リフロー炉における温度プロファイリングとは何ですか？
PCB アセンブリのワークショップを訪れたことがある人なら、リフロー オーブンはおそらくそこで最も威圧的な装置であると思います。大きくてうるさく、非常に重要なため、ほんの小さなミスでも基板のバッチ全体が廃棄される可能性があります。何年もリフローはんだ付けに携わってきた者として、チームが熱プロファイリングという重要なステップを 1 つ省略したために、あまりにも多くのプロジェクトが計画通りに進まないのを見てきました。この分野に慣れていない場合、またはしばらくリフロー オーバーをいじっていた場合でも、熱プロファイリングとは実際には何なのか、それがなぜ重要なのか、SMT ビルドが高価な文鎮にならないようにするにはどうすればよいのかを詳しく説明しましょう。
まず、専門用語を理解しましょう。リフロー オーブンの熱プロファイリングは基本的に、温度がオーブン内を通過するときに PCB とそのコンポーネント全体でどのように変化するかのスナップショットを取得します。目標は、はんだを確実に溶かすことだけではありません。すべてのはんだ接合部が適切なタイミング、適切な温度、適切な時間で溶解することを確認することです。 SMD、抵抗器、コンデンサ、BGA、さらには小さな IC であっても、それらはすべて異なる耐熱性を持っています。はんだを溶かすのが速すぎると、接合部が冷えてしまいます。あまり熱くしすぎると、5ドルのマイクロチップが飛んでしまいます。熱プロファイリングは、あらゆる角度と毎秒をマッピングすることで問題を修正するため、完全な生産稼働を無駄にする前にオーブンの設定を微調整できます。
ちょっと待って、なぜこれがそんなに大きな問題なのですか？わかりやすい例を使ってみましょう。消費者向けガジェット用の PCB のバッチを実行しているとします。先月小規模なビルドで機能したものにリフロー オーブンを設定し、50 枚のボードを通したところ、BGA の半分にボイドがあるか、小さな 0201 抵抗がパッドから浮き上がっていることに気づきました。それはオーブンのせいではなく、プロファイリングの欠如です。すべてのビルドは異なります。コンポーネントが増えると質量も増加し、基板材質が異なれば熱伝導も異なり、新しい鉛フリーはんだには古い錫鉛のものよりも厳しい温度要件があります。部屋の周囲温度やコンベアの速度が変化しただけでも、プロセス全体が狂ってしまう可能性があります。熱プロファイリングは、お金を失い始める前に、これらすべての変数をチェックする方法です。
実際にどのように機能するかについて話しましょう。あなたが理論のための理論を気にしていないことはわかっているからです。まず、小型で軽量の温度センサーをテスト PCB (通常はコンポーネントが配置されている場所) に取り付けます。それらも分散する必要があります。1 つは大きな BGA に、1 つは小さなチップに、もう 1 つは電力抵抗器に、さらには熱が均等に伝わらない可能性があるボードの端にも配置します。次に、本番ボードを実行するのとまったく同じように、そのテスト ボードをリフロー オーブンで実行します。センサーはすべての温度測定値を秒ごとに記録し、測定値が得られると、熱プロファイル曲線と呼ばれるグラフが得られます。この曲線には、予熱、浸漬、リフロー、冷却などの特定のゾーンがあり、それぞれに独自のルールがあります。
ほとんどの人がここで失敗するため、これらのゾーンを分解してみましょう。予熱ゾーンが開始点です。通常は 1 秒あたり 1 ～ 3 ℃ ずつ、ゆっくりと温度を上げる必要があります。ランプ速度が速すぎると、基板が剥離したり、熱衝撃によりコンポーネントが割れたりする可能性があります。鉛フリーはんだの場合、このゾーンは通常約 150 ～ 180°C まで上昇します。次に浸漬ゾーンが来ます。ここでは温度を 60 ～ 90 秒間一定に保ちます。ここでのポイントは、すべてのコンポーネントとはんだペーストを同じ温度にすることです。基板の一部がまだ冷たいのに、別の部分が熱いと、はんだの溶解が不均一になります。浸漬ゾーンをスキップすると、接合部が冷えて電気が適切に通らなくなります。
