが歪められ、デリケートな部品にとって実際には高すぎるにもかかわらず、TAL は大丈夫だと思われてしまうからです。

さて、ハードリミットに到達しましょう。私はこの業界に長く携わっているので、誰かが限界に挑戦して「100 秒でいいですか?」と尋ねてくることを知っています。簡単に言うと、非常に特殊な場合にのみです。鉛入りはんだを使用している場合、融点が低い (183°C) ため、技術的には TAL を長くすることができますが、環境規制により、鉛は現在では基本的に廃止されています。鉛フリーの場合、厚い銅ベースのパワー モジュールなど、高温リフロー温度に耐えるコンポーネントを使用した非常に特殊なアセンブリを行っている場合を除き、100 秒は危険信号です。その場合でも、最初にテストすることをお勧めします。 100秒以上？私はその結末をよく見たことがありません。自動車用 PCB ラインで 120 秒間テストを行った顧客がいましたが、使用後 6 か月以内に半数の BGA にマイクロクラックが発生しました。保証請求により、その四半期の利益は減少しました。

多くの人が配置精度とリフロー TAL の関係を見落としているため、ピック アンド プレイス装置がこれにどのように関係するかについても触れておきましょう。待ってください。ピック アンド プレースでコンポーネントが正しく配置されていない場合は、再作業ステップを実行する必要があるかもしれません。また、コンポーネントの配置が不均一であると、基板上にホット スポットが発生し、TAL が台無しになる可能性があります。電子機器を持ち上げたり配置したりするときは、リフロー中に熱が均一に分散されるように、すべてのコンポーネントが平らに配置されていることを確認するために正確な位置合わせが必要です。だからこそ、信頼性が高く正確なピック アンド プレース マシンで作業することが重要です。0201 抵抗器の位置がずれているラインでは、正しい TAL プロファイルであってもはんだが正しく流れず、コールド ジョイントが発生することを私たちは経験してきました。リフロー オーブンと組み合わせる機器を探している場合は、電子機器の数値制御ピックアップおよび配置に関するリソースをここで確認してください。

もう 1 つのポイントは、はんだペーストの種類です。洗浄不要と水溶性の比較では、現在は洗浄不要の方がはるかに一般的であり、これははんだの活性化に影響を与えます。ノークリーンペーストには液相線温度付近で活性化ウィンドウがあるため、TAL が短すぎるとフラックスが完全に機能せず、接合不良につながります。長すぎるとフラックスが燃え尽きて保護がなくなり、再び IMC が増えます。したがって、TAL はペーストの仕様と一致する必要があります。当社の SMT 電子部品製造機は、すべての主要な鉛フリー ペーストで動作するように調整されているため、お客様のプロファイルをペーストのアクティベーション タイムラインに同期するお手伝いをいたします。

これを具体的にするために、実際の例を分析してみましょう。前四半期、医療用ウェアラブルを製造しているクライアント (品質基準が非常に厳しく、欠陥を許容できない) が、独自の 3 ゾーン リフロー オーブンを持って当社に来て、95 秒の TAL を取得しました。接合部の不良による不良率は 3% でした。 SMT 用の HW-R816Z 8 ゾーン デュアル コンベヤ リフロー オーブンに交換し、72 秒の TAL に達するようにプロファイルを調整したところ、欠陥率は 0.2% に低下しました。それが TAL を正しく理解する力です。重量のある高質量 PCB を扱うパワー エレクトロニクス メーカーである別の顧客は、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し、88 秒の TAL を問題なく実行しています。同社の部品は 260°C のリフローに対応しているため、より長いウィンドウに対応できます。

よくある間違いとして、TAL と総リフロー時間を混同する人がいます。 150°C を超える合計時間 (浸漬ゾーン) は TAL と同じではありません。非常に多くの新人エンジニアは、「ああ、合計 180 秒が 150 秒を超えているから大丈夫だ」と考えますが、そのうちの 70 秒だけが 217°C を超えていれば、実際には良好なプロファイルになります。ソーク ゾーンは、リフロー用ではなく、ペーストの乾燥とコンポーネントの予熱用です。低温浸漬ではなく、液相線ウィンドウに焦点を当ててください。

もう一つの間違いは、コンベアの速度を考慮していないことです。リフロー オーブンのコンベアが速すぎると、基板がリフロー ゾーンに滞在する時間が短くなるため、TAL が低下します。遅すぎると、TAL が忍び寄ってきます。新しいラインをセットアップするときは、リフロー ゾーンの数に合わせてコンベアの速度を調整します。これにより、基板は各ゾーンで正確に適切なタイミングで目標 TAL に達するようになります。大量ラインの場合、デュアル コンベア オーブン (HW-R816Z モデルなど) を使用すると、2 つの異なるプロファイルを同時に実行できるため、異なるコンポーネントのニーズが混在するボードに最適です。

最後に、許容される TAL の最大値はどれくらいでしょうか?それは状況によって異なりますが、私がすべてのクライアントに与える経験則は次のとおりです。

1. 標準 SMT アセンブリ (家電製品、0201-0805 コンポーネント、低質量ボード) の場合: 最大 75 ～ 85 秒の TAL。
2. 中量ボード (車載 PCB、0.5mm ピッチの BGA) の場合: 最大 80 ～ 90 秒の TAL。
3. 高質量、耐熱性アセンブリ (パワーモジュール、産業用制御装置) の場合: 最大 90 ～ 100 秒の TAL (ただし、コンポーネントの熱定格をテストした場合に限ります)。
4. 鉛フリーはんだの場合、TAL は 100 秒を超えないでください。完全に停止します。

ラインの立ち位置がまだわからない場合、または TAL 制御を強化するためにリフロー オーブンやピック アンド プレース機器をアップグレードしたい場合は、当社のチームに連絡して、特定のセットアップについてチャットしてください。すべてのライン、すべてのボード、すべてのコンポーネントが異なることを知っているため、ここでは画一的なアドバイスは行いません。プロトタイピング用の小型 3 ゾーン リフロー オーブン、大容量 8 ゾーン モデル、またはリフロー ラインと組み合わせる CNC ピック アンド プレース マシンが必要な場合でも、当社は完璧な TAL を確保して不良率を削減するのに役立つギアと専門知識を備えています。

参考文献

1. IPC-A-610、電子アセンブリの許容性。エレクトロニクス産業をつなぐ IPC アソシエーション、2023 年。
2. 鉛フリーはんだ付けプロセスのガイドライン。 J-STD-020、IPC、2022。
3. リフローはんだ付け温度プロファイルの最適化: 液相効果を超える時間。ジャーナル オブ サーフェス マウント テクノロジー、Vol. 35、第 2 号、2021 年。
4. SMT コンポーネントの熱感度: プラスチックおよびセラミック デバイスの TAL 制限。コンポーネント技術レポート、国際エレクトロニクス製造イニシアチブ (iNEMI)、2020 年。