PCBエンジニアは、いくつかのSMT溶接の欠陥とその解決策を説明しました

回路基板メーカー、回路基板設計者、および PCBA メーカーが、SMT 溶接のいくつかの欠陥とその解決策について説明します

この論文は主に、表面実装技術（SMT）によって製造されたプリント回路モジュールのはんだボール、ライザー、ブリッジ、およびその他の溶接欠陥を分析し、参考のために効果的な解決策を経験的にまとめています。

キーワード: SMT 溶接欠陥

1 はじめに

電子製品の体積と重量を削減し、信頼性を向上させる表面実装技術の優れた利点は、大陸間の範囲、移動式発射、安全性と信頼性、および来の戦略兵器の高度な技術の製造技術の要件を満たしています。しかし、SMT 技術は複数の技術が関与する複雑なシステムエンジニアリングであり、あらゆる要因の変化が電子製品の溶接品質に影響を与えるため、特定の製品に適した表面組立プロセスを策定して選択することは容易ではありません。

コンポーネントのはんだ接合部の溶接品質は、プリント回路アセンブリ (PWA) や機械全体の品質に直接影響する重要な要素です。はんだペースト、基板、コンポーネントのはんだ付け性、シルクスクリーン、実装精度、溶接プロセスなど、多くのパラメータの影響を受けます。 SMTプロセスの研究と生産の過程で、合理的な表面組立技術がSMT生産品質の管理と改善に重要な役割を果たすことを知っています。本論文では,遭遇したいくつかの典型的な溶接欠陥のメカニズムを分析し,それらを解決するための対応するプロセス方法を提唱した。

2 いくつかの典型的な溶接欠陥と解決策

2.1 ウェーブはんだ付けおよびリフローはんだ付けにおけるはんだボール

はんだボールの存在は、プロセスが完全に正しくないことを示しており、電子製品の短絡のリスクがあるため、排除する必要があります。はんだボールの存在に関する国際的に認められた基準は、600 種類のプリント回路部品に 5 つ以下のはんだボールが現れることはありません。ブリキのボールには多くの理由があり、問題の根本を見つける必要があります。

2.1.1 ウェーブはんだ付けにおけるはんだボール

はんだボールは、主に 2 つの理由から、ウェーブはんだ付けでよく発生します。まず、プリント基板をはんだ付けすると、プリント基板のスルーホール付近の水分が加熱されて水蒸気になります。穴壁の金属コーティングが薄い場合や隙間がある場合、水蒸気は穴壁を通して除去されます。はんだが穴の中にあると、はんだが凝固するときに、水蒸気によってはんだに隙間 (ピンホール) ができたり、はんだが押し出されてプリント基板の前面にはんだボールができたりします。第 2 に、プリント回路基板の裏側 (ウェーブクレストに接する面) に生成されるはんだボールは、ウェーブはんだ付け中のプロセスパラメータの設定が不適切なために発生します。フラックスの塗布量を増やしたり、予熱温度を低く設定しすぎると、フラックス成分の蒸発に影響を与える場合があります。 PCB が波のピークに入ると、余分なフラックスが高温で蒸発し、スズ槽からはんだが飛び散り、PCB 表面に不規則なはんだボールが生成されます。

上記の 2 つの理由から、次の対応する解決策を講じます。まず、スルーホールに適切な厚さの金属コーティングを施すことが重要です。穴の壁の最小銅コーティングは 25um で、隙間があってはなりません。次に、スプレーまたは発泡タイプのコーティングフラックスを使用します。発泡モードでは、フラックスの空気含有量を調整するときに、気泡を最小限に抑える必要があり、発泡体と PCB の間の接触面は比較的減少します。第三に、回路基板の上面温度が少なくとも 100 ° C に達するように、ウェーブはんだ付け機の予熱ゾーン温度を設定する必要があります。適切な予熱温度は、はんだボールをなくすだけでなく、熱衝撃による PCB の変形を防ぐこともできます。

