リフロープロファイルとは、基板が炉の中を通過する際にたどる、時間に対する温度の推移のことです。これは、あらゆる基板に一律に一度だけ設定するのではなく、作業者の前にあるその基板ごとに設定する必要があります。なぜなら、熱容量、実装部品の構成、および基板構造によって、各はんだ接合部に熱が伝わる方式が変化するからです。 当社では鉛フリーはんだを用いて組み立てを行っており、その許容誤差は非常に小さいため、お客様からいただく「熱に弱い部品」や「特殊な基板」に関する情報は、多くの購入者が想像している以上に重要になります。
リフロープロファイルが実際に行っていること
リフローはんだ付けでは、あらかじめパッド上に印刷されたはんだペーストを溶かし、部品端子のまわりに流れ込ませた後、固化させて接合部を形成する。オーブンはこれを段階的に行う。基板は徐々に加熱され、基板上のさまざまな部分の温度差がなくなるよう一定温度に保たれ、その後、はんだの融点を一定時間制御しながら超える温度まで上げられ、最後に冷却される。
各ステージにはそれぞれ守るべき対象があります。段階的な昇温は、熱衝撃から部品を保護します。均熱時間によって、基板の厚い部分が薄い部分と同程度の温度に近づきます。溶融点以上の時間によって接合部が形成され、冷却段階はその接合部の仕上がりに影響します。いずれか一つのステージでもプロファイルを誤ると、その場では現れず、後の検査まで発見されない不良が発生することがあります。
なぜ一つのプロフィールではすべての取締役会に対応できないのか
オーブンに設定した温度は、基板が到達する温度そのものではありません。大きなグランドプレーン、重量のあるコネクタ、あるいは大きなBGAはゆっくりとしか熱を吸収しませんが、そのすぐそばにある小さな抵抗はほとんど瞬時に加熱されます。プロファイリングの目的は、すべてのはんだ接合部を適切な状態に導くと同時に、すべての部品をそれぞれの許容範囲内に収めることであり、基板上の最も熱い点と最も冷たい点との温度差こそが、それを難しくしている要因なのです。
ボードの構造が問題をさらに悪化させている。当社は、リジッド、フレキシブル、およびメタルコア基板を製造していますそして、それぞれはオーブンの中で異なる挙動を示します。銅の層が厚いボードは、オーブンの設定温度に達するのが遅れます。薄いフレキシブル基板はすばやく反応し、支持が必要になります。メタルコア基板は、FR-4 基板とは異なる形で部品から熱を伝導して逃がします。そのため、同じオーブンと同じペーストを用いても、基板ごとに異なる取り扱いが必要になります。
鉛フリーはんだは、作業ミスが許されにくくなります。従来の錫鉛はんだよりも高い温度で溶けるため、接合部が形成される温度と、基板上で最も敏感な部品が許容できる温度との間の余裕が小さくなってしまいます。私たちの組立では、鉛フリーで RoHS 準拠のはんだを使用しているため、その狭い温度範囲が、製造するすべての基板に当てはまります。
プロフィールに関する問題が盤上に現れる方法
プロファイルが誤っている場合、その症状にはおなじみのものが多い。片側が持ち上がって立った状態になる小型チップ部品（いわゆるトゥームストーニング）は、たいてい両方のパッドの加熱が不均一であることを示している。つやがなくざらついた、あるいは未完成なはんだ接合は、はんだが十分な時間、十分な熱を受けていないことを示唆する。部品のひび割れや変色した部分は、その逆を示している。接合部内部のボイドや、薄い基板または大型基板の反りも、熱が一因となっている場合がある。
これらの症状が購入者にとって重要なのは、それらが単一の原因によって引き起こされることはほとんどないからです。ペースト量、部品の配置、さらには設計そのものも要因となるため、不良の原因をリフロー炉だけに求めるべきではありません。しかし、そのパターンから得られる情報は有用です。同じ不良が同じ部品に、基板ごとに繰り返し現れるのであれば、その部品の熱的な周囲環境には他と何が違うのかを問いかける必要があります。
同じ週に製造された 2 枚の基板を考えてみましょう。 1 枚目は、小型で軽量、搭載されているのは主に小さな受動部品です。 2 枚目は、片隅に大きな放熱性の高いコネクタを備えた厚い基板です。 1 枚目は扱いやすく、常識的なプロファイルであればほとんど問題なく動作します。 2 枚目は、基板全体に対してコネクタ部分の温度上昇が大きく遅れるため、より慎重な検討が必要になります。 どちらの基板も正当な設計であり、どちらも適切に製造することが可能です。 違いは、2 枚目の基板については最初の製造前に話し合いをしておくことで、そのメリットが大きくなるという点です。
プロファイリングを容易にするためにできること
有用な判断のほとんどは設計段階で行われます。バランスの取れた銅の分布は有効です。というのも、部品の片側に大きな銅面があり、反対側にまったくないと、不均一な加熱が生じてしまうからです。熱に敏感な部品を大きな熱容量を持つ部分から離して配置することで、基板全体の温度差を抑えられます。大きなプレーンに接続されたパッドにサーマルリリーフを設けることも、隣接するランドと同じタイミングで接合部を所定の温度に到達させるのに役立ちます。
2 つ目の貢献は情報です。BOM 内で温度定格に制限がある部品にはフラグを立て、湿気に敏感な部品についても記載してください。基板が通常より厚い場合、銅の比率が高い場合、あるいはフレキシブルの場合は、その旨を伝えてください。両面基板についても注意書きを入れる価値があります。というのも、2 面目は 1 面目の後に、独自の加熱サイクルを受けることになるからです。A無料のValor DFM/DFAチェックこれは当社の組立サービスの一部であり、これらの点を提起するのに適したタイミングです。
いくつかの誤りが繰り返し発生します。データシートの最大温度を目標と仮定するとボードとオーブンが同じ温度ではないことを忘れている。温度制限のある部品を未表示のままにするつまり、どのコンポーネントが制限を設定しているのか誰にもわからないということです。重量コネクタの隣にデリケートな部品を配置するプロファイリングが苦労するまさにその温度差を生み出します。柔性基板やメタルコア基板を、通常のリジッド基板と同様に扱うことどれほど加熱のされ方が異なるかを見落としている。
よくある質問
1.無鉛はんだで組み立てていますか。はい。当社の組立では、鉛フリーで RoHS 準拠のはんだを使用しています。
2.ボードについて私があなたに何を伝えればよいですか。熱に敏感または湿気に敏感な部品がある場合はそれを明記し、基板が厚いか、銅箔が多いか、フレキシブル基板か、金属コア基板かを記載してください。
3.両面実装の基板は、リフローを2回行いますか？多くの場合、はい。各面は順番にリフローされるため、最初の面の部品は2回目の熱を受けることになります。
4.なぜ部品の最高定格温度にオーブンを設定しないのですか？基板の温度はオーブンの設定値と異なり、基板上でもばらつきがあるため、安全マージンが必要です。
5.重い基板はリフローしにくいですか？その可能性があります。大きな銅面積は熱をゆっくりと吸収するためです。設計レビューの際にこの点を提起してください。
プロファイルの有用性は、それを支える情報の質によって決まります。そのため、購入者が送ることができる最も有用なものは、どの部品が制限を決めているかを示すBOMです。
役立つリソース
