鉛フリーウェーブはんだ付けプロファイルをマスターする：総合ガイド

鉛フリーはんだへの移行：推進要因と課題

従来の錫鉛はんだから鉛フリーの代替はんだへの移行は、過去数十年間のエレクトロニクス製造業界における最も重要な変化の一つである。この移行は単なる材料の変更ではなく、環境と健康への重大な懸念に後押しされた、はんだ付けプロセス全体の根本的な見直しでした。

規制の推進力鉛フリー世界の推進

鉛フリーはんだへの世界的な移行の主なきっかけとなったのは、鉛に関連する健康リスクに対する認識の高まりであった。電子機器廃棄物が不適切に廃棄されると、鉛が土壌や地下水に溶出し、生態系や人間の健康に深刻な脅威をもたらします。 [出典：EPA］.

これを受けて、欧州連合（EU）は2006年に有害物質使用制限（RoHS）指令を施行した。この画期的な法律によって、さまざまな種類の電子・電気機器の製造において、鉛を含む6種類の有害物質の使用が制限された。RoHS指令は、EU域内で販売されるほとんどの製品の鉛フリープロセスへの移行を事実上義務付け、グローバル・サプライ・チェーンに波及効果をもたらした。 [出典：ScienceDirect］.他の多くの国でも同様の規制が続き、鉛フリーはんだ付けは新しい業界標準として確固たるものとなった。

根本的な違いと課題

錫鉛はんだから鉛フリーはんだへの移行は、新しい合金の異なる冶金学的特性に起因するいくつかの技術的課題をもたらした。

より高い融解温度： 従来の錫鉛はんだ（一般的にはSn63/Pb37）の融点は約183℃です。対照的に、錫-銀-銅（SAC）などの一般的な鉛フリー合金は融点が高く、多くの場合217℃～227℃です。 [出典：AIMはんだ］.このため、はんだ付けプロセス、特に PCBリフロー温度プロファイル.アセンブリ全体が高温にさらされる必要があり、敏感な部品や回路基板自体への熱応力が増大する可能性がある。
濡れ性とはんだ付け性： 鉛は優れた濡れ剤であり、表面に流れやすく、接着しやすい。鉛を含まないはんだは一般に濡れ性が悪く、強固で信頼性の高いはんだ接合を実現するのが難しくなる。このため、酸化を防ぎ、はんだ付け性を向上させるために、より積極的なフラックスの使用や、リフロー中の不活性窒素雰囲気の使用が必要になることもある。［出典：chuxin-smt.com］。.
プロセス制御： 鉛フリーはんだ付けのプロセスウィンドウは、錫鉛プロセスよりもはるかに狭い。はんだの融点と部品が耐えられる最高温度との間のマージンは小さく、より厳しいプロセス制御が必要となります。精密なリフロー炉温度プロファイリングコールドジョイントや部品の損傷といった不具合を避けるためには、これが非常に重要である。
信頼性への懸念： 初期の鉛フリー合金は、長期信頼性に懸念を抱かせた。錫の表面から成長し、短絡の原因となる小さな髪の毛のような結晶構造である「錫ウィスカー」の成長などの問題は、広範な研究と合金開発を通じて対処しなければならなかった。 [出典：NASA］.現代の鉛フリー合金と最適化されたプロセスは、こうした初期のハードルをほぼ克服しているが、依然として慎重な管理が必要である。

このような需要に対応するために、多くのメーカーは、専用の設備など、新しい設備への投資が必要であると考えた。鉛フリーリフロー炉高温に対応し、鉛フリーの組み立てに必要な精密制御を提供するように設計されている。

ウェーブはんだ付け工程の4つのゾーンを理解する

ウェーブはんだ付けプロセスは、4つの重要なゾーンに分けられ、綿密に編成されたシーケンスです。各工程には明確な目的があり、プリント回路基板（PCB）上に強固で信頼性が高く、欠陥のないはんだ接合を形成するために協調して働きます。これらのゾーンを理解することは、プロセスをマスターし、高品質の結果を得るための基本です。

1.フラックス塗布

最初の重要なステップはフラックスの塗布である。PCBが高温の段階に入る前に、フラックス・ステーションを通過し、そこで基板裏面に液体フラックスを薄く均一に塗布する。これは、スプレー、発泡、噴射などの方法で行われる。フラックスの主な目的は、部品リードとPCBパッドの金属表面を洗浄し、形成された酸化物を除去することである。 [出典：エレクトルーブ］.これらの表面を脱酸することで、フラックスは溶融はんだが金属を適切に「濡らす」ことを可能にし、強力な金属間結合を形成します。さらに、はんだウェーブに向かって基板が移動する際に、表面を再酸化から保護します。詳しくはウェーブはんだ付け用フラックス選択ガイド.