2.1.2 リフローはんだ付け時のはんだボール

2.1.2.1 リフローはんだ付けにおけるはんだボール形成のメカニズム

リフローはんだ付けによるはんだボールは、角型チップ部品の両端の間や、細ピッチのピンの間などに隠れてしまうことがよくあります。部品実装工程では、チップ部品のピンとパッドの間にはんだペーストを配置します。プリント回路基板がリフローはんだ付け炉を通過すると、はんだペーストが溶けて液体になります。はんだペーストがパッドとデバイスピンで十分に濡れていない場合、液体はんだが収縮して溶接部の充填が不十分になり、すべてのはんだ粒子がはんだ接合部に収束できなくなります。液体はんだの一部が溶接部から流れ出し、はんだボールが形成されます。したがって、はんだパッドおよびデバイスピンとのはんだのぬれ性が低いことが、はんだボールの形成の根本的な原因です。

2.1.2.2 原因分析と対策方法

はんだ付け錫の濡れ性が悪い理由はたくさんあります。以下は主に、関連するプロセスと解決策に関連する理由を分析しています。

(a)還流温度曲線が正しく設定されていません。はんだペーストのリフローは、温度と時間の関数です。温度または時間が十分でない場合、はんだペーストはリフローしません。予熱ゾーンの温度が急速に上昇し、フラットトップ温度に達するまでの時間が短すぎるため、はんだペースト内の水分と溶剤が完全に揮発しません。リフロー温度帯になると、水分や溶剤が沸騰し、はんだボールが飛散します。実践では、予熱ゾーンの温度上昇速度を 1 ～ 4 ° C/s に制御することが理想的であることが証明されています。

printed circuit board

(b)はんだボールが常に同じ位置に現れる場合は、板金設計構造を確認する必要があります。テンプレートの開口サイズの腐食精度が要件を満たしていない、ボンディングパッドのサイズが大きすぎる、表面の材質が柔らかい (銅テンプレートなど) ため、はんだペーストの輪郭が印刷に逃したことは明確ではなく、互いに橋渡ししています。これは、微細な間隔を持つデバイスのボンディングパッドが印刷されない場合によく発生し、リフローはんだ付け後にピン間に多数のはんだビーズが必然的に発生します。したがって、パッドグラフィックスのさまざまな形状と中心距離に応じて、適切なテンプレート材料とテンプレート製造プロセスを選択して、はんだペースト印刷の品質を確保する必要があります。

(c) パッチからリフローはんだまでの時間が長すぎると、はんだペースト中のはんだ粒子の酸化、フラックスの劣化、フラックスの低下により、はんだペーストがリフローせず、はんだボールが発生します。その活動。耐用年数が長い (少なくとも 4 時間と考えられる) はんだペーストを選択すると、この影響が軽減されます。

(d) また、はんだペーストが印刷ミスで印刷されたプリント基板は、十分に洗浄されていないため、はんだペーストがプリント基板の表面とスルーホールに残ります。リフローはんだ付けの前に、はんだペーストを変形させるために、貼り付ける部品を再調整して貼り付ける必要があります。これらもはんだボールの原因となります。したがって、生産プロセスにおけるオペレーターとプロセス担当者の責任感を強化し、プロセス要件と操作手順を厳守し、プロセスの品質管理を強化する必要があります。

2.2 立ち問題（マンハッタン現象）

長方形のチップ部品の一方の端はパッドに溶接され、もう一方の端は傾斜しています。この現象はマンハッタン現象と呼ばれています。この現象の主な原因は、エレメントの両端が不均一に加熱され、はんだペーストが連続して溶融することです。次の条件では、エレメントの両端で不均一な熱が発生する可能性があります。

(a) 不良素子配置方向設計。リフロー溶接炉には、炉幅全体にリフロー溶接限界線があると想像されます。はんだペーストが通過すると、図1に示すようにすぐに溶けます。チップタイプの長方形要素の一端は、最初にフロー溶接限界線を通過し、はんだペーストが最初に溶け、金属表面を完全に浸します。要素であり、液体の表面張力を持っています。もう一方の端は 183 ° C の液相温度に達せず、はんだペーストは溶融せず、フラックスの結合力のみがリフローはんだペーストの表面張力よりもはるかに小さいため、素子の端が溶けていない端は直立しています。したがって、エレメントの両端が同時にリフロー溶接限界ラインに保持されるため、両端のパッド上のソルダペーストが同時に溶融し、バランスの取れた液面張力が形成され、エレメントの位置が保持されます。要素は変更されません。

