見積依頼

投稿: A Comprehensive Guide To Wave Soldering Temperature

ホーム / ブログ

ウェーブはんだ温度の総合ガイド

ウェーブはんだ付けにおける温度の重要な役割

ウェーブはんだ付けは、特にプリント回路基板（PCB）にスルーホール部品を取り付けるために、現代の電子機器製造に不可欠なバルクはんだ付けプロセスです。この非常に効率的な方法では、部品を搭載したプリント基板がコンベアシステムに沿って移動し、溶融はんだのパンの上を通過します。パン内では、ポンプによって連続的なはんだの波が発生し、基板の下面を洗うと同時に、すべての部品のリードに強力な金属結合が形成される。この技術は大量生産の基礎となるものですが、その成功は基本的に多くのパラメーターを正確に制御することに依存しており、中でも温度は最も重要な変数です。包括的な概要については、詳細な内訳をご覧ください。 ウェーブはんだ付けプロセスのステップバイステップガイド.

ウェーブはんだ付けの全過程は、3つの重要な熱的段階に区分することができ、それぞれがはんだ接合部の最終的な品質に明確かつ重要な役割を果たします。

  1. フラックスの応用： サーマルステージそのものではないが、フラックス塗布は加熱の不可欠な前提条件である。基板が加熱ゾーンに入る前に、薄く均一なフラックス層が基板表面に塗布される。フラックスの主な役割は、化学洗浄剤として金属パッドや部品リードから酸化物やその他の表面汚染物質を除去することである。これらの酸化物層は、そのままにしておくと、はんだが表面を適切に濡らすのを妨げ、弱い接合や存在しない接合の原因となる。続く予熱段階は、フラックスを活性化させ、この重要な機能を発揮させるものである。
  2. 予熱： これは最初の重要な温度制御段階である。PCBアセンブリは、溶融はんだと接触する前に、特定の目標温度まで徐々に加熱されます。この段階は、いくつかの理由から非常に重要です。まず第一に、PCBとその部品への熱衝撃のリスクを最小限に抑えます。はんだウェーブの高温に突然さらされると、材料が急激に膨張し、部品に亀裂が入ったり、PCB層が剥離したりする可能性があります。 [出典：AMTECH］.第二に、予熱プロセスによってフラックスが適切に活性化され、効果的に流れ、洗浄されます。最後に、基板と溶融はんだの温度差を小さくすることで、適切な予熱はさまざまなはんだ付け不良を防ぎ、より安定した濡れ性を確保します。
  3. ハンダ付け波： ここがプロセスの中心で、はんだ付けが行われる。プリント基板は溶融はんだのダイナミックな波の上を移動しますが、この温度は極めて正確に維持されなければなりません。SAC305（錫-銀-銅）のような最新の鉛フリーはんだの場合、この温度は通常、255°Cから265°Cの間の狭いウィンドウに存在します。 [出典：エペックテック］.はんだ温度が低すぎると、ぬれ不良、ボイド、信頼性の低い "コールドジョイント "の原因となります。逆に温度が高すぎると、デリケートな電子部品に熱ダメージを与えたり、PCB基板の剥離を引き起こしたり、はんだポット内のドロス（酸化物）の形成を促進したりして、はんだの品質を低下させます。正確な熱曲線をマスターすることは譲れません。 鉛フリーウェーブはんだプロファイル.

最終的に、温度制御はウェーブはんだ付けを成功させる絶対的な基礎となります。予熱ゾーンの緩やかな立ち上がりから、はんだウェーブのピーク温度、その後の制御された冷却速度に至るまで、熱プロファイルのあらゆる段階を綿密に設計し、管理する必要があります。この精度がなければ、ブリッジングやアイシクリングなどの欠陥に悩まされる信頼性の低い電子部品アセンブリが製造され、製品の品質と長期信頼性の両方が損なわれる危険性があります。この方法と他の方法との比較については、以下の記事を参照されたい。 ウェーブはんだ付けとリフローはんだ付けの比較.