2.予熱

フラックス塗布の直後、PCBアセンブリは予熱ゾーンに入る。ここで、基板は徐々に特定の均一な温度、通常は100℃～130℃に加熱されます。この段階には3つの重要な機能がある：

熱衝撃防止： アセンブリの温度をゆっくりと上昇させ、溶融はんだに接触したときの熱衝撃を防ぐ。 [出典：PCBテクノロジーズ］.
フラックスの活性化 熱はフラックスの化学成分を活性化し、洗浄と脱酸の能力を高める。
溶剤の蒸発： フラックス内の揮発性溶剤を蒸発させ、はんだボールやボイドのような欠陥の原因となる実際のはんだ付け段階でアウトガスが発生しないようにします。

3.はんだの波

これこそが、このクラブの核心なのだ。ウェーブはんだ付けプロセス.プリント基板は、溶融はんだの鍋の上を移動し、1波または2波が基板の下面に接触するようにポンプアップされます。はんだの波が部品のリードとパッドを濡らし、毛細管現象によってメッキされたスルーホールを満たして電気的・機械的接合を形成する。 [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.コンベア速度、はんだ温度（通常250～265℃）、波の高さなどの主要パラメータは正確に制御されます。滞留時間（基板がはんだと接触している時間）は非常に重要です。適切な濡れには十分な長さが必要ですが、部品の損傷やはんだブリッジなどの欠陥を防ぐには十分な短さが必要です。

4.冷却

最終段階は冷却です。はんだウェーブを出た後、PCBアセンブリは制御された速度で冷却されます。その目的は、はんだ接合部を適切に凝固させ、微細な金属構造にすることです。冷却速度が速すぎると熱応力が発生し、新しく形成された接合部にクラックが入る可能性があり、遅すぎると接合部がもろくなる可能性があるため、冷却速度は速すぎてはならない。 [出典：表面実装プロセス］.多くの場合、強制空気と自然対流を組み合わせて使用し、基板を安全な取り扱い温度に戻し、はんだ付けプロセスを最終化し、次の生産工程にアセンブリを準備する。

優れたウェーブはんだ付けのための主要パラメータの最適化

大量生産環境で完璧なはんだ接合を実現するには、安定した再現性のある最適なウェーブはんだ付けプロセスが必要です。はんだブリッジ、穴埋め不足、熱衝撃などの不具合を最小限に抑えるには、ウェーブはんだ付け装置の主要パラメータを微調整することが重要です。このガイドでは、堅牢な製造プロセスのために最も重要な変数を最適化するための実践的なアプローチを提供します。

プリヒート設定

予熱段階の主な目的は、プリント基板（PCB）アセンブリの温度を徐々に上昇させ、フラックスを活性化させ、溶融はんだ波に接触する前に熱衝撃を防ぐことです。予熱が不適切だと、さまざまな不具合が発生する可能性があります。温度が低すぎると、フラックスが適切に活性化されず、はんだ付け不良につながります。温度が高すぎたり、上昇速度が速すぎたりすると、繊細な部品を損傷する可能性があります。ほとんどの用途では、プリント基板の上面は、はんだウェーブに入る直前に100℃～130℃に達する必要があります。 [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.この温度勾配は、基板とはんだの間のデルタを最小化し、高品質のはんだ接合を保証します。

はんだポット温度

ポット内の溶融はんだの温度は、その流動性と強力な金属間結合を形成する能力に直接影響します。適切な温度は、使用するはんだの種類によって異なります。

鉛フリーはんだ： SAC305（錫-銀-銅）のような合金は、通常260℃から280℃の間のポット温度を必要とする。
鉛はんだ： 錫鉛はんだ（Sn63Pb37など）は、一般に240℃～250℃の低温で良好に機能する。

温度を高く設定しすぎると、プリント基板やその部品にダメージを与え、過剰なドロスの形成につながります。逆に、温度が低すぎると、はんだの流れが悪くなり、はんだブリッジや穴の貫通不良などの欠陥につながります。 [出典：AIMはんだ］.

