Wave Soldering Icicles: A Complete Guide To Causes, Detection, And Prevention

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はんだつららとは？

ウェーブはんだ付けプロセスにおいて、はんだつららとは、プリント回路基板アセンブリ（PCBA）の接合部に形成される可能性のある、はんだの鋭利な円錐形の突起のことです。このような突起は、基板が溶融はんだの波から出るときに発生します。理想的には、はんだが基板からきれいに分離し、滑らかで信頼性の高い接続が残るはずです。しかし、分離が完璧でない場合、余分なはんだが点状に引き出され、「つらら」状に凝固することがあります。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には、このステージの詳細が記載されている。

はんだつららの形成は、剥離プロセス、熱プロファイル、はんだウェーブ自体の力学など、いくつかの要因に影響されます。ウェーブからのプリント基板の出射角度が急すぎたり、コンベアの速度が遅すぎたりすると、溶融はんだの自然な表面張力が妨げられ、つららの発生につながります。［出典：autotronic.dk］。はんだつららは、主に2つの理由から重大な製造上の欠陥とみなされています。第一に、隣接するパッドやトレース間に意図しない電気的接続（ショート）を生じさせ、回路の機能を損なう可能性があります。第二に、その鋭く尖った性質が、アセンブリの他の場所で折れてショートを引き起こし、断続的または長期的な信頼性の問題につながる危険性があります。

つらら形成の根本原因

アイシクル形成は、フラッギングとも呼ばれ、余分なはんだが凝固してはんだ接合部に尖った形状を形成する際に発生する一般的なはんだ付け不良です。このような欠陥は、プリント回路基板（PCB）の電気的完全性と長期信頼性を損なう可能性があります。つらら形成の根本的な原因を理解することが、防止への第一歩です。主な要因は、不適切なプロセスパラメータ、PCB設計の問題、不適切なフラックス塗布またははんだ化学の3つに分類できます。

不適切なプロセスパラメータ

はんだ付け装置の設定は、はんだ接合部の品質に重要な役割を果たします。ウェーブはんだ付けでは、つららを防ぐためにいくつかのパラメーターを正確に制御する必要があります。たとえば、コンベヤーの速度は、プリント基板がはんだの波に接触している時間を決定します。速度が遅すぎると、基板上に余分なはんだが蓄積し、基板がウェーブから出るときにつららが発生する可能性があります。はんだ槽の温度も重要な要素です。温度が低すぎると、はんだの粘度が高くなり、うまく流れなくなるため、つららができる可能性が高くなります。逆に温度が高すぎると、はんだ接合部の品質に影響する酸化やその他の問題を引き起こす可能性があります。フラックスを活性化し、はんだ付けのために基板を準備するため、予熱温度も重要です。予熱の設定が適切でないと、フラックスの活性が不十分となり、はんだの流れが悪くなります。これらの設定の管理については、以下のガイドを参照してください。ウェーブはんだ付けプロセス.

PCB設計の問題点

プリント基板自体の設計もつららの発生につながります。部品やパッドのレイアウトによって、はんだがたまりやすい場所ができます。例えば、スルーホールのリード線が長すぎると、余分なはんだを引き寄せ、それが凝固してつららとなります。はんだウェーブを通過する際の基板の向きも影響します。特に複雑な基板レイアウトでは、はんだブリッジやつららができやすい向きがあります。さらに、PCB上の大きな銅プレーンはヒートシンクとして働き、はんだ接合部から熱を奪います。このため、はんだが急速に冷えて固化し、つららの形成につながることがあります。このような欠陥を防ぐには、基板全体のレイアウトだけでなく、部品やパッドの形状を注意深く考慮することが不可欠です。鉛フリーはんだを使用する場合、ウェーブはんだ付けプロファイルをマスターすることが、これらの問題を回避する鍵となります。詳しくは鉛フリーウェーブはんだプロファイルガイド.