ウェーブはんだ付けの熱プロファイルを理解する

により、完璧で信頼性の高いはんだ接合を実現します。 ウェーブはんだ付けプロセス は単一の温度ではなく、注意深く制御された熱プロファイルをマスターすることです。このプロファイルは、PCBアセンブリの熱的な旅を指示する時間-温度グラフです。予熱、はんだウェーブコンタクト、冷却の3つの重要な段階から構成されます。このプロファイルを正確に実行することは、フラックスを活性化し、熱応力を防止し、強固な金属間接合を形成するために不可欠です。

1.予熱段階

予熱段階は、サーマルプロファイルの初期段階であり、最も長い段階です。その主な目的は、PCBアセンブリ全体の温度を徐々に均一に上昇させることです。この制御された温度上昇は、部品に微細な亀裂を生じさせたり、基板の反りにつながる現象である熱衝撃を防ぐために極めて重要です。この段階はまた、液体フラックスを活性化させ、その化学薬品がはんだ付けされる金属表面の酸化物を効果的に除去するという重要な機能も果たします。温度の上昇速度を制御することが最も重要であり、一般に、上昇速度は毎秒2～4℃未満に維持されるべきである。基板がはんだウェーブと接触する前に、基板上面の温度は100℃～130℃が理想的です。 [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.予熱が不十分な場合、フラックスの活性化が不完全になり、深刻な熱応力が発生する可能性があります。一方、予熱が過剰な場合、フラックスが早期に消費されたり、敏感な部品が劣化したりする可能性があります。

2.はんだウェーブコンタクトステージ

これは、実際のはんだ付けが行われる中心的な段階です。プリント基板がはんだ槽の上を通過すると、溶融はんだのダイナミックな波が基板の下面に接触し、めっきされたスルーホールや部品のリード線周辺に流れ込みます。この接触時間はドウェルタイムと呼ばれ、通常数秒と非常に短いものです。はんだの温度はこの段階で最も重要なパラメータであり、使用されるはんだ合金によって決まります。

  • 鉛入りはんだ（例：Sn63/Pb37）： これらの伝統的な合金は融点が低く、はんだウェーブの一般的な動作温度は240℃～250℃（464°F～482°F）です。
  • 鉛フリーはんだ（SAC合金など）： 環境規制に後押しされ、鉛フリーはんだは今や業界標準となっています。鉛フリーはんだは融点が高いため、通常260°C～270°C（500°F～518°F）のかなり高いウェーブ温度が必要です。 [出典：PCBテクノロジーズ］.

安定した高品質のはんだフィレットを形成するには、ウェーブ全体の温度を安定かつ均一に保つことが不可欠です。最新の鉛フリー合金の複雑さを克服する製造業者のために、 鉛フリーウェーブはんだ付けプロファイルのマスター がプロダクションを成功させるための絶対的な鍵である。

3.冷却ステージ

はんだウェーブを抜けた直後、プリント基板は最終冷却段階に入ります。これは受動的なプロセスではありません。強固で微細なはんだ接合構造を確実に形成するためには、冷却速度を注意深く管理する必要があります。アセンブリが急速に冷却されすぎると（衝撃冷却）、内部応力が誘発され、接合部がもろくなったり、微小破壊が生じたりして、後で故障する可能性があります。逆に冷却が遅すぎると、粗い結晶粒構造が形成され、接合部の機械的強度が弱くなります。理想的な冷却速度は、一般的に毎秒5℃以下である。 [出典：OurPCB］.この制御された温度降下により、はんだは強固な金属結合に凝固し、部品が恒久的に固定される。

プリント基板の特性が必要な熱プロファイルに与える影響

完璧なはんだ接合を達成するには、画一的なアプローチでは不可能です。理想的な温度プロファイルは、特定のプリント回路基板アセンブリごとに固有の物理的および材料的特性に合わせて慎重に調整する必要があります。ウェーブからリフローまで、あらゆるはんだ付けプロセスを最適化するには、基板の厚さ、部品密度、材料タイプなどの変数が熱吸収と熱分布にどのように影響するかを深く理解する必要があります。オーブンベースの方法を使用する場合、これらのプロファイルを作成するための詳細なガイドは、以下の記事でご覧いただけます。 リフロー炉温度プロファイルの設定.