コンベアの速度と角度

コンベアシステムは全工程を通じてPCBアセンブリを搬送し、その速度がはんだウェーブとの接触時間を決定する。そのためコンベヤー速度は最も重要な設定のひとつだ。

遅すぎる： 過度の接触時間は部品の過熱につながり、基板からはんだへの銅の溶解を促進する可能性があります。
速すぎる： 接触時間が不十分だと、はんだがパッドを十分に濡らしたりスルーホールを満たしたりできず、接合部が弱くなったり不完全になったりする。

一般的なコンベア速度は、毎分1.0～2.5メートル（毎分3～8フィート）です。 [出典：PCBテクノロジーズ］.この速度は接触時間に直結する。コンベアはまた、通常5～7度の傾斜に設定される。この角度により、溶融はんだが部品の後端から排出される。はんだブリッジの防止隣接するピン間に形成されることから [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.

接触時間とはんだ波の高さ

接触時間（プリント基板がはんだ波に接触している時間）は、コンベアの速度とはんだ波の接触領域の長さによって決まります。理想的な接触時間は通常2～4秒です。この時間は通常、はんだが部品のリード線を加熱し、金属表面を濡らし、めっきされたスルーホールから流れ出るのに十分です。ははんだ波の高さは、プリント基板の上面を浸水させることなく、常に底面に接するように設定する必要があります。一般的な経験則では、ウェーブの高さを基板の厚さの2分の1から3分の2程度に設定する。 [出典：NASA］.適切な波高は、一貫した接触を保証し、アセンブリ全体にわたって高品質のはんだ接合を達成するための基本です。安定した再現性のあるはんだ接合を実現するには、これらの設定を定期的に監視し、較正することが不可欠です。ウェーブはんだ付けプロセス.

鉛フリーウェーブはんだの温度プロファイルをマスターする

鉛フリーのウェーブはんだ付けプロセスをマスターするには、欠陥を防ぎ、強固で信頼性の高いはんだ接合を確保するために、正確な温度プロファイルが必要です。SAC305のような鉛フリー合金は溶融温度が高いため、プロセスウィンドウは従来の錫鉛はんだよりも大幅に狭くなります。完璧なプロファイルを達成するには、予熱、はんだウェーブコンタクト、冷却の3つの重要な段階を最適化する必要があります。

鉛フリーウェーブはんだ付けプロファイルの主要段階

予熱： これは間違いなく最も重要な段階である。予熱の主な目的は、フラックスの化学反応を活性化して金属表面をきれいにすることと、プリント基板（PCB）とその部品への熱衝撃を最小限に抑えることである。 [出典：アッセンブリー・マガジン］.制御された温度上昇が不可欠である。鉛フリーはんだ付けの一般的な昇温速度は1秒間に1～2℃であり、基板の上面温度を100～150℃にします。予熱が不十分だとフラックスが活性化せず、過度の加熱はフラックスがはんだウェーブに到達する前に劣化し、はんだボールやブリッジなどの欠陥につながる可能性があります。このプロセスについてさらに詳しくお知りになりたい方は、以下をご覧ください。ウェーブはんだ付けのステップバイステップガイド.
ソルダーウェーブ・コンタクト： この段階で、プリント基板は溶融はんだと接触します。一般的な鉛フリー合金（SAC合金など）のはんだポット温度は、通常255℃～270℃に維持されます。 [出典：SMTnet］.接触時間（ドエルタイム）も重要で、通常は2～4秒である。この時間は、スルーホール部品の完全な濡れと適切な穴埋めを可能にするのに十分な長さでなければならないが、基板や部品への熱損傷を防ぐには十分な短さでなければならない。不適切なウェーブ設定は、以下のような欠陥の一般的な原因である。はんだブリッジとハンダ不足。
冷却： はんだウェーブを抜けた後、PCBは制御された方法で冷却されなければなりません。冷却速度が速すぎると熱応力が発生し、接合部が脆くなります。一方、冷却速度が遅すぎると、大きくて弱い金属間化合物（IMC）が形成されます。推奨される冷却速度は、一般的に毎秒5℃以下であり、微細なはんだ構造を確保し、機械的に堅牢な接合部を実現します。 [出典：ミルテック］.