不適切なフラックスの塗布またははんだの化学的性質

フラックスは、はんだ付けされる表面をきれいにし、はんだの流れをよくすることで、はんだ付けプロセスにおいて重要な役割を果たす化学薬品です。フラックスの塗布量が不十分であったり、基板全体にフラックスが均一に塗布されていなかったりすると、濡れ性が悪くなり、つららが形成されることがあります。使用するフラックスの種類も重要です。フラックスの種類によって活性レベルが異なり、特定の用途向けに設計されている。誤った種類のフラックスを使用すると、つららなど、さまざまなはんだ付け不良を引き起こす可能性があります。このトピックの詳細についてはフラックスの選択とメンテナンスに関するガイド.はんだ自体の化学的性質も要因となり得る。はんだの合金組成は、その融点と流動特性に影響します。はんだポット内の不純物は時間とともに蓄積され、はんだの特性を変化させ、つらら形成の可能性を高めます。はんだポット内のはんだの定期的な分析とメンテナンスは、一貫した高品質の結果を保証するために必要です。このようなはんだ付けの問題やその他のはんだ付けの問題については、以下の記事をご参照ください。一般的な選択はんだ付け不良の分析と修理.

アイシクル防止におけるマシンセッティングの役割

ウェーブはんだ付けにおけるつららの形成は、機械の設定を注意深く制御することで軽減できる一般的な欠陥です。このようなはんだの鋭い突起は、余分なはんだがはんだウェーブから出るときにプリント回路基板（PCB）から適切に排出されない場合に発生します。様々なプロセスパラメーターの相互作用を理解することが、この問題を防ぐ鍵となります。

コンベア速度

プリント基板がウェーブはんだ付け装置を通過する速度は、非常に重要な役割を果たします。コンベヤーの速度が遅すぎると、基板がはんだと接触する時間が長くなり、はんだが過剰に蓄積されます。このため、余分なはんだが排出される前に冷えて固まり、つららになる可能性が高くなります。逆に、コンベヤーの速度が速すぎると、十分な加熱ができなかったり、はんだがスルーホールを適切に満たせなかったりする可能性があります。最適な速度を見つけることはバランスをとることであり、高品質のはんだ接合を確保するために不可欠です。速度がどのように品質に影響するかについては、以下の記事をご参照ください。はんだ接合品質のためのコンベア速度の最適化.

予熱温度

適切な予熱は、はんだ付けされる金属表面の酸化物やその他の不純物を除去する化学洗浄剤であるフラックスを活性化するために非常に重要です。フラックスが適切に活性化されると、溶融はんだの表面張力が低下し、基板からはんだがより効果的に流れ、排出されるようになります。予熱温度が低すぎると、フラックスが十分に活性化されず、濡れやはんだ切れが悪くなり、つららが残ることがあります。 [出典：PCB-soldering.com].一方、プリヒート温度が高すぎると、フラックスが早く燃え尽き、はんだウェーブに到達する前に基板が再酸化から保護されなくなる可能性があります。これらの温度を管理するための包括的なガイドは、以下の記事でご覧いただけます。はんだ温度.

はんだポット温度

はんだ自体の温度も重要な要素です。はんだポットの温度が低すぎると、はんだの粘度が高くなり、はんだがウェーブからはみ出る際に基板からはんだが抜けにくくなります。この粘度の上昇は、つららやはんだブリッジの形成に直接影響します。しかし、はんだポットの温度が高すぎると、過剰なドロス（はんだの酸化）が発生し、PCBとその部品に熱ストレスを与える可能性があります。 [出典：SMTnet］.はんだポットは、はんだメーカーが指定する温度範囲内に維持することが重要です。

はんだウェーブ・ダイナミクス

はんだ波の形状と流れそのものが、つらら形成に大きな影響を与えます。はんだ波の力学には、波の高さ、波の形状、はんだをポンピングする速度など、いくつかの要因が関係します。良好な穴埋め性を確保するために乱流波が使用されることがよくありますが、はんだが基板からきれいに剥離してつららを防止するためには、出口で滑らかな層流波が必要です。ウェーブからの基板の出口の角度も、適切な排水のために重要です。角度が適切でないと、はんだのスムーズな流れが妨げられ、ピークやつららが残ります。詳しくははんだウェーブダイナミクスのディープダイブ.