次はリフローゾーン、つまり成否を分ける部分です。ここでは、はんだの融点まで上昇させます。鉛フリーの場合、それは約 217°C です。ほとんどのプロセスは、この値を 10 ～ 15 秒間保持します。長すぎるとコンポーネントが損傷します。短すぎると、はんだがパッドを適切に濡らしません。そしていよいよクールダウンゾーン。熱ショックを防ぐために、通常は 1 秒あたり 2 ～ 4 度でゆっくりと冷却する必要があります。冷却が速すぎると、はんだ接合部にボイドが増え、時間の経過とともに接合部が弱くなります。
私がすべての新規顧客に伝えたいのは、熱プロファイリングは 1 回で完了する仕事ではないということです。新しい基板設計、異なるはんだペースト、さらには生産工程間の切り替えなど、何かを変更した場合は、再プロファイルする必要があります。チームが高速化するためにチップ製造機 CNC ピック アンド プレースなどの高級なピック アンド プレース マシンを購入したものの、プロファイリングを省略し、手動で作業していたときよりも多くの欠陥が発生するのを見てきました。自動化は、熱プロセスが最初にダイヤルインされる場合にのみ役立ちます。
自動化といえば、スケールアップする場合は、マルチゾーン リフロー オーブンを検討することになるかもしれません。多機能 8 ゾーン リフローはんだ付けオーブンは、各ゾーンの温度をより詳細に制御できるため、ゲームチェンジャーです。しかし、たとえ最高のオーブンであっても、優れたプロファイルがなければ役に立ちません。 8 つのゾーンすべてを完璧に設定することもできますが、テスト ボードにゾーン 3 の温度が高すぎることを検出するセンサーが搭載されていない場合は、やはり問題が発生します。まさにこれが、本格的な運用に入る前にプロファイリングをお勧めする理由です。
私がいつも目にするよくある間違いについて話しましょう。まず、使用するセンサーが少なすぎます。ボードの中央にセンサーを 1 つだけ配置すると、端のホット スポットや大きな BGA の下のコールド スポットを見逃してしまいます。それらの小さな斑点は欠陥が隠れている場所です。第二に、プロセスを急ぐことです。チームによっては、プロファイルを一度実行すると、たとえ生産量が変わっても、その後はまったく触れないことがあります。基板を 1 時間あたり 20 枚から 200 枚に増やす場合、コンベアの速度が変化し、オーブンの熱分布が変化するため、プロファイルを調整する必要があります。第三に、周囲条件を無視することです。作業場が夏に暑く蒸れる空間にあったり、冬に隙間風が吹いたりすると、オーブンの性能が変化します。プロファイルはその週については機能しますが、天候が変化した場合は再確認する必要があります。
さて、あなたは疑問に思っているかもしれません。これは時間と労力を費やす価値があるのでしょうか?計算してみましょう。リフローの実行が不十分だと、納品の遅れは言うまでもなく、基板の廃棄に数千ドルのコストがかかる可能性があります。適切な熱プロファイルを作成するには数時間かかり、こうした間違いを防ぐことができます。小規模バッチの実行では、修正や再作業に何時間もかかるような欠陥を回避することには依然として価値があります。大量生産の場合、交渉の余地はありません。
また、私がよく受ける質問にも答えたいと思います。自分でオーブンのプロファイルを作成できますか? それともプロに依頼する必要がありますか?特に高品質のセンサーを使用している場合は、間違いなく社内で行うことができます。ただし、それが正しく行われていることを確認してください。十分な数のセンサーを入手し、基板のさまざまな部分に配置し、すべてのデータを記録して、はんだやコンポーネントの標準プロファイルと比較します。始めたばかりの場合、または多数の大きなコンポーネントを備えた非常に複雑な基板設計を行っている場合は、リフロー プロセスの詳細を熟知している人と協力することで、膨大な試行錯誤を省くことができます。
