SMTリフロー炉の温度プロファイルとソルダーペーストの溶着理由の関係

I.はじめに
電子製造の分野では、リフロー炉は電子部品を回路基板にはんだ付けするために使用される重要な装置です。 リフロー炉内の温度の時間変化を表す温度プロファイルは、はんだ付けの品質に決定的な影響を与えます。 この記事では、リフロー オーブンの温度プロファイルの変化プロセスについて詳しく説明し、各段階の詳細な分析を通じて、読者が溶接プロセスをよりよく理解し、制御できるように支援します。

II. リフローオーブンの温度プロファイルの概要
リフロー オーブンの温度プロファイルは通常、予熱、ソーク、リフロー、クールダウンの 4 つの主要な段階で構成されます。 各段階には、はんだ付けの品質を保証するための特定の温度と時間の要件があります。 以下では、これら 4 つの段階の変化プロセスを 1 つずつ説明します。

Ⅲ． 予熱ステージ
予熱段階は、リフロー オーブンの温度プロファイルの初期段階であり、溶接プロセスの基礎です。 この段階では、回路基板が徐々にリフロー炉に入り、温度がゆっくりと上昇し始めます。

1. 初期加熱
   回路基板がリフローオーブンに入った後、まずオーブン内の初期加熱ゾーンと接触します。 ここでの温度は通常は低く、回路基板とそのコンポーネントを高温環境に徐々に慣れさせ、急激な温度変化によるコンポーネントの損傷を防ぐことを目的としています。 この時点で、温度プロファイルは緩やかな上昇傾向を示し、温度上昇率は比較的遅くなります。

2. 水分の蒸発
   温度が徐々に上昇すると、回路基板上の水分が蒸発し始めます。 高温では水分が急速に膨張して蒸気圧を発生させ、コンポーネントに損傷を与える可能性があるため、これは不可欠なプロセスです。 したがって、予熱段階では、水分を完全に蒸発させるのに十分な時間が必要です。 この段階では、水分の蒸発を促進するためにより多くの熱が必要となるため、温度プロファイルの傾きがわずかに増加することがあります。

3. 溶剤の揮発
   回路基板上のフラックスには、湿気に加えて、特定の溶剤成分も含まれています。 予熱の後半段階でさらに温度が上昇すると、これらの溶剤も揮発し始めます。 フラックスの主な役割は、溶接プロセス中にはんだの濡れと流れを良くすることです。 したがって、溶接品質を保証するには、溶剤の揮発中にフラックス中の有効成分が過剰に消費されないようにする必要があります。 このとき、溶媒の揮発を促進するのに十分な熱を提供するために、温度プロファイルの勾配が増加する可能性があります。

IV. ソークステージ
均熱段階は、リフロー炉の温度プロファイルの重要な段階の 1 つであり、溶接の品質を決定します。 この段階では、はんだが完全に溶けてコンポーネントとのしっかりとした接続が形成されるように、回路基板は一定時間一定の温度に保たれます。

1. はんだの溶解
   温度がはんだの融点に達すると、はんだは溶け始めます。 これは溶接点の形成と接続強度を決定するため、重要なプロセスです。 浸漬段階の初期段階では、はんだが一定の温度で徐々に溶けることを保証するために、温度プロファイルの勾配が減少するか、安定したままになることがあります。

2. 湿潤と拡散
   はんだが溶けると、コンポーネントのピンや回路基板上のはんだ付けパッド上に濡れて拡散し始めます。 このプロセスには、はんだが完全に流れてすべての隙間を埋めるのに十分な時間が必要です。 浸漬段階の中期以降の段階では、はんだが一定の温度で濡れて拡散し続けるように、温度プロファイルの傾きは安定したままか、わずかに増加します。

3. 酸化層の除去
   溶接プロセス中、コンポーネントのピンや回路基板のはんだ付けパッド上の酸化層が溶接の品質に悪影響を与える可能性があります。 したがって、浸漬段階の後期では、はんだがこれらの酸化層を適切に除去できることを確認する必要があります。 これは通常、還元剤 (活性水素など) を添加することによって実現されます。 この段階では、還元剤が完全に機能できるように、温度プロファイルの傾きは安定したままか、わずかに減少します。

IV. 保温段階
保温段階は、リフロー オーブンの温度プロファイルにおける重要な段階の 1 つであり、溶接の品質を決定します。 この段階では、はんだが完全に溶けてコンポーネントとの確実な接続が形成されるように、回路基板は一定期間一定の温度に維持されます。

1. はんだの溶解
   温度がはんだの融点に達すると、はんだは溶け始めます。 これは溶接点の形成と接続強度を決定するため、重要なプロセスです。 保温段階の初期段階では、はんだが一定の温度で徐々に溶けることを保証するために、オーブンの温度プロファイルの傾きが減少するか、安定したままになることがあります。

