無鉛リフローはんだの温度設定は、SMT 工程において極めて重要かつ高度な調整が求められるプロセスです。適切な温度プロファイルを設定できるかどうかは、はんだ接合品質だけでなく、部品寿命や PCBA 全体の信頼性にも直結します。本記事では、無鉛リフローはんだの特性、温度設定に影響する要因、プロファイル調整時の注意点、そして標準的な温度カーブの考え方について詳しく解説します。

1. 無鉛リフローはんだの特長

まず、無鉛はんだ特有の性質を理解することが重要です。

無鉛はんだペーストは融点が高く、多くの場合 200℃ を超えます。これは、従来の Sn-Pb 共晶はんだの融点である 179℃ -- 183℃ よりも高温です。そのため、リフロー工程では全体的に高い温度管理が必要となります。

また、無鉛リフローでは部品間の温度差を小さく抑えることが求められます。一般的に、大型部品のリード部温度は 230℃ 以上、小型部品ではピーク温度を約 240℃ に設定し、大小部品間の温度差を 10℃ 以内に抑えることが理想とされています。

2. 無鉛リフロー温度設定に影響する主な要因

無鉛リフローの温度プロファイルは、以下のような複数の要素を総合的に考慮して決定します。

まず、リフロー炉の排気量です。排気量は炉内の温度分布に直接影響するため、実際の排気条件に合わせたプロファイル設計が必要です。

次に、設備の状態も重要です。加熱ゾーンの長さ、加熱方式、ヒーター材質、炉構造、熱伝導特性などによって、同じ設定温度でも基板の実温度は変化します。

はんだペーストの特性も無視できません。金属含有量やフラックスの種類によって適切な温度カーブは異なるため、必ずはんだペーストメーカーが推奨するプロファイルを基準に設定します。

温度センサーの取り付け位置にも注意が必要です。センサーが発熱体内部にある場合、表示温度と実際の基板温度に差が生じるため、設定温度を実温度より約 30℃ 高めにする必要があります。

さらに、PCB 自体の特性も大きく影響します。部品実装密度、部品サイズ、BGA や CSP などの特殊部品の有無により、最適な温度設定は変わります。

加えて、PCB 材料や板厚、多層構造かどうか、基板サイズも温度プロファイル設計時の重要な判断要素です。

3. リフロー温度プロファイル調整時の注意点

無鉛リフローでは、温度カーブの調整が特に重要です。

まず、予熱温度は従来の Sn-Pb リフローよりも高めに設定します。一般的には約 30℃ 高く設定することで、ピーク温度の過度な上昇を抑え、部品間の温度差を低減できます。

予熱時間も適切に延長します。これにより、部品温度を滑らかに上昇させ、急激な温度変化による熱衝撃を防止できます。

リフローゾーンでは、最高温度を抑えつつ、台形状の温度カーブ幅を広げることが重要です。これにより、熱容量の小さい部品でも十分なピーク滞留時間を確保できます。

さらに、複数の測定ポイントにおける温度カーブをできる限り一致させるよう、細かな調整を行うことが求められます。

4. 無鉛リフローの標準的な温度カーブ設定

無鉛リフローにおける基本的な温度カーブの考え方は以下の通りです。

フラックスの予熱工程については、溶融前の温度および時間は従来の条件と大きく変える必要はありません。

はんだ付けゾーンでは、2 つ以上の加熱ゾーンを使用することが一般的です。最初のゾーンでは急速に昇温し、PCB 表面温度を無鉛はんだの融点より 10℃  -- 20℃ 高い温度まで上げます。次のゾーンではその温度を維持しつつ、溶融時間を延長して安定した温度プラトーを形成します。

まとめ

無鉛リフローはんだの温度設定は、設備、材料、基板構造、部品特性などを総合的に考慮した高度なプロセス設計が求められます。細かな調整と実測評価を繰り返すことで、はんだ接合品質と部品信頼性を両立することが可能になります。

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