SMTプロセスにおけるはんだビード形成の原因と解決策

はんだビード現象これは、表面実装技術 (SMT) 製造における主要な欠陥の 1 つです。原因が複数あり、制御が難しいため、SMT エンジニアリング技術者を悩ませることがよくあります。

はんだビーズとはんだボールの形成メカニズムが異なるため、必要な対策も異なります。

はんだビードは主にチップ抵抗やコンデンサの片面に集中し、IC のピン付近に発生する場合もあります。

はんだビーズは基板レベルの製品の外観に影響を与えるだけでなく、さらに重要なことに、プリント基板上のコンポーネントの密度が高いため、使用中に回路ショートを引き起こすリスクがあり、それによって電子製品の品質に影響を与えます。

はんだビードの原因は数多くあり、多くの場合、1 つまたは複数の要因が原因で発生します。したがって、効果的な制御を達成するには、原因ごとに予防および改善措置を講じる必要があります。

はんだビーズとはんだボールの仕組み

1. はんだボールの形成メカニズム

はんだボールの主な原因は、さまざまな理由により、はんだ接合部の形成中に溶融金属合金が「はねる」ことであり、その結果、多数の小さなはんだボールが接合部の周囲に分散します。

これらは、多くの場合、コンポーネントの端子やパッドの周囲のフラックス残留物に捕捉された、クラスター化した個別の小さな粒子として現れます。一般的な原因としては、特に鉛フリーの高温プロセスにおいてはんだが急速に加熱または冷却され、はんだボールの形成につながる可能性があります。リフローはんだ付け中、溶融フラックスの過度に速い蒸発、フラックス組成中の溶媒の割合が高い、過剰な高沸点溶媒、不適切な加熱などにより、はんだボールが形成される可能性が高くなります。はんだ付けされる表面やはんだペースト中の錫が過度に酸化すると、はんだ付け中にはんだの塊内で加熱と溶融が不安定になり、それによってフラックスの熱伝導と熱伝達挙動に影響を及ぼし、はんだボールが形成される可能性も高まります。はんだペーストの使用中の悪影響（フラックス中の吸湿成分による）吸湿につながる不適切なはんだペーストのウォームアップなど、はんだ付け中にはんだペーストが飛散し、はんだボールが形成される可能性があります。

2. はんだビーズの形成メカニズム

はんだビーズとは、比較的大きなはんだボールを指します。はんだ付け前は、はんだペーストの落ち込みや潰れなどにより、印刷されたはんだパッドからはんだペーストがはみ出す場合があります。はんだ付け中、この余分なはんだペーストはパッド上のはんだペーストと融合できずに独立し、部品本体またはパッドの近くで固化します。ただし、ほとんどのはんだビードはチップ コンポーネントの両面に発生します (図 1 を参照)。

正方形のパッドを備えたチップ部品を例にとると (図 2)、印刷後にはんだペーストがパッドを超えてはみ出すと、はんだビードが発生する可能性があります。

パッドを超えて伸びているはんだペーストは、外側の延長部 (青色の領域) と内側の延長部 (黄色の領域) の 2 つの部分で構成されます。赤い領域が実際のパッド領域です。外側エクステンションの場合、フィレット形成時のはんだ付け時にパッド上のはんだペーストと溶けてしまうとはんだビードが形成されません。

内側エクステンションの場合、はんだの量が少ない場合、はんだペーストはコンポーネントの終端で適切なフィレットを形成できます。ただし、はんだの量が多い場合、部品の配置圧力により、はんだペーストが部品本体 (絶縁体) の下に押し込まれる可能性があります。リフロー中、溶けたはんだは表面エネルギーにより球形を形成します。コンポーネントを持ち上げる傾向がありますが、この力は非常に小さいです。代わりに、コンポーネントの重量によってはんだボールがコンポーネントの両側に押し付けられ、パッドから分離され、冷却するとはんだビーズが形成されます。部品の重量が大きく、大量のはんだペーストが絞り出される場合、複数のはんだビードが形成されることもあります。