2. 濡れて広がる
   はんだが溶けると、コンポーネントのピンや回路基板上のパッド上に濡れて広がり始めます。 このプロセスには、はんだが完全に流れてすべての隙間を埋めるのに十分な時間が必要です。 保温段階の中期および後期では、はんだが一定の温度で濡れ広がり続けることを保証するために、オーブン温度プロファイルの傾きは変わらないか、わずかに増加します。

3. 酸化層の除去
   溶接プロセス中、部品のピンや回路基板のパッド上の酸化層が溶接の品質に悪影響を与える可能性があります。 したがって、保温フェーズの後期では、はんだがこれらの酸化層を適切に除去できることを確認する必要があります。 これは通常、還元剤 (活性水素など) を添加することによって実現されます。 この段階では、還元剤が完全に機能できるように、オーブンの温度プロファイルの傾きは安定したままか、わずかに減少します。

V. リフロー段階
リフロー段階は、リフロー オーブンの温度プロファイルにおけるもう 1 つの重要な段階であり、溶接点の最終的な形状と品質を決定します。 この段階では、温度がピークに達し、徐々に低下し始め、はんだが凝固し始め、確実な接続が形成されます。

1. ピーク温度
   リフロー段階の初期段階では、温度はピークに達します。 これは溶接プロセス中の最高温度ポイントであり、はんだが完全に溶ける重要な瞬間です。 このとき、オーブン温度プロファイルの傾きが急激に増加してピーク温度に達することがあります。 次に、熱が回路基板から炉室の他の部分 (炉の壁や底部など) に徐々に伝わるにつれて、温度は徐々に低下し始めます。

2. はんだ固化
   温度が下がると、はんだは徐々に固まり始めます。 溶接箇所の最終的な形状や接合強度を決める重要な工程です。 リフロー段階の中期および後期では、はんだが一定の温度で徐々に固化するように、オーブンの温度プロファイルの傾きが徐々に減少するか、安定したままになることがあります。 この段階では、冷はんだや亀裂などの溶接欠陥を防ぐために、過度に速い冷却速度を避ける必要があります。

VI. 冷却段階
冷却段階はリフロー オーブンの温度プロファイルの最終段階であり、溶接プロセスの終わりです。 この段階では、回路基板は徐々に高温環境から抜け出し、自然に室温まで冷却されます。

1. 自然冷却
   冷却段階の初期段階では、回路基板はまだ比較的高温にあるため、コンポーネントの損傷や基板の変形を防ぐために、徐々に温度を下げる必要があります。 この間、オーブンの温度プロファイルの傾きは徐々に減少し、回路基板が室温まで徐々に冷却されるのに十分な冷却時間を提供します。

2. 残留熱放散
   回路基板が徐々に室温まで冷えるにつれて、回路基板内部の残留熱も放散され始めます。 これは時間のかかるプロセスであり、熱応力による変形などの後続のプロセスでの問題を回避するために、回路基板が室温まで完全に冷却されることを保証するのに十分な時間を必要とします。 この段階では、回路基板が室温まで完全に冷えるのに十分な冷却時間を提供するために、オーブンの温度プロファイルの傾きは安定したままか、わずかに減少します。

VII. はんだペーストの溶着原理とリフロー炉温度プロファイルの相関関係
はんだペースト溶接の原理には、回路基板にはんだペーストを塗布し、高温ではんだを溶かして接続されたデバイスの表面と合金化合物を形成し、冷却プロセス中に確実な接続を確立することが含まれます。 リフローオーブンの温度プロファイルの変化は、はんだペースト溶接の有効性に直接影響します。

1. まず、予熱段階と保温段階では、オーブンの温度プロファイルの傾きによって、はんだペースト内の溶媒の蒸発速度とはんだの溶解度が制御されます。 適切な予熱と保温により、はんだが完全に溶け、パッドやコンポーネントのピンと良好な接続が形成されます。 予熱や保温が不十分な場合、はんだの不完全な溶融や不均一な流れが発生し、溶接品質が低下することがあります。

2. 次に、リフロー段階では、オーブンの温度プロファイルの傾きによって、はんだの溶融速度と流動速度が決まります。 傾きが急すぎると温度が急激に上昇し、はんだが早く溶けて飛沫が発生する可能性があります。 逆に、傾きが浅すぎると温度上昇が遅くなり、はんだが完全に溶けたり、均一に流れなくなったりする可能性があります。 したがって、溶接の品質を確保するには、リフロー段階での温度と時間を正確に制御することが重要です。

3. 最後に、冷却段階では、オーブンの温度プロファイルの傾きが、はんだ接合部の凝固速度と溶接品質に影響します。 適切な冷却速度により、はんだ接合部の急速な固化と確実な接続が確保されます。 冷却速度が速すぎると、はんだ接合部に亀裂や変形などの欠陥が発生する可能性があります。 したがって、溶接の品質を向上させるには、冷却段階の温度と時間を合理的に制御することが不可欠です。