プリント基板の厚さと熱質量

PCBの厚さと層数は、その熱質量（温度を上げるのに必要な熱エネルギーの量）を決定する主な要因です。厚い多層基板は、薄い片面基板に比べて熱質量がかなり高くなります。予熱中、目標温度に均一に達するには、より多くのエネルギーと時間を必要とする。プリヒート段階が短すぎたり、温度が低すぎたりすると、基板の内部コアが冷えたままになり、はんだウェーブに当たったときにはんだ接合部が冷えてしまう可能性があります。逆に、高質量の基板用に設計されたプロファイルを低質量の基板に適用すると、過熱が起こり、部品を損傷したり、基板が剥離したりする可能性があります。 [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.アセンブリ全体が熱平衡に達するように、多くの場合、予熱ゾーンの時間を延ばしたり、温度を上げたりして、プロファイルを調整しなければならない。

部品密度と分布

コンポーネントのサイズ、数量、配置も、全体的な熱質量と基板全体の熱分布に大きく影響します。ボール・グリッド・アレイ（BGA）、クワッド・フラット・パッケージ（QFP）、ヒートシンクのような大型部品が高密度に配置されたアセンブリは、小型の個別部品がまばらに配置された基板とは熱の吸収と分布が大きく異なります。大型部品はヒートシンクとして機能し、はんだ接合部から熱エネルギーを奪って「熱影」を作り、近くの小型部品が必要な温度に達するのを妨げます。効果的な PCBリフロー温度プロファイル 多くの場合、「ソーク」ゾーンと呼ばれる温度持続時間を設け、基板全体を均一化させ、最終的な温度上昇の前にすべての部品が均一に加熱されるようにする。 [出典：アンダ・テクノロジーズ］.この原理は、ウェーブはんだ付けの予熱段階にも適用される。

基板材料とはんだ合金

FR-4は最も一般的な基板材料であるが、特殊な用途では独自の熱特性を持つ材料が要求される。高周波回路はロジャース材を使用し、ハイパワーアプリケーションはメタルコアPCB（MCPCB）を使用することが多い。これらの材料は熱伝導率が異なり、熱の伝わり方に大きな影響を与えます。例えば、MCPCBは非常に効率的に熱を放散するように設計されているため、接合部で必要なはんだ付け温度を維持するのが難しくなります。温度に敏感な部品を過熱することなく、この急速な放熱を補うためには、温度プロファイルをより積極的にする必要があります。さらに、はんだ合金自体も重要な要素です。従来の錫鉛（SnPb）はんだの融点は約183℃です。対照的に、SAC305のような最新の鉛フリー合金は融点が高く、通常217℃～221℃です。このため、リフローはんだ付けのピーク温度は235℃から250℃に達し、有鉛はんだに必要な温度よりも20～30℃高くなります。 [出典：PCBテクノロジーズ］.間違ったプロファイルを使用すると、はんだの溶融が不完全になったり、深刻な熱損傷を受けたりと、大惨事につながる可能性があります。詳しくは リフローはんだ付けプロセスへのディープダイブ.

不適切な温度による一般的なはんだ付け不良

温度は、高品質のはんだ接合を実現するための要です。温度プロファイルが不適切な場合、一般的でコストのかかるさまざまなはんだ付け不良が発生する可能性があります。温度パラメータを調整することによって、これらの問題を特定、診断、修正する方法を理解することは、電子アセンブリの長期的な信頼性を確保するために不可欠です。

コールドジョイント

コールドジョイントは、はんだが完全に溶けて適切に流れず、部品のリードとPCBパッドの間の接続が不十分で信頼できない場合に発生します。このような接合部は、くすんだ灰色、ざらざらした、または塊状の外観によって視覚的に識別可能であり、良好なはんだ接合部の明るく光沢のある仕上げがありません。電気的には大きな障害となり、トラブルシューティングが困難な断続的な故障を引き起こすことがよくあります。