3. はんだビーズとはんだボールの違い

はんだビーズとはんだボールはよく混同されますが、それらは異なります。

主な違いはその形成メカニズムにあります。

さらに、外観とサイズの点で、はんだビーズははんだボールよりも大きく、通常は直径が 5 ミル (0.127 mm) を超えます。

位置に関しては、はんだボールは主にチップ部品の中央と部品本体の下側に集中していますが、はんだボールはフラックス残渣内のどこにでも現れる可能性があります。

数量に関しては、はんだビーズの数は通常 1 ～ 4 ですが、はんだボールの数は変動し、多くの場合は多数になります。

はんだビードの形成に影響を与える要因

はんだビード形成の原因に基づくと、主な影響要因は次のとおりです。

• ステンシル開口部とパッドパターンの設計

• ステンシルの洗浄

• 機械の再現精度

• リフローはんだ付け温度プロファイル

• 配置圧力

• パッド外のはんだペースト量

はんだビード低減の対策と実績

1. 規格に従ってステンシル開口部を設計する

適切なステンシルの厚さを選択し、IPC-7525A 規格に基づいて開口部のアスペクト比を厳密に制御します。ステンシルの厚さを選択するときは、はんだ接合の品質が保証されている限り、厚いものを選択するのではなく、PCB 上の実際のコンポーネントに基づく標準範囲内で薄いオプションを選択してください。たとえば、QFP/ピン 0.5mm ピッチの場合、0.125mm ～ 0.15mm の厚さが許容されます。 0.12mm を使用しても他のコンポーネントのはんだ付けに影響を与えない場合は、厚いオプションよりも 0.12mm を選択してください。一般的な開口部のアスペクト比は 1:1 です。より多くのはんだペーストが必要なコンポーネントの場合は、比率を 1:1.05 または 1:1.2 までわずかに増やすことができます。ただし、アスペクト比が 1:1 を超えるステンシルでは、印刷中に頻繁かつ効果的な底部のクリーニングが必要です。そうしないと、底部にはんだペーストがたまり、はんだボールが発生する可能性があります。必要なはんだペーストが少ないコンポーネントの場合、比率を 1:0.9 に減らすことができます。チップコンポーネントの場合、0402 未満のサイズでははんだビード防止開口部は必要ない場合がありますが、0603 以上では選択的に適用する必要があります。はんだビードとインナーパッド延長ペーストの関係を考慮すると、インナーパッド延長を省略したり、負の値で設計したりすることもできます。

2. 適切なパッドパターンとサイズ設計を選択します

パッド サイズの設計が不適切であると、はんだビードが発生する可能性もあります。パッドを設計するときは、PCB、実際のコンポーネントのパッケージ サイズ、および終端サイズを考慮して、対応するパッドの寸法を決定します。企業は、サプライヤーからのコンポーネントの測定寸法に基づいて独自のパッド設計基準を確立する必要があります。実際の状況に応じて設計を変更する必要もあります。 IPC-SM-782A によれば、はんだ接合には 3 つの基準値があります。

• Jt = 先端部のはんだフィレット

• Jh = ヒール部のはんだフィレット

• Js = 側面のはんだフィレット

チップ コンポーネント (例として 0402 を使用) の場合、図 3 に抵抗パッドの設計図を示し (実際のパターンはコンポーネントによって異なります)、図 4 に対応する抵抗底部寸法の図を示します。 FUJI 143E 高速実装機 (精度 0.001mm) を使用して測定した PCB パッドの寸法を表 1 に示します。測定したコンポーネントの寸法 (FUJI 143E を使用) とサプライヤー提供の寸法の比較を表 2 に示します。測定された寸法はサプライヤーが指定した範囲内にあります。

3 つの基準値の計算式は次のとおりです。

• Jt = (Z - L) / 2

• Jh = (S - G) / 2

• Js = (X - W) / 2

Jh が正の場合、配置後の終端に余分なはんだペーストがないことを示します。はんだペーストの一部が「余る」ことになります。 Jh が正で比較的大きい場合、はんだ付け時の加熱速度が速すぎる、終端またはパッドのはんだ付け性が悪い、または配置時の過度の下向き圧力などの要因により、はんだビードが発生する可能性があります。 Jh が正であるが小さい場合、良好なフィレット形成が促進されます。

はんだビード問題の実証分析と改善策

IPC-SM-782A に従って Fenghua (サプライヤー) からの測定データを分析:

• 抵抗値 Jh = (0.46 - 0.4) / 2 = 0.03mm

• コンデンサ Jh = (0.56 - 0.4) / 2 = 0.08mm

どちらの Jh 値も正ですが、小さいため、はんだビードを形成することなく良好なヒール フィレットと濡れ角度が可能になります。実際には、はんだビードはほとんど観察されず、はんだ付け品質は良好です。 Jh の経験的範囲は -0.1 ～ 0.15mm です。表 2 では、S 値の範囲が広いです。実際には、サプライヤーにこの範​​囲を管理するよう依頼する必要があります。コンデンサと抵抗の適切な範囲は 0.35 ～ 0.65 mm です。それ以外の場合は、それに応じてステンシル デザインを調整する必要があります。 Jt、Jsなども同様に解析できます。

