表面実装プロセス

リフローはんだ付けは、表面実装コンポーネントをプリント基板 (PCB) に取り付けるために最も広く使用されている方法です。このプロセスの目的は、最初にコンポーネント/PCB/はんだペーストを予熱し、次に過熱による損傷を引き起こすことなくはんだを溶かすことによって、許容可能なはんだ接合を形成することです。

効果的なリフローはんだ付けプロセスにつながる重要な側面は次のとおりです。

1. 適合機械
2. 許容可能なリフロープロファイル
3. PCB/コンポーネントのフットプリント設計
4. 適切に設計されたステンシルを使用して慎重に印刷された PCB
5. 表面実装コンポーネントの反復可能な配置
6. 高品質の PCB、コンポーネント、はんだペースト

適切な機械

必要なライン速度や処理する PCB アセンブリの設計/材質に応じて、さまざまなタイプのリフローはんだ付け機を利用できます。選択したオーブンは、ピック アンド プレース装置の生産速度に対応できる適切なサイズである必要があります。

回線速度は以下のように計算できます。

回線速度 (最低) =1 分あたりのボード数 x ボードあたりの長さ
負荷率（基板間隔）

プロセスの再現性を考慮することが重要であるため、「負荷率」は通常、機械メーカーによって指定されます。計算は以下に示されています。

正しいサイズのリフロー オーブンを選択できるようにするには、プロセス速度 (以下に定義) が計算された最小ライン速度より大きくなければなりません。

処理速度 =オーブン室加熱長さ
プロセス滞留時間

以下は、正しいオーブンのサイズを確立するための計算例です。

SMT 組立業者は、8 インチの基板を 1 時間あたり 180 枚の速度で生産したいと考えています。はんだペーストのメーカーは、4 分間の 3 ステップのプロファイルを推奨しています。このスループットで基板を処理するにはどれくらいの時間オーブンが必要ですか?

1 分あたりのボード数 = 3 (180/時間)
ボードあたりの長さ = 8 インチ
負荷率 = 0.8 (ボード間のスペースは 2 インチ)
プロセス滞留時間 = 4 分

ライン速度の計算:(3 枚のボード/分) x (8 インチ/ボード)
0.8

ライン速度 = 30 インチ/分

したがって、リフロー オーブンの処理速度は少なくとも 30 インチ/分でなければなりません。

プロセス速度の式を使用してオーブン チャンバーの加熱長さを決定します。

30 インチ/分 =オーブン室加熱長さ
4分

オーブン加熱時の長さ = 120 インチ (10 フィート)

オーブンの全長は、冷却セクションとコンベア搬入セクションを含めて 10 フィートを超えることに注意してください。計算は加熱された長さのものであり、オーブン全体の長さではありません。

2. 対流ファンの速度の閉ループ制御 – SOD323 (挿入図を参照) などの特定の表面実装パッケージには、質量に対する接触面積の比が小さく、リフロー プロセス中に影響を受けやすいものがあります。このような部品を使用するアセンブリには、従来のファンの閉ループ速度制御が推奨されるオプションです。

3. コンベアとセンターボードサポートの幅の自動制御 – 一部の機械では幅を手動で調整できますが、PCB 幅が異なる多数の異なるアセンブリを処理する場合は、一貫したプロセスを維持するためにこのオプションをお勧めします。

許容可能なリフロープロファイル

リフロー プロファイルを作成するために、熱電対がサンプル アセンブリ (通常は高温のはんだを使用) の多くの場所に接続され、PCB 全体の温度範囲が測定されます。少なくとも 1 つの熱電対を PCB の端に近いパッド上に配置し、1 つの熱電対を PCB の中央に近いパッド上に配置することをお勧めします。理想的には、「デルタ T」として知られる PCB 全体の温度の全範囲を測定するには、より多くの熱電対を使用する必要があります。

一般的なリフローはんだ付けプロファイルには、通常、予熱、浸漬、リフロー、冷却の 4 つの段階があります。主な目的は、コンポーネントや PCB に損傷を与えることなく、はんだを溶かしてはんだ接合部を形成するのに十分な熱をアセンブリに伝達することです。

予熱– この段階では、コンポーネント、PCB、およびはんだはすべて、急速に加熱しすぎないように注意しながら、指定されたソークまたはドウェル温度まで加熱されます (通常は 2℃/秒を超えないようにします – はんだペーストのデータシートを確認してください)。加熱が速すぎると、コンポーネントに亀裂が入ったり、はんだペーストが飛び散ってリフロー中にはんだボールが発生したりするなどの欠陥が発生する可能性があります。

