SMC（表面実装部品）は、その小型、低コスト、高信頼性という利点から、電子機器製造業界でますます広く用いられるようになっている。現在のところ、SMC は主としてリフローはんだ付けによって PCB（プリント基板）上に実装されており、リフローはんだ付けの性能は最終製品の性能に直接関係している。一方で、SMT（表面実装技術）の実装工程でよく見られる欠陥であるはんだボールは、多くの要因によって発生し、その制御が非常に困難であるため、SMT 実装プロセスにおける主要な懸念事項となっている。
一般的に、はんだボールの直径は0.2mmから0.4mmの範囲であり、通常は主にチップ部品の側面に見られます。場合によっては、ICやコネクタのピンの周囲に発生することもあります。一方では、はんだボールは電子製品の外観に影響を与えます。もう一方では、はんだボールが脱落してSMD（表面実装デバイス）間の短絡を引き起こし、電子製品の信頼性を大幅に低下させる可能性があります。これは特に、高密度かつ細ピンの実装が行われた組立済みPCBにとって厄介な問題となります。
これまでの20年以上にわたる努力と専念により、PCBCart は PCB 製造、部品調達、SMT 実装を含む PCB ソリューションの専門プロバイダーとなりました。当社の工場のプロセスエンジニアは、はんだボールを防止するための重要な対策について継続的に研究していますSMT組立工程そして、はんだボールの原因を深く分析した結果に基づき、いくつかの便利な対策がまとめられています。
リフローはんだ付け後には最終的にはんだボールが露出しますが、基板実装プロセス全体の各工程が、それらの最終的な形成に少しずつ「寄与」しています。まず、はんだペーストの一部が、つぶれや押し出しによってパッドの外側に残る場合があります。次に、その残留はんだペーストは通常、パッドの周囲、特にチップ部品の両側に集まります。最後に、残留はんだペーストはリフロー炉内で溶融し、温度が下がるにつれてはんだボールになります。押し出されるはんだペーストが多すぎると、生成されるはんだボールの数も増加します。
SMT実装プロセス中には、多くの要因によりはんだボールが発生することは明らかです。原因は一般的に、材料要因と技術要因の2種類に分類できます。
・質料因
→ はんだペースト
a. 低いチキソトロピー係数；
b. 低温崩壊またはわずかに熱的な崩壊;
c. フラックスが多すぎる、または活性温度が低い場合
d. 錫粉の酸化または金属粒子の不均一さ;
e. 吸湿性;
→ PCB
a. PCBパッド間の間隔が狭いこと。
b. はんだ付け性の低いパッドまたは部品
→ ステンシル
a. バリのある開口壁
→ スクレイピングブレード
a. 体重が低すぎること。
b. 変形したスクレーパーブレード。
・テクノロジーが引き起こす要因
a. 金額が多すぎます。
b. ステンシルとPCBの間に残留はんだペーストが存在している。
c. エネルギーの不均衡、またははんだ付け温度の不適切な設定。
d. 取り付け圧力が高すぎる
e. PCB とステンシルの間隔が広すぎる。
f. 小さな角度を備えたスクレーピングブレード。
g. 小さな開口部を備えたステンシル
h. はんだペーストが不適切に塗布されている。
i. スタッフ、設備、環境を含むその他の要因。
対策1：SMT要件に適合したはんだペーストを選定する。
はんだペーストの選定は、はんだ付け品質に直接影響します。はんだペーストの金属含有量が不適切であったり、酸化、IMC粒子、パッド上の厚みなどの要因により、はんだボールが発生しやすくなります。はんだペーストを決定する前に、量産SMT実装に適用できるかどうかを確認するためのトライアルが必要です。SMT要件に適合するはんだペーストは、次のような特性を備えています。
a. 金属含有量が高い
通常、はんだペーストの金属含有量は 88％～92％ です。はんだペースト中の金属含有量が増えると、はんだペーストの粘度も上昇し、気化によって生じる応力を効果的に抑制できるようになります。さらに、金属含有量が高いほど金属粉末は密に詰まり、粉末同士が分離せずに結合しやすくなります。加えて、金属含有量が高いことで、はんだペーストの崩れを防ぎ、はんだボールが形成されにくくなります。
b. はんだペーストの制御酸化
はんだペーストに関して言えば、金属酸化物含有量が高くなるほど、金属粉末同士の結合抵抗は常に高くなります。その結果、はんだペーストとパッドおよびSMD間のぬれ性が不十分となり、はんだ付け性が低下します。はんだボールの発生は金属酸化物量に正比例することがまとめられています。したがって、はんだボールの発生を防ぐためには、はんだペースト中の酸化物を厳密に0.05％未満に管理する必要があります。
c. より大きな金属粒子サイズ
金属粒子のサイズが小さくなるほど、はんだペースト全体の表面積は大きくなり、酸化が進みやすくなって、はんだボールが発生する可能性が高まります。
d. パッド上のはんだペースト厚さの減少
パッド上のはんだペーストの通常の厚さは 0.1mm から 0.2mm の間です。パッド上のはんだペーストが厚すぎる場合、通常は崩れによってはんだボールが発生します。
e. 制御されたフラックス含有量と活性
フラックス含有量が多すぎると、はんだペーストが部分的に崩れやすくなり、はんだボールの発生につながります。フラックスの活性が低い場合、脱酸能力が不十分となり、はんだボールが生成されます。
f. 適切な保管と使用
一般的に、はんだペーストは0～10℃の温度範囲で保管する必要があります。使用前には、はんだペーストを昇温処理し、温度が完全に室温まで上がるまでは決して使用してはいけません。規定された手順に従って攪拌する必要があります。必要量のはんだペーストを容器から取り出した後は、すぐにふたを閉めてください。印刷を行った基板は、2時間以内にリフローはんだ付けを行わなければなりません。