プロセス検証チェックリスト

ウェーブはんだ付け工程が常に高品質な結果を出すためには、定期的な検証が不可欠です。このチェックリストを出発点としてご利用ください：

プロフィールの検証 サーマル・プロファイラーを使用して、全工程を通してプリント基板の温度を定期的にマッピングする。ランプレート、プリヒート温度、ピーク温度、冷却速度がすべて仕様内であることを確認する。
フラックスの応用： 適切な量のフラックスが基板全体に均一に塗布されていることを確認する。ノズルが詰まっていないか、スプレーパターンが一定でないか確認する。
はんだポット分析： 特に銅は、はんだの流動性や接合部の品質に影響を与える可能性があります。
コンベアの速度： コンベア速度は、予熱時間とはんだ接触時間に直接影響するため、一定かつ正確であることを確認してください。
波のダイナミクス はんだウェーブの高さとフロー特性をチェックしてください。不安定な波や不均一な波は、接合ミスや余分なはんだの原因となります。
目視検査： 基板のサンプルをはんだ付け後に徹底的に検査し、ブリッジ、スキップ、つらら、穴埋め不良などの一般的な欠陥をチェックします。傾向を把握することで、次のような欠陥の特定に役立ちます。一般的な機器の問題生産に影響を与える前に。

ウェーブはんだ付け技術の最新イノベーション

ウェーブはんだ付けにおける最近の進歩は、プロセス温度の上昇や酸化の増加など、鉛フリー合金に関連する課題を克服する上で極めて重要です。最も重要な革新の2つは、窒素雰囲気の使用と選択的はんだ付けシステムの開発です。これらの技術は、はんだ接合部の品質と信頼性を向上させるだけでなく、プロセス全体の効率も高めます。

窒素雰囲気の利点

窒素不活性環境での作業は、鉛フリーウェーブはんだ付けプロセスを大幅に強化します。酸素はドロス形成の主な触媒であり、欠陥や運用コストの増加につながる酸化はんだの蓄積です。酸素を窒素で置換することで、ドロスは90%も減少し、材料の大幅な節約とメンテナンスの軽減につながります。 [出典：Epectec］.このクリーンで低酸素の環境は、はんだの濡れ性を向上させ、はんだをより効果的に流動させ、より強固で信頼性の高い接合部を形成します。その結果、プロセスウィンドウが広がり、穴埋め性が向上し、ブリッジやつららのようなはんだ付け後の欠陥が減少します。高品質な結果を目指すメーカーにとって、窒素システムは重要なアップグレードです。

選択はんだ付けシステムによる精度

従来のウェーブはんだ付けは、スルーホール部品の大量生産に理想的ですが、最新のプリント回路基板（PCB）は、スルーホールと表面実装技術（SMT）が混在していることがよくあります。このような混合技術基板では、選択はんだ付けが比類のない精度を提供します。この自動化されたプロセスは、個々のはんだ付けポイントをターゲットとし、近接する繊細な部品を熱応力から保護します。 [出典：ラウトレッジ］.基板全体がはんだウェーブの上を通過する従来のウェーブはんだ付けとは異なり、選択はんだ付けでは、小型化されたノズルを使用して、特定のピンまたは領域に溶融はんだを塗布します。このターゲットアプローチは、部品間隔が狭い高密度基板に不可欠です。他の方法との比較については、当社のはんだ付けガイド.この方法は、熱損傷のリスクを最小限に抑え、フラックスの消費量を削減し、手作業によるタッチアップの必要性をなくし、品質と生産性の両方を向上させる。

品質の基礎：正しいはんだとフラックスの選択

適切なはんだ合金とフラックスを選択することは、はんだ付けプロファイルのパラメータを直接決定する重要な最初のステップです。これらの材料は連動して機能し、その化学的および熱的特性は、強力で信頼性の高いはんだ接合を確実にするために、熱プロセスと完全に一致する必要があります。

鉛フリーはんだ合金とその熱需要

RoHSのような環境規制による鉛フリーはんだへの移行は、サーマル・プロファイリングに新たな課題をもたらしました。最も一般的な鉛フリー合金であるSAC305（スズ96.5%、銀3.0%、銅0.5%で構成）の融点（液相線）は約217～220℃です。これは、従来の錫-鉛（Sn63/Pb37）はんだの融点183℃よりかなり高い。 [出典：AIMはんだ］.