浸す– この段階の目的は、リフロー段階に入る前に、すべてのコンポーネントが必要な温度に達していることを確認することです。浸漬は、アセンブリの「質量差」と存在するコンポーネントの種類に応じて、通常 60 ～ 120 秒間続きます。浸漬段階での熱伝達が効率的であればあるほど、必要な時間が短くなります。

リフロー段階でリフロープロファイルに加えられる熱が不十分な場合、以下の画像のようなはんだ接合が見られます。

はんだが形成されていない鉛入りフィレット

すべてのはんだボールが溶けていない

リフロー後の一般的なはんだ付け欠陥は、以下に示すように、ミッドチップのはんだボール/ビーズの形成です。この欠陥の解決策は、ステンシルのデザインを変更することです。詳細はここでご覧いただけます.

強力なフラックスを含むはんだペーストが使用されなくなる傾向があるため、リフロープロセス中の窒素の使用を考慮する必要があります。問題は実際には窒素中でリフローする能力ではなく、むしろ酸素の不在下でリフローする能力です。酸素の存在下ではんだを加熱すると酸化物が生成され、通常はんだ付けできない表面になります。

冷却– これは単にアセンブリを冷却する段階ですが、アセンブリを急速に冷却しすぎないことが重要です。通常、推奨される冷却速度は 3°C/秒を超えてはなりません。

PCB/コンポーネントのフットプリント設計

PCB 設計には、アセンブリのリフローの程度に影響を与えるさまざまな側面があります。例としては、コンポーネントのフットプリントに接続するトラックのサイズがあります。コンポーネントのフットプリントの一方の側に接続するトラックがもう一方の側よりも大きい場合、以下に示すように、熱の不均衡が生じ、部品が「廃棄」される可能性があります。

別の例は「銅バランス」です。多くの PCB 設計では大きな銅領域が使用されており、製造プロセスを支援するために PCB がパネルに配置されると、銅の不均衡が生じる可能性があります。これにより、リフロー中にパネルが歪む可能性があるため、推奨される解決策は、以下に示すように、パネルの無駄な領域に「銅のバランス調整」を追加することです。

見る「製造のための設計」他の考慮事項のために。

適切に設計されたステンシルを使用して慎重に印刷された PCB

表面実装アセンブリ内の初期のプロセス ステップは、効果的なリフローはんだ付けプロセスにとって重要です。のはんだペースト印刷工程これは、PCB 上にはんだペーストを一貫して塗布するための鍵となります。この段階で何らかの欠陥があると望ましくない結果につながるため、このプロセスを完全に制御し、効果的なステンシルデザインが必要です。

表面実装コンポーネントの反復可能な配置

コンポーネントの配置のバリエーション

表面実装コンポーネントの配置は再現可能である必要があるため、信頼性が高く、よくメンテナンスされたピック アンド プレース マシンが必要です。コンポーネント パッケージが正しい方法で教えられていない場合、マシン ビジョン システムが各パーツを同じ方法で認識できなくなり、配置のばらつきが観察される可能性があります。これにより、リフローはんだ付けプロセス後の結果が不均一になります。

コンポーネント配置プログラムはピック アンド プレイス マシンを使用して作成できますが、このプロセスは PCB ガーバー データから直接重心情報を取得するほど正確ではありません。多くの場合、この重心データは PCB 設計ソフトウェアからエクスポートされますが、場合によっては利用できないため、ガーバーデータから重心ファイルを生成するサービスは、Surface Mount Process によって提供されます.

すべてのコンポーネント配置マシンには、次のように「配置精度」が指定されます。

35um (QFP) ～ 60um (チップ) @ 3 シグマ

配置するコンポーネントの種類に応じて正しいノズルを選択することも重要です。さまざまなコンポーネント配置ノズルを以下に示します。

高品質の PCB、コンポーネント、はんだペースト

品質が低いと望ましくない結果につながるため、プロセス中に使用されるすべてのアイテムの品質は高くなければなりません。PCB の製造プロセスや保管方法によっては、PCB の仕上げにより、リフローはんだ付けプロセス中のはんだ付け性が低下する可能性があります。以下は、PCB の表面仕上げが悪く、「ブラック パッド」として知られる欠陥につながる場合に見られるものの例です。

高品質のPCB仕上げ

変色した PCB

はんだが PCB ではなくコンポーネントに流れる

同様に、表面実装部品のリードの品質は、製造プロセスや保管方法によっては低下する可能性があります。

はんだペーストの品質は、保管と取り扱い。低品質のはんだペーストを使用すると、以下に示すような結果が生じる可能性があります。