対策2：ステンシル開口部は適切に設計する必要があります。
ステンシルの厚さは適切に設計し、開口率は厳密に管理する必要があります。ステンシルの厚さは、PCB 上で最もピッチの細かい SMD によって決定されます。比較的薄いステンシルを選択し、厚いステンシルは避けるべきです。
ステンシル開口部の比率や形状が不適切な場合、いくつかの欠陥が生じ、はんだボールが発生することがあります。開口部の比率が不適切な場合、はんだペーストはソルダーレジスト上に印刷されやすくなり、その結果、リフローはんだ付け工程中にはんだボールが形成されます。
対策3：ステンシルの洗浄品質を改善する必要があります。
ステンシルの洗浄品質の向上は、印刷品質の向上に有益である。はんだペースト印刷の工程では、ステンシル表面を丁寧に清掃し、残留したはんだペーストを適時に除去して、リフローはんだ付け工程中にソルダーボールが形成されるのを防ぐ必要がある。しかし、ステンシルの洗浄が不適切な場合、ステンシル開口部の底部に残ったはんだペーストが開口部の周囲に蓄積し、ソルダーボールが発生しやすくなる。
対策4：高まっているストレスを軽減すべきである。
実際には、実装ストレスもはんだボールの主な原因の一つですが、人々からあまり注目されていません。実装ストレスは、PCB の厚さ、部品の高さ、チップマウンタのノズル圧力設定などの要因によって決まります。実装ストレスが高すぎると、はんだペーストがパッドの外側へ押し出され、その押し出されたはんだペーストがリフローはんだ付け後にはんだボールになります。この問題を解決するには、部品がパッド上に印刷されたはんだペースト上に搭載され、適切に押し付けられる程度まで実装ストレスを低減する必要があります。部品の種類によって必要な実装ストレスのレベルは異なるため、合理的に設定しなければなりません。
対策5：部品およびパッドのはんだ付け性を向上させること。
部品およびパッドのはんだ付け性は、はんだボールの発生に直接影響します。部品とパッドの両方がひどく酸化している場合、酸化物が多すぎるためにフラックスが消費され、一部にはんだ付け不良やぬれ性不良が生じて、はんだボールが発生することがあります。したがって、部品およびPCBの受入品質は必ず保証しなければなりません。
対策6：はんだ付け温度カーブを最適化する必要があります。
はんだボールは、リフローはんだ付け工程において実際に生成されるものであり、その工程は予熱、昇温、リフローはんだ付け、冷却の4つの段階から構成される。予熱および昇温の目的は、PCBおよび部品への熱的ダメージを低減し、溶融したはんだペーストの一部を揮発させることで、温度が急激に上昇して崩れや飛散を引き起こすのを防ぐことであり、これらがはんだボール発生の主な原因となる。
リフローはんだ付け炉で最適化された温度プロファイルを得るための解決策は、リフローはんだ付けの温度を制御し、予熱段階で温度が急激に上昇するのを防ぐことである。温度上昇速度は 2℃/s 以下に抑え、はんだペースト、部品およびパッドの温度を 120℃～150℃ の範囲まで上昇させる必要がある。その結果、リフローはんだ付け工程における部品への熱的ダメージを低減することができる。
対策7：その他の要素を適切に管理すること。
通常、はんだペースト印刷の最適温度は18～28℃、相対湿度（RH）は40～70％の範囲です。温度が高すぎると、はんだペーストの粘度が低くなり、RHが高すぎると、はんだペーストがより多くの水分を吸収します。どちらの場合も、その結果としてはんだボールが発生します。したがって、作業場の温度とRHは適切に管理する必要があります。
はんだボール欠陥の発生は、多くの要因が関与する非常に複雑なプロセスである。そのため、はんだボールの発生を防ぐには、包括的な要素を考慮しなければならない。まとめると、ステンシルは開口パラメータがSMTの要件に適合するよう正確に設計されるべきであり、はんだペーストは厳格な規定に従って保管・使用されなければならない。実装時の加圧は適切な範囲に制御し、リフローはんだ付けの温度プロファイルは最適化される必要がある。
PCBCart の 20 年以上にわたる SMT 実装経験によると、はんだボールの 60％～80％ は不適切な実装圧によって引き起こされることが判明しています。したがって、チップマウンタの実装圧設定には最大限の注意を払う必要があり、はんだペーストがパッドの外側へ押し出されてはんだボールが発生する可能性が高まらないようにしなければなりません。
表面実装部品（SMC）は、小型化、低コスト、高信頼性など、電子機器の生産において非常に大きな利点をもたらします。
しかし、SMT実装における課題の一つが、製品の品質と性能に影響を及ぼすはんだボールの発生です。
このような欠陥は、特に高密度基板において短絡を引き起こしやすい傾向があります。
この問題への対策としては、適切なはんだペーストの選定、ステンシル設計の最適化、およびリフローはんだ付け条件の制御が挙げられます。
PCBCartは、SMT実装における20年以上の経験を活かし、はんだボールの発生を最小限に抑え、製品品質を向上させています。経験豊富なエンジニアが、高い性能と信頼性を確保するために積極的な対策を講じています。PCB製造のパートナーとしてPCBCartをお選びいただき、優れた品質管理をご体験ください。お見積りのご依頼はぜひ当社までお問い合わせいただき、当社の最適化された手法がどのように組立の成功に貢献できるかをご確認ください。
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