熱風リフロー炉におけるSn63Pb37はんだのリフロープロファイルはどのようなものですか？
電子機器製造に携わっている人なら、Sn63Pb37 はんだ、別名共晶錫鉛のことを聞いたことがあるでしょう。これは、鉛フリーの代替品がすべて存在するにもかかわらず、依然として非常に多くの熱風リフロー オーブンの作業で頼りになる古い信頼性の高いものです。熱風リフローオーブンを販売している私は、毎日次のような質問を絶え間なく受けます。右熱風リフロー炉での Sn63Pb37 のリフロー プロファイルは?私が話をする人の多くは、古い PCB 設計の一般的なプロファイルを使用するか、微調整しすぎて、コールドジョイント、トゥームストン、さらには部品の焼けが発生することになります。 SMT ラインで長い 1 日を過ごした後、熱いオーブンに熱中するように、これを詳しく説明しましょう。専門用語は使わず、何百ものお客様に効果をもたらした実際の実用的な内容だけを説明します。
まず、1 つのことをはっきりさせましょう。Sn63Pb37 は共晶です。つまり、次の温度で溶けます。単一の正確な温度-356°F (180°C)。ここにはぬるぬるした半溶融相が存在しないため、何十年にもわたって主力製品であり続けています。この単一の融点は、プロファイルにとって交渉の余地のないものです。その温度に到達するのに十分なだけ基板を加熱しないと、はんだが適切に濡れません。また、加熱が速すぎると、突然の温度スパイクに対応できない小さな表面実装部品 (0201 抵抗器や QFP チップなど) が損傷することになります。
さて、ここでは熱風リフロー オーブンが主役です。さまざまなオーブンの種類 (/reflow-Soldering/6-zone-reflow-Soldering/hw-r612-six-zone-reflow-Soldering.html にある 6 ゾーン熱風リフロー オーブンなど) によって、プロファイルの動作が変わります。たとえば、正確なゾーン制御を備えた対流式オーブン (当社の製品です) は、不均一な加熱を伴う古い時代遅れのリフロー設定よりも、このプロファイルを実現するのがはるかに簡単です。私はいつも新規顧客に、オーブンの熱風の均一性が勝負の半分であると伝えています。あるゾーンが別のゾーンより 20°F 高温であれば、数値がどれほど完璧でも、プロファイルはゴミになってしまいます。
新しい製造ラインのオペレーターをトレーニングするときにサービス技術者に説明する方法と同じように、プロファイルを段階的に見てみましょう。すべてのプロファイルには 4 つの主要な相があり、Sn63Pb37 は一部の鉛フリーはんだのようにこれらの相が複雑ではありません。
- 予熱フェーズ (合計 2 ～ 3 分)
これは多くの人がスキップしたり急いだりする部分であり、間違いが始まるのはそこからです。ここでの目標は、PCB とコンポーネント全体を室温から約 150°C (302°F) ～ 170°C (338°F) まで 2 ～ 3 分間かけて徐々に加熱することです。なぜ？まず、はんだフラックスを活性化します。冷たい部品に熱を与えると、パッドやはんだボールをきれいにする前にフラックスが燃えてしまい、濡れが悪くなることがあります。次に、コンポーネントへの熱衝撃を防ぎます。以前、顧客に新しいオーブンの予熱を 30 秒以内に最大まで上げてテストしてもらったところ、0402 キャップの線が真ん中で割れていました。そんなことはしないでください。
ここでの上昇率が重要です。1 秒あたり 2°C 未満に保ち、1 秒あたり 3°C を超えないようにしてください。当社のオーブンのゾーン コントロールを使用すると、各予熱ゾーンを個別にダイヤルできるため、これが非常に簡単になります。別のタイプの SMT 製造機械を使用している場合は、ボードの最も加熱しにくい部分 (通常は大きな IC または重いコネクタ) に配置された熱電対で昇温速度をテストするようにしてください。これは私が古い SMT エンジニアから学んだコツであり、ダウンタイムから多くのラインを節約できます。
- 浸漬フェーズ (合計 1 ～ 2 分)
待ってください、予熱と浸漬は同じではありませんか？いいえ、予熱で近づけますが、浸すとそこに留まります。この段階では、ボードを 150 ～ 170°C (302 ～ 338°F) で 60 ～ 120 秒間保持します。なぜ？これにより、すべての湿気がコンポーネントから排出され (湿気が急激に加熱すると破損する可能性があるプラスチック IC などにとって重要です)、ボードのすべての部分が同じ温度に保たれます。リフローのピークに達したときに、一部のパッドが 160°C で、他のパッドが 140°C になると、はんだ接合部が不均一になります。
多くの新しいオペレーターは、生産をスピードアップするために浸漬をスキップできると考えていますが、それによって節約できるよりも、やり直しのコストが高くつくのを私は見てきました。私の顧客の 1 人は、サイクルを 10% 高速化するためにソーク時間を 90 秒から 30 秒に短縮しようとしましたが、フラックスが適切に活性化されなかったため、最終的に 15% の基板で再加工が必要になりました。ここでは 1 ～ 2 分にとどめてください。熱風リフロー オーブンは効率的に動作するため、その時間を追加する価値があります。
- リフロー ピーク フェーズ (多すぎず、十分な量)
