量産現場における鉛フリーはんだ

実装技術アドバイザー / 河合 一男

1. 耐熱性の低い部品のリフロー化下部ヒータ融点以上の溶融時間

耐熱性の低い部品(フローはんだ付け部品など)の実装は、はんだ付け箇所の基板上面のランドや基板下部のホールランド、ホール内部に十分に加熱量を供給することができれば可能となる。フラックス効果が持続している間の、十分な溶融時間が決め手となる。

すべての下部ヒータを300 ℃にするのことでホットプレート効果が得られ、これによって基板下部からの熱が基板上部へ伝わるので、基板の多層に関係なく基板上部に印刷されたはんだは溶融するのである。

基板上部に搭載された部品下のランド部は十分加熱されるが、部品上面は上部ヒータがオフの状態であるため放熱され、耐熱温度以下で収まる(180~220℃)。融点以上はコンベア速度で自在に調整することが可能である。

特に、耐熱性の低い部品の場合は断熱治具以外に放熱治具を組み込むとさらに温度を抑えることができる(Fch の断熱治具222 ℃+放熱治具145℃)。

図1 のプロファイルは、下部ヒータをすべて300 ℃、上部ヒータをすべてオフとした場合は基板下部の温度は253℃(Ach)、基板上部表面温度は237℃(Bch)である。

図1

なお、多層基板では内層に多くのパターンが走っているため、表面のランド部の熱量は個々に違いが出るものの、下部ヒータとコンベア速度の効果によってランド面の熱量は同じになる。

異なる基板のサイズでもはんだ付け部の熱量はほぼ同じで、コンベア速度の調整のみで機種の切り替えができる(図2)。

下部ヒータはリフロー炉の性能に影響されるのでそれぞれ異なるが、基本的にはヒータ温度、コンベア速度、ファンの回転数(熱風の強さ)によって変わる。ファンの回転数が高いと基板上表面の温度にばらつきが出やすいので、コンベア速度の増減で熱量を調節するが良い(図3)。また、はんだのフラックスは熱反応が早いものを選定することでぬれ性が安定する。

図4は、はんだ供給+部品マウント

図2
図3
図4

2. 温度プロファイルの作成

図5に示した温度プロファイルの作成による波形の差は大きいが、融点以上のリフロー部のトップ温度差は小さい。

品質的にはプリヒートが長いため、フラックスの劣化に差が出るのでボイドや接合強度に影響しやすい(図6)。

温度プロファイルを決定するにあたって、見た目の波形に頼っていては品質を確保することができないので、リフロー炉の特性に合わせて、各ヒータの温度をコントロールすることではんだぬれ性を調整するようにするべきである(図7)。

図5
図6
図7

3. 微細部品(はんだ・フラックスの少ない)のはんだ付け

微細部品のはんだのフラックスは少なく、上部ヒータによるプリヒートで早く劣化してしまうため、上部ヒータの一部をオフにし、上部ファンからの熱風を抑えてリフロー部のみオンにする。下部ヒータは下部の部品の熱影響を抑えると同時に、すべて250 ℃にする(図8)。

リフローはファンの熱風で基板や部品を加熱するため、炉内での温度が安定せず、1~2℃の温度や1~2 秒の時間を再現することは難しいが、温度プロファイルのトップ温度や融点以上時間は下部ヒータの微調整で1℃単位で調整することができる。上部ヒータでの微調整はできないので、それぞれのリフロー炉の特性に合わせヒータ温度とコンベア速度を調整することで微細な部品の実装に対応する(図9)。

図8
図9 各ヒータの調整とトップ温度

4. 多ピン、列の挿入コネクタ

挿入部品のリフロー化は、単品であれば特に問題はないが、多層基板や厚め(深いホール)の基板では、はんだ供給方法の違いにより、ホール内部でフラックスの暴発・飛散が問題になる。

また、ボイドやブローホール・ピンホールの検査が難しく、見落としの可能性が高くなる。特にはんだ供給方法ではディスペンサで多くの問題が発生しやすく、この工法の検討が中断してる現場が多い。

その対応としては、はんだを薄く広く供給する方法がある(図10)。

コネクタのホールランドが狭いと、ロボットはんだではぬれ不足が発生しやすい。こて先が小さいのでランドに十分熱が伝わらず、さらに接触不足も加わって熱不足よる不良が起こりやすいのである。

また、フローはんだではホールランド幅が狭く、溶融はんだからの熱が不足するためにホール上がり不足が発生しやすく、またブリッジも多発する。

薄い基板では熱供給が不足することは問題ないが、厚い基板では他のはんだ付け工法での問題が多発している。

今後、高密度で微細部品や短いリード部品のはんだ付けをする場合は、リフロー工法も検討の余地はもちろん、フラックスについても、熱反応の早く持続性のものが適しているので併せて検討してほしい。特に小さなホールのぬれ性はボイド・ブローホール・ピンホールが発生しやすいものである。

図10
<資料提供>

アントム(株) 浅野 光一 氏

<使用製品>

(株)小島半田製造所製 : 鉛フリーソルダペースト『MK-504LH』

アントム(株)製 : 小型リフローN2対応モデル『UNI6116』

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