つららを防ぐ製造可能性設計（DFM）

DFM（Design for Manufacturability）とは、製造プロセスのあらゆる側面を最適化する製品設計に焦点を当てた、積極的なエンジニアリング手法です。PCB設計の初期段階でDFMの原則を導入することで、はんだつららの形成などの製造不良の可能性を大幅に減らすことができます。PCBレイアウト、部品の向き、パッド形状、熱分布を最適化することは、スムーズで信頼性の高いはんだ付けプロセスを確保するための鍵となります。

PCBレイアウトと部品の向き

プリント基板上の部品の配置は、特に次のような場合に、はんだのつららを防ぐための主な要因となる。ウェーブソルダリングプロセス。シャドーイング」と呼ばれる重大な問題は、背の高い部品が、はんだの波の方向で背の低い部品の前方に配置される場合に発生します。これにより、背の低い部品へのはんだの適切な流れが妨げられ、不良の原因となります。これを防ぐため、設計者は、はんだが各ピンの周囲に流れやすいように、多ピン部品やコネクタの向きを調整する必要があります。一般的なベストプラクティスは、部品の長軸をはんだ波の方向と平行にすることです。この方向は、障害物を最小限に抑え、余分なはんだを効果的に流出させ、つららやブリッジにつながる蓄積を防ぎます。 [出典：PCBWay］ベストプラクティスの詳細については、以下の方法を検討してください。ウェーブはんだ付けにおけるはんだブリッジの低減.

パッド形状と穴サイズ

パッドとスルーホールの設計は、はんだ接合品質に重要な役割を果たします。リードとスルーホールの比率（部品のリードの直径とメッキされたスルーホールの大きさの関係）は、注意深く制御されなければなりません。スルーホールが過度に大きいと、毛細管現象によってはんだが過剰に引き込まれる可能性があります。この余分なはんだが適切に排出されず、基板の裏側で氷柱のように固まってしまうことがあります。パッドの形状も重要です。非円形パッドや不適切なサイズのパッドは、はんだフィレット形成やはんだ排出に悪影響を及ぼします。場合によっては、設計者が「はんだ泥棒」パッドを組み込むことがあります。これは、部品のフットプリントの後縁に配置される余分な銅パッドです。余分なはんだを吸着し、実際の部品リードから引き離し、ブリッジやつららのような欠陥を防ぐように設計されています。 [出典：エペックテック］

熱分布

均一で一貫した加熱は、高品質のはんだ接合を実現するための基本です。グランド・プレーンやパワー・プレーンのような大きな銅の領域は、ヒートシンクの役割を果たし、近くの部品リードから熱エネルギーを引き離します。接合部が最適なはんだ付け温度に達しなかったり、維持できなかったりすると、はんだが正しく流れなかったり、流出したりすることがあります。これにより、はんだが早期に凝固し、つららが残ることがあります。これに対処するため、設計者は「サーマルリリーフ」または「サーマルパッド」を使用します。これは、部品リードと大きな銅プレーンの間の小さなパターン接続です。接続部を小さくすることで、サーマルリリーフが熱障壁を作り、電気的接続を損なうことなく、適切なはんだ付けのために特定のリードが十分に加熱されるようにします。 [出典：7PCB］はんだの品質と不良率に直接影響するため、熱プロファイルをマスターすることは不可欠です。より深く理解するために、熱プロファイルをマスターする方法をご覧ください。ウェーブはんだ付け温度プロファイル.

はんだアイシクル検出のための検査方法

はんだ付け工程の後、はんだつららなどの欠陥を特定することは、プリント回路基板（PCB）の品質と長期信頼性を保証するために不可欠です。従来の手作業による検査から高度な自動化システムまで、さまざまな検査方法があります。

手動目視検査（MVI）

手作業による目視検査は、はんだ付けの欠陥を特定するために訓練を受けた技術者に頼る、欠陥検出のための基本的な方法です。検査員は各はんだ接合部を精査し、多くの場合、顕微鏡のような拡大ツールを使用して微妙な問題を発見します。MVIの主な利点には、初期設定コストの低さと、人間の検査員が大規模な再プログラミングを行うことなく、異なるPCB設計や検査要件に容易に適応できる高い柔軟性があります。さらに、経験豊富な技術者は、自動化されたシステムでは検出できないようなさまざまな異常を特定することができ、プロセス制御に不可欠な微妙なフィードバックを提供することができます。

自動光学検査 (AOI)

自動光学検査システムは、高解像度カメラと洗練された画像処理ソフトウェアを利用し、驚くべきスピードと精度で欠陥を検出します。AOIマシンは、PCBの詳細な画像をキャプチャし、事前にプログラムされた「ゴールデンボード」または確立された設計ルールのセットと比較することによって動作します。不一致があれば、レビューのためにフラグが立てられます。AOIの主な利点は以下の通りです：