これは Sn63Pb37 の勝敗を左右する部品です。共晶なので、ピーク温度は次のとおりである必要があることを覚えておいてください。ただ融点 180°C (356°F) 以上。スイートスポットは 183 ～ 188°C (361 ～ 370°F) です。これはタイプミスではなく、融点より 5 ～ 10 度高いだけです。 190°C (374°F) を超えるとフラックスが過熱し始め、導電性または時間の経過とともに腐食する残留物が残り、LED や小型コンデンサなどのコンポーネントが損傷する危険があります。
ピークを 10 ～ 30 秒間だけ保持します。それ以上長いと、問題が発生します。はんだ接合部が脆くなる可能性があり、コンポーネント (特にプラスチック ケースを備えたコンポーネント) が劣化する可能性があります。当社の 6 ゾーン熱風リフロー オーブンのピーク ゾーンは、常にその正確な範囲に達し、ホット スポットが発生しないように調整されています。そのため、これを達成できない古いオーブンから非常に多くのお客様が当社に乗り換えるのです。小型のエントリーレベルのオーブンを使用している場合は、必ず熱電対でピークを監視してください。オーブンの内蔵ディスプレイは 10 ～ 15 度ずれている可能性があるため、信頼しないでください。
- クールダウンフェーズ (遅いほど良い)
ほとんどの人はこの段階を忘れていますが、同じくらい重要です。ボードを 1 ～ 2 分かけて徐々に室温、または少なくとも 100°C (212°F) 未満まで冷却する必要があります。ゆっくりと冷却することで、基板やコンポーネントへの熱ストレスが防止され、はんだが均一で強力な接合を形成できるようになります。リフロー直後に基板に冷風を当てると、はんだが急冷されて脆くなり、破損しやすくなります。多くの熱風リフロー オーブン (/reflow-Soldering/6-zone-reflow-Soldering/hot-air-reflow-oven.html の製品ラインを含む) には、まさにこの理由から専用の冷却ゾーンがあります。追加の作業は必要なく、設定するだけで後は忘れます。
待ってください。このプロファイルを変更する変数について話しましょう。まったく同じボードは 2 つとないからです。基板に多くのグランド プレーンや重い銅が含まれている場合は、予熱フェーズを調整して、それらの厚い領域を加熱する時間を長くする必要があります。 0201 や 01005 などの小さな部品を扱う場合は、トゥームストン現象を防ぐために、ピーク温度を少し下げ、ピーク保持時間を短縮することをお勧めします。ツームストン現象は、抵抗器の一端が他方の端よりも早く加熱されることで発生し、抵抗器がツームストーンのように引き上げられます。ゆっくりと均一に加熱することが、それに対する最善の防御策です。これが、良好な熱風リフロー オーブンのパフォーマンスが重要である理由です。
また、vsn (ベント速度) やエアフローの設定についてもよく質問されます。 Sn63Pb37 の場合、非常に高いエアフローは必要ありません。通常、当社のお客様は、予熱とソークではゾーンエアフローを 50 ～ 70% で実行し、熱が均一に分散されるようにピークゾーンでは最大 80% で実行します。エアフローが高すぎると、小さなコンポーネントが基板から吹き飛ばされる可能性があり、低すぎると加熱が不均一になります。それはバランスであり、よくできたオーブンが大きな違いを生むのはそこです。
Sn63Pb37 は古いはんだなので、どんなプロファイルでも使用できると考えている人もいます。いいえ、数か月前に Sn63Pb37 の鉛フリー プロファイル (ピーク温度は 217°C とはるかに高い) を使用した顧客でテストしました。彼らは 1 日で回線の IC の 20% を焼き尽くしました。鉛フリープロファイルと共晶プロファイルを混合しないでください。これらは異なるはんだ用であり、頭痛の原因となります。
もう 1 つのプロのヒント: 常に熱電対を使用してプロファイルを確認してください。これをボードの底部 (大きなコンポーネントの下、最も熱されにくい) に貼り付け、各フェーズの温度を追跡します。顧客がオーブンをテストするときのために、私はトラックに予備の熱電対を保管しています。初心者レベルのオペレーターの多くは、オーブンの内部温度の測定値がボードの実際の温度と同じではないことに気づいていないからです。ここでは、熱風リフロー オーブンの均一性は交渉の余地がありません。オーブンにホット スポットがある場合、どのような数値を使用してもプロファイルは役に立ちません。
結局のところ、Sn63Pb37 リフロー プロファイルの目標は単純です。フラックスを活性化し、基板をはんだの融点のすぐ上まで均一に加熱し、十分に濡れて十分な時間保持し、その後ゆっくり冷却します。これはロケット科学ではありませんが、十分に具体的であるため、手抜きをすると時間と費用がかかります。
このような一貫したプロファイルを取得するために熱風リフロー オーブンのアップグレードに取り組んでいる場合、または特定のボードのプロファイルをダイヤルインする際にサポートが必要な場合は、当社のチームがお手伝いします。当社は、均一な加熱と簡単なプロファイル調整のために調整されたマイクロ ピッキング アンド プレースおよびリフローはんだ付け用の製造機械を構築しているため、手戻りの処理をやめて、予定通りに良好な基板の出荷を開始できます。ご質問がございましたら、お気軽にお問い合わせください。当社はオーブンを販売しているだけではなく、より良い製品の製造をお手伝いしています。
参考文献
IPC-A-610H: 電子アセンブリの許容性
IPC J-STD-001H: はんだ付けされた電気および電子アセンブリの要件
エレクトロニクス製造における熱処理: 実践ガイド、第 2 版、エルゼビア