製造インサイト：リフローはんだ付けの原理と注意点

電子組立プロセスにおけるリフローはんだ付け技術は、部品と基板の強力な接合を確保する重要な工程です。本稿ではリフローはんだ付けの動作原理を探り、製品品質と生産効率の向上におけるこの技術の重要性を理解する一助とします。

リフローはんだ付けとは？  

リフローはんだ付け（通称リフロー）は、表面実装技術（SMT）において電子部品をプリント基板に実装するためのはんだ付け技術です。高温の熱風を利用してはんだペーストを溶解・再流動させ、良好なはんだ接合を形成します。

(リフローオーブン)  

一般的なリフローはんだ付け装置  

熱風リフローはんだ付け：主に発熱線による加熱を採用し、炉内で熱風が層ごとに循環することで必要なはんだ付け熱を伝達します。温度の均一性と制御性、高いはんだ接合安定性が利点です。

(熱風リフローはんだ付け)  

窒素リフローはんだ付け：熱風リフローを基盤とし、加熱時に窒素を添加して炉内の酸素濃度を低下させる。これにより、はんだ付け時の部品ピンの酸化を防止し、はんだの濡れ性を向上させ、はんだ接合部での気泡発生を低減し、信頼性を高める。

(窒素リフローはんだ付け)  

リフローはんだ付けの動作原理  

はんだペーストは熱で膨張・収縮する性質を持つ。この特性を利用し、PCBパッドに予め塗布されたはんだペーストを加熱して液化させ、冷却時に部品ピンとPCBパッドの間に恒久的な接続を形成する。

リフローはんだ付けの4つの温度ゾーン  

リフロー炉は、予熱ゾーン、保温ゾーン、リフローゾーン、冷却ゾーンの4つのゾーンに分かれています。各ゾーンはリフロー工程において異なる役割を担っているため、それぞれ異なる温度に設定されます。

(リフローオーブンの4つの温度ゾーン)  

予熱ゾーン：通常60°C～130°Cに設定され、基板と部品を予熱します。基板が室温から急激に加熱されると、熱衝撃により基板と部品の両方が損傷する可能性があります。基板を効果的に予熱することで、急激な温度変化による熱応力を防止し、はんだペースト中の水分や揮発性成分を蒸発させ、はんだ接合部での気泡発生を低減し、後工程での良好なはんだ付け品質を確保します。

浸漬ゾーン：通常120°C～160°Cに設定され、基板をさらに加熱し、はんだパッドや部品ピンからの水分を完全に蒸発させます。この工程により、リフローゾーンに入る前に基板と部品が均一な温度に達し、リフローゾーンでの熱衝撃による欠陥を防止します。

リフローゾーン：リフローはんだ付けプロセスで最も重要な工程です。リフローゾーンに入ると、温度は素早く約245°Cまで上昇し、PCBパッド上のはんだペーストを溶解させます（リフローゾーンの温度ははんだペーストの融点に依存します）。

溶融はんだがPCBパッドと部品ピンの間に溶け広がり、パッドと部品リードの良好な濡れを実現する。毛細管現象により、はんだが部品ピンとパッドの隙間に引き込まれる。  

冷却ゾーン：冷却ゾーンではんだ接合部の温度を急速に冷却し、固化させて安定した金属接合を形成する。冷却ゾーンに入ると温度が急激に低下し、はんだ接合部が冷却・固化することで、部品ピンとパッドの間に恒久的な接続が形成される。（急冷による熱応力を防ぐため、冷却速度は制御する必要がある。）  

リフロー炉の温度は、使用するはんだの種類によって異なるはんだペーストの融点に基づいて決定すべきである。例えば、低温はんだペーストは約138℃で溶融するため、リフロー炉温度は約180℃±5℃が必要である。中温はんだペーストは約178℃で溶融するため、約215℃±5℃の温度が必要である。高温はんだペーストは約217℃で溶融するため、約245℃±5℃の温度が必要となります。  

通常、良好なはんだ付け結果を得るためのはんだペーストの完全な溶融を確保するには、オーブンの温度ははんだペーストの融点よりわずかに高く設定します。  

注意事項  

両面はんだ付け：一般的に両面基板では、部品数が少ない側または小型部品側の基板を先に半田付けします。冷却後、反対側を半田付けします。この際、温度により裏面のはんだ接合部が軟化し、大型部品が脱落する可能性があります。そのため、大型部品は基板の同一面に配置し、大型部品側の基板を先に半田付けすることを推奨します。

(大型部品付きPCB)  

部品の耐熱性：選択したはんだペーストは部品の耐熱性に適合している必要があり、はんだペーストの融点が部品の安全温度範囲内であることを保証する。

パッド間隔：パッド上のはんだの表面張力により、パッド間隔が狭いとはんだブリッジが発生する可能性があります。パッド間隔は少なくとも0.3mm以上を保つことを推奨します。  

(間隔が狭いパッド)