  • 診断 冷たい接合部の根本的な原因は、ほとんどの場合、熱不足である。これは、はんだごての温度が低すぎたり、熱の加え方が短すぎたり、グランドプレーンが大きすぎて接合部から熱が早く逃げてしまったりすることに起因します。 [出典：All About Circuits］.自動化されたプロセスでは、予熱が不十分であったか、ピーク温度が低すぎたことを示している。この問題の詳細については、以下のガイドを参照されたい。 リフローはんだ付けにおけるコールドジョイントの解決.
  • 解決： コールドジョイントを修正するには、接合部に多くの熱エネルギーを供給するために熱プロファイルを調整する必要があります。これには、はんだウェーブやリフロー炉のピーク温度を上げたり、はんだが完全に溶融した状態を維持する時間（TAL）を延長したりすることが含まれます。堅牢な予熱段階も重要です。アセンブリ全体を確実に高温にし、最終はんだ付け段階で基板が巨大なヒートシンクとして機能するのを防ぎます。 [出典：エペック・エンジニアード・テクノロジーズ］.

はんだブリッジ

はんだブリッジとは、隣接する2つ以上のパッドや部品のリード線の間に、過剰なはんだが意図しない電気的接続を形成する欠陥です。このような「ショート」は、即座に回路の誤動作を引き起こす可能性があり、ボールグリッドアレイ（BGA）のような高密度部品の下で発生した場合は特に検出が困難です。

  • 診断 ブリッジは多くの場合、はんだペーストの析出量が多すぎるか、はんだが制御不能に流れるような不適切な温度プロファイルによって引き起こされます。具体的には、予熱ランプの速度が速すぎると、はんだペーストが溶融する前にスランプして広がり、ブリッジが形成される可能性が著しく高くなります。 [出典：テクノ］.光学検査（手動または自動）は、この欠陥を検出するための主な方法である。
  • 解決： サーマルプロファイルの調整は重要な解決策です。予熱のランプレートを下げることで、はんだペーストのスランプを最小限に抑えることができます。さらに、ピーク温度を最適化することも重要です。ピーク温度が高すぎると、はんだの表面張力と粘度が過度に低下し、パッドからはみ出したはんだが流れる可能性があります。ウェーブはんだ付けでは、コンベア速度、フラックス塗布、はんだウェーブダイナミクスの調整も効果的な戦略です。 はんだブリッジの低減.

熱衝撃

サーマルショックとは、急激な温度変化によりPCBやその部品に発生する損傷や破壊のことです。FR-4基板、銅トレース、セラミックコンポーネントボディなど、PCBアセンブリで使用されるさまざまな材料は、すべて異なる速度（熱膨張係数）で膨張および収縮します。急激な温度上昇は、致命的なクラックにつながる可能性のある莫大な機械的ストレスを発生させます。

  • 診断 この欠陥は、部品本体、特に多層セラミック・コンデンサのような脆性部品や、はんだ接合部自体に微細なクラックとして現れることが多い。これらのクラックは肉眼では見えないことが多いが、時間とともに伝播し、潜在的な電界故障につながることがある。熱衝撃は、予熱ゾーンとはんだ付けピークゾーンの温度差が大きすぎ、かつその移行が速すぎる場合に発生しやすい。 [出典：導電性容器］.
  • 解決： 決定的な解決策は、サーマルプロファイル内のランプレートを厳密に制御することです。ほとんどのはんだ付けプロセスでは、加熱と冷却の両方で1秒あたり1～3℃のランプアップ速度が安全で推奨されるガイドラインです。緩やかで直線的な温度上昇は、基板上の多様な材料を均一に膨張・収縮させ、内部応力を最小限に抑えます。具体的なガイダンスについては、以下の総合ガイドをご参照ください。 PCBリフロー温度プロファイルのマスター.

情報源

著作権 © 2024 深セン楚信電子設備有限公司 粤ICP备09167204号

上部へスクロール