コイン電池式の産業用センサ（アセットトラッカー、振動ノード、環境モニタなど）は、あらかじめ決められたエネルギー予算を持っています。ファームウェアと部品の選定によってその予算の使い道は決まりますが、実装品質によって、センサが有用な動作をする前にどれだけのエネルギーが漏れてしまうかが左右されます。本記事では、一次電池（非充電式電池）で駆動するバッテリ駆動センサボードにおいて、組み立て側で特に重要となる要因について説明します。
範囲コイン電池または一次リチウム電池で駆動される固定式産業用ワイヤレスセンサー
なぜ組立品質はバッテリー寿命に影響するのか？
商用電源で動作する基板では、残留物に起因する数百ナノアンペア程度のリーク経路は無視できるものです。10年の寿命を想定して設計されたセンサーでは、同じ経路が総エネルギー予算のかなりの割合を消費してしまう可能性があります。
例示的な電力予算
以下の数値は実測データではなく、参考計算例です。
主要な電池メーカーは、CR2032 の定格容量を低負荷時でおおよそ 220〜240 mAh としています。ここでは 230 mAh を使用します。
10年間（約87,600時間）にわたって使用した場合、230mAhは～を可能にします約 2.6 µA の平均電流、自己放電およびパルス負荷のデレーティングが考慮される前。
3.0 Vレールに沿って汚染によって生じた10 MΩのリークパスが0.3 µAを消費し、これはその予算のおよそ11%に相当します。
1 MΩの場合、漏れ電流は 3 µA に達し、平均の全消費予算を超えてしまいます。すると、ファームウェアがどれほど高効率であっても、センサーは目標寿命を達成できません。
この範囲の表面絶縁抵抗は、室温での機能試験ではほとんど検出されません。通常、基板が現場で湿気にさらされた後にはじめて現れます。
残留物に最も敏感な回路
高インピーダンス電圧分圧器（通常 1～10 MΩ）で、バッテリー監視に使用される。リーク電流は電流を消費するだけでなく、測定値も歪める。
32.768 kHz RTC 水晶振動子回路。これらは、数ピコファラド程度の負荷容量で、非常に低い駆動レベルで動作します。MCUベンダーの発振回路設計アプリケーションノートでは、残留物や湿気が寄生容量やリークを生じさせ、それが周波数のドリフトや起動失敗の原因となりうると警告しています。
センサーアナログフロントエンドピコアンペアレベルの入力バイアス電流を備えています。
パワーゲーティング用MOSFETゲートとウェイクアップ用コンパレータ入力。これらのノードでのリークにより、電源ドメインが部分的にオンのままになる可能性があります。
ノークリーナはんだペースト：なぜ標準となっているのか、そしてどこで問題が生じうるのか
バッテリー駆動のセンサーボードには、通常ノークリームはんだペーストが好まれて使用されます。理由は主に次の3つです。
水溶性フラックスは、洗浄が不完全な場合に高い活性を持つ残渣を残します。また、QFN や LGA モジュールのような低スタンドオフ部品の下を洗浄することは、その完全性を検証するのが困難です。
多くのセンサー基板には、通気孔を備えたMEMSセンサーや、露出した膜を持つ湿度センサーのような、洗浄してはならない部品が搭載されています。
完全にリフローされると、ノークリン残渣は封止され、導電性が低くなります。
重要な限定条件は完全にリフロー済み・ノークリン残渣は、そのアクティベーターが消費されるか、熱分解された場合にのみ無害となる。故障モードには一般的に次の2種類がある。
低スタンドオフ部品の下に捕捉されたフラックス。QFN やシールド付き RF モジュールの下では、フラックスが完全な活性化温度に達しない場合があり、その結果、活性のある弱い有機酸が残留することがあります。
二次はんだ付けから広がったフラックスフローは、波はんだ付けや手はんだ付けによって液状のまま、十分な熱が加わらず中和されないままのSMT領域にまで移動してしまうことがあります。
次のプロセス指標は、これらのリスクを低減します。
フラックスの分類IPC J-STD-004 に基づき、低活性フラックスを指定してください。ハロゲン化物含有量が 0.05% 未満の ROL0 または REL0 は、高インピーダンス設計で一般的に選択されます。
預金管理ペースト量は厳密に管理する必要があります。というのも、ペーストが多すぎるということは、フラックスも多すぎることを意味するからです。MYCRONIC ジェットプリンター／ディスペンサーファインピッチおよび混在サイズのレイアウト上で、パッドごとにペーストを印刷し、3D SPI配置前に預金額を確認します。
リフロープロファイル私たちのプロフィールはJTR-1200D-N リフロー炉完全なフラックス活性化と良好な継手形成が得られるように設定する必要があります。
部分的な清掃はできません。IPAを用いてノークリンタイプの残渣を部分的に洗浄すると、防護用レジンが溶解し、活性剤がより広い範囲に広がってしまう可能性があります。プリント基板は、検証済みのプロセスで全面を洗浄するか、はんだ付け後の状態のままにしておくべきです。
ROSE検査：分かることと見逃してしまうこと
IPC-TM-650 2.3.25で定義されているROSE（Resistivity of Solvent Extract）試験は、アセンブリ全体からイオン残渣を抽出し、それを単位面積あたりのNaCl換算値として報告します。
ROSE が得意としていること：
これは、ペーストロットの変更や取り扱い中に混入したコンタミネーションなどの、大きなプロセスドリフトを検出します。
