本稿では、「フローのリフロー化」について、事例を示しながら考察する。ご参照いただき、それぞれの現場における部品搭載、はんだ付けにご活用いただきたい。
量産現場における鉛フリーはんだ ~フローのリフロー化、およびその検討課題について~
実装技術アドバイザー / 河合 一男1. はじめに
2. 部品のリフロー化
図1に示した基板で実験を行った。
①のQFPは、下部ヒータの温度のみではんだ付けしている(※基板上面にある部品は下部ヒータからの熱ではんだ付けされる。従来の部品リードの温度差(ΔT)のみを基準として温度プロファイルを決めるのは見直しが必要である)。
②の部分は、断熱カバーのみで部品表面温度は204℃に達し、熱影響を受けた。
③の部分では、断熱治具と放熱治具を用いても温度が高くなり、部品表面の温度も144 ℃と十分下がっていなかった。
断熱治具と放熱治具を用い、かつ、コンベア速度を0.3m/mから0.35m/mと速くすると、③の表面温度は126℃に下がり、放熱治具を用いていない②は186 ℃となった。
④のトランスリードは176 ℃、QFPリードは236 ℃、基板裏面は245 ℃となって、はんだ付け可能な温度となった。ただし、現状では④のトランスリードは温度が低く、はんだの融点に到達していないので、後付けということになる。これは今後の対策が必要である。
ちなみに、コンベア速度が0.4m/m の場合では112 ℃に下がった。ファンの回転数も温度変化が大きく変わる要素になるのである。
ディスクリート部品や耐熱性の低い部品のリフロー化は、従来の温度プロファイルの規格にとらわれていては不可能である。また、設計や部品が高度になっている状態では現状の温度プロファイルでは十分対応できず不良率の改善は見込めない。
今回、下部ヒータのみ使用して高温に設定した。両面基板の下面の部品温度の耐熱性を考慮し、その表面温度を250℃前後まで、としたが、これは下部ヒータの温度が250 ℃ということではなく、ヒータ温度は250~350℃の設定になる。各リフロー炉の性能などで変わるので、それぞれの炉で確認する必要がある(図2)。


3. フローのリフロー化の検討課題
挿入部品へのはんだ供給方法はディスペンサでの供給方法があるが、問題は、スルーホール全体にはんだが供給されるため、加熱時フラックスの暴発による飛散・はんだボールやブローホールが発生しやすい、という点である(図3)。

はんだ供給はSMTと同様にメタルマスクを用いて印刷するが、以下の点に注意する必要がある。
①…基板裏面からはんだを印刷した後に基板を反転し部品を挿入する。この場合、基板に密着した状態のホール内のはんだのぬれ性・充填性(ブローホールやボイド)は確認することができないので、X 線観察や断面観察が必要になる。
②…基板上面への印刷後に、部品を基板上面から挿入する場合は、基板の反転が不要になる。この場合は、①と同様に部品が基板に密着するので、印刷されたはんだが部品下に残され、はんだボールが発生する可能性がある。しかしこの問題は、部品下へのはんだ量の調整や、印刷位置の調整で対応することが可能である。
レジスト上に印刷されたはんだ量とその印刷形状でレジスト上に印刷された余分なはんだは、フラックス効果によってホール内に流れ込むので特に問題はない。印刷量と印刷形状及び印刷位置については、ディスペンサでのはんだ供給でも同様である(図4)(※部品下のホールランドの幅と印刷されたはんだの量、および印刷形状によって、はんだボールの発生を抑制する)。

4. はんだボール・ボイドの発生原因
以下に、はんだボール・ボイドの発生原因を挙げる。
① 耐熱性の高い(流動性の低いフラックス)フラックス
② プリヒートが長いとフラックス効果が劣化し、はんだの流動性が悪くなる
③ はんだの流動性が速く、部品の吸着が強いと、ホール表面にはんだが残る
④ はんだ量が多い
⑤ はんだ印刷の位置(広がり)
⑥ ホール内の汚れ(酸化)
⑦ 設計
⑧ 急激な温度プロファイルの変化
⑨ その他
なお、フラックスの荒れは、はんだの流動性を阻害する。熱バランスの良いフラックスだと扱いやすい(図5、図6)。