スピードと高スループット： AOIシステムは、人間のオペレーターよりもはるかに速く基板を検査できるため、大量生産には欠かせない。大量生産に大きなメリットこの効率から
一貫性と再現性： AOIは手動検査に伴う主観や疲労を排除し、24時間365日一貫した再現性のある結果を提供します。 [出典：eInfochips］
データ主導のプロセス改善： これらのシステムは、詳細な欠陥データを記録し、エンジニアが傾向を追跡し、再発する問題の根本原因を特定し、はんだ付けプロセスを継続的に改善することを可能にします。

最新のシステムには3D画像が組み込まれていることが多く、はんだ接合部の高さや形状をキャプチャすることでさらに正確な測定が可能になり、はんだ不足やリード浮きなどの問題の検出が容易になります。 [出典：ビッテレ・エレクトロニクス］.多くの最新鋭の製造施設では、AOIを迅速かつ包括的な検査に、MVIをフラグ付きの欠陥の詳細な検証や自動化システムでは困難な部品の検査に使用する、ハイブリッド・アプローチが採用されている。

つららのトラブルシューティングと予防策

アイシクルは、はんだショートまたはスパイクとしても知られ、ウェーブはんだ付けプロセスおよび選択はんだ付けプロセスの両方で発生する可能性のある一般的なはんだ付け不良です。このようなはんだの鋭い突起は、隣接する部品間に意図しない電気的接続を生じさせ、短絡や基板の故障につながります。幸い、トラブルシューティングと防止策を組み合わせることで、つららの発生を大幅に減らし、はんだ付けプロセス全体の品質を向上させることができます。

既存のつららの問題のトラブルシューティング

プリント基板につららが発生した場合、まず問題の根本原因を特定することが重要です。徹底的な目視検査は、貴重な手がかりを与えてくれます。つららの場所と頻度にパターンがないか探してください。基板の特定の部品や領域に多く発生していませんか？この情報は、潜在的な原因を絞り込むのに役立ちます。次に、はんだ付けプロセスのパラメータが正しく設定されていることを確認する必要があります。これには、はんだ温度、コンベア速度、フラックス塗布などが含まれます。最適な設定からの逸脱は、つららの形成につながる可能性があります。はんだ付けプロセスを最適化する方法の詳細については、以下のガイドをご覧ください。ウェーブソルダリングプロセスのセットアップと不具合のトラブルシューティング.使用するはんだとフラックスを検査することも重要です。用途に適したはんだとフラックスを使用していること、また、それらが汚染されていないことを確認してください。はんだやフラックスが汚染されていると、つららなどさまざまなはんだ付けの欠陥につながる可能性があります。最後に、プリント基板の設計を検討する必要があります。場合によっては、基板の設計自体がつららの影響を受けやすくすることがあります。適切な基板設計によるはんだ付け不良の防止方法については、以下の記事をお読みください。ウェーブはんだ付けにおけるはんだブリッジの低減方法.

予防戦略

既存のつらら問題に対処するにはトラブルシューティングが不可欠ですが、最善のアプローチは、つららの発生を未然に防ぐことです。プロセス制御、機器のメンテナンス、オペレーターのトレーニングを組み合わせて実施することで、これを行うことができます。

プロセス制御

はんだ付けプロファイルを最適化する： 予熱温度、ソーク時間、ピーク温度を含むはんだ付けプロファイルは、はんだ接合部の品質に大きな影響を与えます。これらのパラメーターを注意深く制御することで、はんだが正しく流れ、凝固し、つららのリスクを最小限に抑えることができます。
コンベアの速度を制御する： コンベアの速度は、プリント基板がはんだの波の中で過ごす時間を決定します。コンベアの速度が速すぎると、はんだが適切に流れる時間が短くなります。コンベアの速度が遅すぎると、接合部からはんだが過剰に引き出されることがあります。
フラックスアプリケーションを最適化する： フラックスの量と種類は、良好なはんだ付け結果を得るために非常に重要です。フラックスの量が多すぎるとつららができやすくなり、少なすぎるとぬれ不良などの不具合が生じます。
窒素雰囲気を使用する： 窒素雰囲気は酸化を抑え、はんだ付け性を向上させ、アイシクル発生の可能性を低減させます。窒素使用の利点については、以下の記事をご覧ください。より良いはんだ付けのためにリフロー炉に窒素が必要な理由.