特定の基板およびプロセスについてベースラインが確立されると、ロット間のトレンド監視をサポートします。
ROSE が見落としているもの：
広く引用されている 1.56 µg/cm² の NaCl 換算限度は、1970 年代の軍事規格に由来しています。Revision G 改訂 1 以降、IPC J-STD-001 はこれを普遍的な合否判定限度としては扱わなくなりました。その代わりに、特定の製品およびプロセスに対して残渣レベルが許容可能であることを示す客観的証拠を要求しています。
ROSEは基板全体を平均化して評価するため、10 MΩの分圧器の隣にある1つのQFNパッケージの下に集中している残渣ポケットは、検出閾値未満まで希釈されてしまう可能性があります。
ノークリン残渣中の一部の弱有機酸は、標準的なROSE試験溶液には溶けにくい。
リークが重要となる設計において、OEM はしばしば追加するイオンクロマトグラフィー(IPC-TM-650 2.3.28) または表面絶縁抵抗試験代表的な試験ビークルに対する認定計画に (IPC-TM-650 2.6.3.7) を含めます。これらの試験は、独立試験機関によって実施されることが多くあります。見積もり段階でレビューできるよう、ビルド文書内で試験方法と合格基準を定義してください。
電池ホルダーおよびコネクタ：THT はんだ付けに関する考慮事項
ほとんどの産業用センサーでは、振動下でも確実な機械的保持力を得るために、スルーホール型のコイン電池ホルダーやバッテリーコネクタが使用されています。これらのはんだ接合部には、特有の課題があります。
サーマルマスとホールフィル
バッテリーホルダーのコンタクトは、熱容量の高い厚いニッケルメッキ鋼で作られていることが多いです。供給される熱が不十分な場合、コールドジョイントやスルーホール内の充填不良が発生する可能性があります。Class 2 および Class 3 のメッキスルーホールに対して、IPC-A-610 は一般的に、いくつかの限定的な例外を除き、少なくとも 75% の垂直方向のフィルを要求しています。
私たちの自動選択式ウェーブはんだ付けシステム（ZSWHPS-11-2、窒素保護付き）熱入力とフラックス残渣の両方に対応します
ジョイントごとの設定各接合部ごとに予熱時間とディウェルタイムが設定されているため、質量の大きいバッテリー接点には十分な熱が加えられつつ、近接するSMT部品が過熱することはありません。
窒素保護窒素雰囲気は、はんだ付け界面での酸化を抑制し、めっきされた接点へのぬれ性を向上させる。
局所的なフラックス処理。フラックスは底面全体ではなく、選択されたジョイントのみに適用されるため、前述の残渣拡散リスクは抑えられます。
プラスチックハウジングの制限
多くのホルダーは耐熱性に限りのあるプラスチック製ハウジングを備えています。そのため、はんだ付け条件は、基板の一般的なプロファイルだけでなく、ホルダーメーカーのはんだ付け仕様に照らして確認する必要があります。
検査
3D AOIフィレット高さ、リードの突出量、ブリッジング、およびホルダーの傾きを測定します。ホルダーの傾きは、セルとの接触不良（断続的な接触）の一般的な原因です。
オフライン X線バッテリー接点のバレル充填を確認するために使用できます。AOI では穴の内部を確認できないため、これは充填を検証するための方法です。
クローズドループ検査当社の3D SPIと3D AOIシステムはクローズドループで連携しており、検査結果がペースト工程へとフィードバックされることで、同じ不良がロット全体で繰り返し発生しないようになっています。
トレーサビリティ
私たちのUIDトレーサビリティとレーザーマーキングを備えたスマートMES各シリアル化された基板を、その材料ロットおよび工程記録にリンクします。フィールドユニットでバッテリー寿命の短縮が見られた場合、これらの記録によって調査対象を特定のロットまたはプロセスウィンドウに絞り込むことができます。
低消費電力センサーボードのためのDFM推奨事項
高インピーダンスノードを分離する。設計上可能であれば、メガオーム帯の分圧抵抗や水晶ピンの周囲には十分な間隔を確保し、ガードリングを追加してください。
感度の高い回路からTHT接合部を分離する。電池ホルダーおよびその他のスルーホール部品は、RTCクリスタルや高インピーダンス分圧回路から離して配置してください。
フラックスクラスを指定してください例えば「ノークリン、J-STD-004 ROL0 または REL0」のように、アセンブリ図面上に記載し、「ノークリン」のみとしないようにしてください。
方法ごとに清浄度要件を定義する。どの試験がロット監視に使用され、どの試験がプロセス適格性評価に使用されるかを述べなさい。
選択はんだ付けに適したホルダーを選択してください。必要なはんだ付け温度に対応した定格のハウジングと、リードと穴の間に十分なクリアランスがあることを確認してください。
IPC-A-610のクラスを明記してくださいこれはバッテリー接点ジョイントに適用されます。
セルが設置されるタイミングを定義します。電池を納入後に装着する場合は、組立手順書にその旨を明記し、組立中にホルダーへ荷重がかからないようにしてください。
センサーPCBAプロジェクトを提出する
PCBCartは、IATF 16949認証を受けた品質システムのもと、産業分野のお客様向けに多品種少量のプリント基板組立（PCBA）を製造しています。Gerberファイル、BOMおよびアセンブリ要件をお送りいただければ、生産前に当社エンジニアが製造容易性の観点からお客様の設計をレビューします。
役立つリソース
「ノークリーニング」を過信するな――「ノークリーニング」フラックス洗浄の重要性