この高い溶融温度はリフロープロファイルに直接影響する：

予熱して浸す： フラックスを活性化し、部品やプリント基板への熱衝撃を防ぐため、ランプ・レートとソーク温度を注意深く管理しなければならない。
ピーク温度： プロファイルのピーク温度は、はんだが完全に溶融して正しく流れるのに十分な高さでなければなりません。SAC305の場合、これは通常235～255℃のピーク温度を意味します。 [出典：エレクトロニクス・ノート］.
タイム・アバブ・リキダス（TAL）： アッセンブリがはんだの融点以上にある時間は、適切な濡れ性と金属間化合物（IMC）の形成に十分な時間でなければならず、通常は45秒から90秒の間である。

ビスマスを含む低温鉛フリーはんだのような別の合金を選択すると、熱に敏感な部品に損傷を与えないよう、まったく異なる低温プロファイルが必要になります。これらのパラメータがどのように完全なプロファイルを作成するかをより深く理解するためには、以下をご覧ください。 PCBリフロー温度プロファイル習得ガイド.

リフロープロファイルにおけるフラックスの役割

フラックスは、はんだの濡れを促進するために金属表面の酸化物を除去する化学薬品です。フラックスの「活性」（酸化物を除去する能力）は温度に依存し、リフロープロファイルと同期させる必要があります。

無洗浄フラックス： SMTアセンブリーで最も一般的なタイプである。その活性剤は、プリヒートとソークの段階で働くように設計されている。温度が低すぎると、フラックスが適切に活性化されず、濡れ性が悪くなる。温度が高すぎたり長すぎたりすると、活性剤が早期に燃え尽き、はんだが溶融する前に酸化した表面が残ってしまいます。 [出典：インジウム・コーポレーション］.残渣は良性に設計されており、ボード上に残すことができる。
水溶性フラックス： このフラックス・タイプはより攻撃的で、優れた酸化物除去効果があるため、非常にクリーンで信頼性の高いはんだ接合部が得られる。しかし、その残留物は腐食性があるため、はんだ付け後に脱イオン水で完全に洗い流す必要があります。はんだ付け後のフラックスは脱イオン水で完全に洗い落とさなければなりません。部品にダメージを与えるような攻撃的なフラックスではなく、フラックスが効果的に活性化するようなプロファイルが必要です。

用途に最適な素材を選ぶ

最適な合金とフラックスの組み合わせの選択は、いくつかの要因に左右される：

コンポーネントの感度： PCB上で最も熱に敏感な部品は、最大許容ピーク温度を決定するため、低温はんだ合金の使用を余儀なくされる場合があります。
製品の信頼性： 航空宇宙や医療機器のような信頼性の高い用途では、長期的な性能が実証された特定の合金がしばしば要求されます。水溶性フラックスは、残留物をすべて除去することで長期的な電気化学的マイグレーションや腐食のリスクを最小限に抑えることができるため、このような場合に頻繁に使用されます。 [出典：ケスター］.
PCB 表面仕上げ： フラックスは、効果的な濡れを確保するために、基板の表面仕上げ（OSP、ENIG、ImAgなど）に適合していなければならない。
生産環境： 使用窒素雰囲気のオーブン酸化を抑えることができるため、より攻撃性の低いフラックスを使用することができ、プロセス・ウィンドウが広がるため、より安定した再現性の高い結果を得ることができる。

最終的には、選択したソルダーペースト（特定の合金粉末とフラックスの組み合わせ）がはんだ付けプロセス全体の基礎となり、リフロー炉が満たすべき熱要件を定義します。

一般的な鉛フリーはんだ不良のトラブルシューティング

鉛フリー合金で完璧なはんだ接合を実現するには、従来の錫鉛はんだよりも狭く正確なプロセスウィンドウが必要です。鉛フリーはんだの高温と異なる濡れ特性は、熱プロファイルが完全に最適化されていない場合、特定の欠陥につながる可能性があります。これらの問題の根本原因を理解することで、リフローまたはウェーブはんだ付けのパラメータに的を絞った調整を行い、製品の品質と信頼性を高めることができます。サーマルプロファイルの詳細については、以下のガイドをご覧ください。 PCBリフロー温度プロファイルのマスター.