設備メンテナンス

つららなど、さまざまなはんだ付け不良を防ぐには、定期的な機器のメンテナンスが欠かせません。メンテナンスが行き届いたはんだ付け装置は、より安定した信頼性の高い動作を実現し、はんだ付け工程を確実に管理することができます。

定期的なクリーニング： はんだ槽、ノズル、その他のはんだ付け機の部品は、定期的に清掃し、ドロスやその他の汚れを取り除く必要があります。
適切な校正： はんだ付け装置は定期的に校正し、正しい温度やその他のパラメータで動作していることを確認する必要があります。
ノズルのメンテナンス： はんだ付けノズルは、摩耗や損傷がないか定期的に点検してください。ノズルの摩耗や損傷は、はんだの波の形状に影響を与え、つららの形成の原因となります。ノズルの性能を向上させるヒントについては、以下のガイドをご覧ください。選択ウェーブはんだ付けノズルの性能を向上させる方法.

オペレーター・トレーニング

オペレータは、はんだ付けの不具合を防止する上で重要な役割を果たします。オペレータに適切なトレーニングを提供することで、はんだ付け装置を正しく操作し、維持するために必要な知識とスキルを確実に身に付けさせることができます。

氷柱の原因についてオペレーターを教育する： オペレーターは、つららの原因を認識し、それを防ぐための措置を講じることができるように訓練されるべきである。
明確な作業指示を出す： オペレーターは、はんだ付け装置のセットアップと操作方法を明確かつ簡潔に説明する必要があります。
良い家事の重要性を強調する： 清潔で整理整頓された作業場は、はんだ付けの欠陥につながる汚染やその他の問題を防ぐのに役立ちます。

安定したウェーブソルダリングプロセスの実現

一貫してはんだのつららをなくす堅牢なウェーブはんだ付けプロセスを実現するには、設計、工程管理、熱心な品質管理を統合した包括的な戦略が必要です。魔法の弾丸を見つけるのではなく、すべてのコンポーネントが調和して高品質のはんだ接合を生み出すシステムを構築することが重要です。何よりもまず、プリント基板（PCB）の適切な設計が不可欠です。これには、適切なはんだの流れと排出を促進するためのパッドとホールのサイズ、リードの長さ、部品の向きの最適化が含まれます。設計がはんだ付けの結果にどのような影響を与えるかについては、以下のガイドをご覧ください。ウェーブソルダーパレット設計.

プロセスの最適化は、はんだつらら防止の核心です。重要なパラメータは慎重に制御する必要があります：

はんだ温度と波のダイナミクス： はんだポットの温度は、良好な流動性を確保するのに十分な高温でなければなりませんが、部品を損傷したり、はんだを劣化させたりするほどの高温ではありません。はんだの波自体のダイナミクスが重要な役割を果たします。これについてははんだウェーブ・ダイナミクス.
予熱： プリント基板を適切に予熱することで、熱衝撃を防ぎ、フラックスを活性化させ、はんだ付け前に基板が最適な温度になるようにします。
フラックスの応用： フラックスの適量は極めて重要である。フラックスの量が少なすぎると、はんだ付けがうまくいかず、つららができたりしますし、多すぎると、残渣が残ったり、他の問題を引き起こしたりします。適切なフラックスの選び方についてはフラックスの選択とメンテナンスの手引き.
コンベアの速度と角度： プリント基板がはんだウェーブを通過する速度と角度によって、接触時間と余分なはんだの排出が決まります。速度が遅いと、はんだがきれいに分離されず、つららができることがあります。

最後に、厳格な品質管理がすべてを結びつける。工場全体の定期的な検査と監視ウェーブはんだ付けプロセスフラックスの塗布から最終的なはんだ接合まで、あらゆる逸脱を早期に発見し、修正することができます。ポット内のはんだの純度を維持することも重要な品質管理ステップです。汚染物質ははんだ接合部の品質に大きな影響を与え、欠陥につながる可能性があるからです。思慮深い設計、正確なプロセスの最適化、継続的な品質管理を組み合わせた総合的なアプローチを取ることで、メーカーは、はんだつららをなくし、高歩留まりで高品質の電子アセンブリを生産する、安定した信頼性の高いウェーブはんだ付けプロセスを構築することができます。

情報源

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