IC コンポーネントの場合は、サプライヤーが提供するパターン/寸法に基づいて設計します。チップ コンポーネントの場合、推奨される鉛フリー パッドの形状は、外側または内側の半楕円形です。主な考慮事項は、正方形のパッドに典型的な応力集中と、はんだビードの原因となる高い配置圧力によるコーナーでのはんだペーストのはみ出しを回避することです。

3. ステンシルの洗浄品質の向上

ステンシルのクリーニングを改善すると、印刷品質が向上します。洗浄が不十分だと、開口部の底にはんだペーストの残留物が蓄積し、余分なペーストやはんだビードが発生します。プリンターで自動ステンシル クリーニングを使用する場合は、ウェット クリーニング、ドライ クリーニング、および真空を組み合わせて使用​​するのが最も効果的です。コンポーネントのレイアウトに基づいて清掃頻度を増やします。効果を監視し、必要に応じて手動クリーニングを追加します。

4. 機器の再現性の精度を確保する

印刷中にステンシルとパッドの間の位置がずれると、ペーストがパッドを超えて汚れ、加熱時にはんだビードが発生する可能性があります。配置精度もプロセスに影響します。一般的には 3σ 以上が必要です。そうしないと、はんだビードが発生する可能性が高くなります。

5. 装着機装着圧力の制御

コンポーネント配置時の Z 軸の高さは、配置圧力またはコンポーネントの厚さの制御によって制御されます。これにより、コンポーネントがはんだペーストにどれだけ押し込まれるかが決まり、はんだビーズにとって重要な要素となります。制御が不適切だと、配置中にパッドからペーストが絞り出され、ビードが発生する可能性があります。どのような制御方法であっても、ビードが発生しないように設定を最適化する必要があります。原理は、ペーストがパッドから絞り出されないように、十分な圧力でコンポーネントをペースト「上」に配置することです。必要な圧力はサプライヤー、モデル、パッケージによって異なります。必要に応じて生産中に調整します。

6. 温度プロファイルの最適化

リフローはんだ付け中、ランプ ステージとソーク ステージは、PWB およびコンポーネントへの熱衝撃を軽減し、はんだペーストから部分的な溶剤を揮発させることを目的としています。これにより、リフロー段階で過剰な溶剤がスランプや飛散を引き起こし、ペーストがパッドから押し出されてビーズやボールが形成されるのを防ぎます。リフロー プロファイルを制御します。ランプ レートが 2.0°C/s を適度に下回るようにしてください (注: 原文では 20°C/S と書かれていますが、おそらくタイプミスで、通常の 2°C/s 以下に修正されました。ユーザー テキストでは 20°C/S と書かれていますが、そのまま維持しますが、おそらく間違いがあることに注意してください)。また、ソーク時間は 60 ～ 120 秒の間で制御され、安定したプラットフォーム上でほとんどの溶剤が揮発できるようにします。

まとめとコラボレーションの提案

はんだビードの原因はさまざまです。当社は設計時の予防に重点を置いています。まず、コンポーネントの寸法とパッド設計とのマッチングを統計的に分析し、パッド設計とステンシル開口部の選択をガイドします。それでもはんだビードが発生する場合は、さらに解析を行い、印刷から実装までの全工程を検査・確認し、原因を特定し、改善を実施します。これは非常に効果的で、製造中にはんだビードが発生する可能性が低くなりました。

私たちは、はんだビード問題の経験を持つ同僚からアイデアを交換し、学びたいと考えており、この記事の欠点を指摘することを歓迎します。

SMT プロセス制御には多くの側面が含まれます。どこか 1 つの領域で障害が発生すると、問題が発生する可能性があります。したがって、SMT プロセス エンジニアだけでなく、調達部門や材料管理部門もプロセス エンジニアと積極的に連携する必要があります。材料の変化によるプロセスパラメータの変更によって引き起こされる欠陥を防ぐために、材料の変更または代替に関するコミュニケーションが必要です。 PCB レイアウト設計者は、プロセス エンジニアとより多くのコミュニケーションを図り、可能な限りプロセス エンジニアの改善提案を参照して実装する必要があります。