1.はんだブリッジ

はんだブリッジは、はんだが2つ以上の隣接する導体間に意図しない接続を形成し、短絡を生じる場合に発生します。はんだペーストの塗布に関連することが多いのですが、リフロープロファイルはこの欠陥の原因と予防の両方において重要な役割を果たします。

原因がある： 急激な予熱はフラックスの活性化を早め、はんだが溶融する前にその効果を失う可能性があります。これにより、はんだが制御不能に流れます。さらに、ピーク温度が適切でなかったり、コンベアの速度が速かったりすると、はんだがパッドに完全に合体しないことがあります。
解決策
- 予熱／浸漬ゾーンを調整する： 予熱段階でのランプ速度を遅くし（通常、毎秒1～3℃）、フラックスを適切に活性化させ、成分を安定させる。 [出典：IPC］.
- ピーク温度の最適化： ピーク温度は、合金が完全に液相化するには十分高いが、はんだが過度に広がるほど高くないことを確認する。
- プロファイルの検証： 定期的に熱プロファイルを検証し、はんだペーストメーカーの仕様内に収まるようにしましょう。詳細はこちら温度プロファイリングと欠陥ソリューションの連携.ウェーブはんだ付け特有の問題については、以下のガイドを参照してください。はんだブリッジの低減.

2.はんだボール

はんだボールは、はんだ付け工程後にプリント基板の表面に残るはんだの小さな球体です。部品の周囲に散らばることが多く、外れると短絡の原因となる。

原因がある： 熱プロファイルに関連する主な原因は、ソルダーペーストやプリント基板自体に閉じ込められた水分や揮発性物質です。予熱温度が低すぎたり、ランプレートが速すぎたりすると、リフロー段階でこれらの物質が激しく噴出し、接合部からはんだが飛び散ります。 [出典：AIMはんだ］.
解決策
- 予熱時間と温度を上げる： はんだが融点に達する前に、すべての水分や揮発性物質を穏やかに蒸発させるために、予熱/浸漬ゾーンの時間を長くするか、温度を高くしてください。
- コントロール・ランプ・レート： 熱の立ち上がりが遅いと、はんだスパッタを発生させることなく揮発性物質を逃がすのに十分な時間がかかります。ソルダーペーストサプライヤーが推奨するプロファイルガイドラインを遵守することが重要です。

3.穴埋め不良（ウェーブソルダリング）

スルーホール基板やミックスド・テクノロジー基板では、はんだがめっきスルーホールを完全に充填できず、接続が弱くなったり開いたりすることで、穴埋め不良（または不完全な垂直充填）が発生します。これは、鉛フリーのウェーブはんだ付けにおける一般的な課題です。

原因がある： プリント基板の上面とはんだウェーブの間に大きな温度差があることが主な原因です。上面が冷たすぎると、はんだが穴のバレルから吸い上げられる前に固まってしまいます。その他の原因としては、フラックスの塗布不足、コンベア速度（滞留時間）の不適正、波の高さの不適正などがあります。 [出典：エレクトロニクス・ノート］.
解決策
- プリヒートを最適化する： 上面の予熱温度を高くして、基板全体の熱デルタを小さくする。目標は、ウェーブに接触する直前のアセンブリ温度を、はんだの融点にできるだけ近づけることです。
- コンベアの速度を調整する： コンベアの速度を遅くすることで、基板がはんだウェーブの中で過ごす滞留時間が長くなり、熱が伝わり、はんだが穴に適切に充填される時間が長くなります。
- 正しい波の高さを設定する： はんだウェーブが最適な高さになっていることを確認し、はんだがボードの上面に浸水することなく穴を通過できるよう、十分な圧力をかけます。詳しい手順についてははんだの波の高さを調整する方法.