私はリフローはんだ付けサプライヤーとして、数多くの企業が熱プロファイルを確立し、それを使用して製品ライン全体をアップグレードするのを支援してきました。たとえば、少量バッチから大量生産に移行する場合、単純な基板には 3 ゾーン リフロー オーブンで十分かもしれませんが、より複雑なデザインを扱う場合は、8 ゾーン オーブンで必要な精度が得られます。チームが適切なプロファイリングとデスクトップ ロボットのピッキングと配置の自動化などの機器を組み合わせているのを見てきました。これにより、手作業によるエラーが削減されますが、それはリフロー側がダイヤルインされている場合に限られます。ミニ ピック アンド プレイス PCB 製造機のような小規模なセットアップでも、優れた熱プロファイルの恩恵を受けることができます。一貫した接合を得るために工業用機器は必要ありません。必要なのは、熱が正しく適用されていることを確認することだけです。
ちょっと待って、もう 1 つのポイント: 熱プロファイリングはリフロー オーブンの寿命を延ばすのにも役立ちます。間違った温度で実行したり、温度上昇が速すぎたりすると、発熱体、コンベア ベルト、その他の部品に余分なストレスがかかります。適切なプロファイルを使用すると、オーブンが設計パラメータ内で稼働し続けるため、頻繁に修理したり、時期尚早に部品を交換したりする必要がなくなります。これも、ほとんどの人が考えていない隠れたコスト削減策です。
私の仕事の実例でこれを締めくくりましょう。私の顧客は、6 ゾーンのリフローオーブンを数か月間稼働していましたが、12 個の小さな BGA を備えたボード上で一貫したはんだ欠陥が発生していました。彼らは、はんだペーストの変更、オーブンの設定の微調整、さらには新しいピックアンドプレースマシンへの切り替えなど、あらゆることを試しました。何も機能しませんでした。そこで、同社のラインで熱プロファイルを実行したところ、リフロー ゾーン中の各 BGA の下の温度がボードの他の部分よりも摂氏 15 度低いことがわかりました。その小さな隙間があらゆる接合部に空洞を引き起こしていました。プロファイルに基づいてオーブンのゾーン設定を調整し、新しいテストを実行したところ、すべての欠陥が解消されました。不良率は 12% から 1% 未満になり、その月に数千枚の基板廃棄を節約できました。
それが熱プロファイリングの力です。これは派手な技術用語ではありません。何を構築する場合でも、すべてのはんだ接合が可能な限り信頼できるものであることを確認する方法です。 PCB アセンブリに携わっている場合、熱プロファイリングを無視することは、オーブンの温度を確認せずにケーキを焼くことと同じです。一度は幸運に恵まれるかもしれませんが、最終的には焦げたり、生のまま残したりすることになります。
基本的な機器で始めたばかりの場合でも、産業用機器でスケールアップした場合でも、リフロー プロセスに真剣に取り組む準備ができている場合は、当社がお手伝いいたします。当社は、小規模なデスクトップ ラインから大量生産ラインまで、あらゆる種類のセットアップに対応しており、プロファイリング、オーブンの調整、マイクロ ピッキング アンド プレース用の製造機械などのソリューションを使用した機器のアップグレードについて説明します。不適切な熱プロセスによってビルドが滞らないようにしてください。リフローはんだ付けワークフローを最適化し、欠陥を排除し、全体的な生産品質を向上させる方法についてご相談ください。
参考文献
- 国際標準化機構 (ISO) 9001:2015、品質管理システム - 設計、開発、製造、設置、およびサービスの要件
- 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
- IPC-A-610、電子アセンブリの許容性
- 鉛フリーリフローはんだ付け: 表面実装技術のガイド、表面実装技術協会 (SMTA)、2022 年
- リフローオーブンの熱プロファイリング: はんだ接合の信頼性に関するベストプラクティス、PCB Design Magazine、2021