(b) 気相溶接中のプリント回路部品の予熱が不十分。気相溶接では、不活性液体蒸気を使用してコンポーネントピンと PCB パッドに凝縮し、熱を放出してはんだペーストを溶かします。気相溶接は、平衡領域と飽和蒸気領域に分けられます。飽和蒸気領域での溶接温度は 217 ℃ と高いです。製造中に、溶接するコンポーネントが十分に予熱されず、100 度を超える温度差を受けると、気相溶接の気化力が低下することがわかりました。パッケージサイズが 1206 未満のチップ部品は浮きやすく、垂直片の現象が発生します。高低ボックス内の被溶接部品を145℃～150℃で1～2分間予熱し、その後気相溶接の平衡域で約1分間予熱することで垂直板現象を解消し、最後にゆっくりと溶接用の飽和蒸気ゾーンに入ります。

(c) パッドの設計品質の影響。チップ部品の一対のパッドのサイズが異なっていたり非対称であったりすると、はんだペーストの抜け量も一定しなくなります。小さなパッドは温度に対する反応が早く、はんだペーストが溶けやすく、大きなパッドは逆です。したがって、小さなパッドのはんだペーストが溶けると、コンポーネントははんだペーストの表面張力の影響でまっすぐになり、直立します。パッドの幅や隙間が大きすぎると、縦にもなることがあります。この欠点を解決するには、規格と仕様に厳密に準拠したパッド設計が必要です。

2.3 ファインピッチピンブリッジ問題

ファインピッチコンポーネントのピンのブリッジ不良につながる主な要因は次のとおりです。 b) プリント回路基板上の欠陥のある微細ピッチリードの製造。 c)不適切なリフロー温度曲線の設定などしたがって、テンプレート作成、シルクスクリーン印刷プロセス、リフロー溶接プロセスなどの主要プロセスの品質管理から開始し、ブリッジの隠れた危険を回避するように努める必要があります。

2.3.1 型枠材料の選択

SMT プロセスの品質問題の 70% は印刷プロセスに関連しており、テンプレートは印刷品質に直接影響する不可欠なキーツールです。通常使用する型紙の素材は、銅板とステンレス板です。銅板と比較して、ステンレス板は摩擦係数が小さく、弾力性があります。したがって、他の特定の条件下では、はんだペーストの脱型およびはんだペーストの成形をより助長します。ピンの中心距離が 0.5mm の QFP208 デバイスのアセンブリテストの統計によると、銅テンプレートの不適切な省略による欠陥の数は、デバイスのはんだ接合の総数 (208) の約 20% を占めています。他の特定の条件下では、ステンレス鋼のテンプレートを使用して印刷を逃したことによる平均不良率は 3% です。したがって、ピンの中心間距離が 0.635mm 未満のファインピッチ部品の印刷には、ステンレス鋼板を使用する必要があり、厚さは 0.15mm ～ 0.2mm が望ましいです。

2.3.2 シルクスクリーン印刷の工程管理

リフローはんだ付け前に、はんだペーストが崩れて形成されたはんだペーストのエッジが不明瞭な場合、部品搭載時やリフロー予熱領域に入る際に、はんだペースト内のフラックスが軟化し、ピンブリッジが発生します。はんだペーストの崩壊は、不適切なはんだペースト材料の使用と、室温が高いなどの不適切な環境条件が原因であり、はんだペーストの崩壊を引き起こします。シルクスクリーンプロセスでは、はんだペーストのレオロジー特性を慎重に制御し、次のプロセスを調整して崩壊を減らします。

(b)シルクスクリーンファインピッチリード線の場合、通常は厚みの薄いテンプレートが選択されます。はんだペーストの欠落が少なくなるのを避けるために、必要なはんだペーストの粘度を低くする必要があります。これにより、はんだペーストの流動性が向上し、印刷を見逃しやすくなります。さらに、はんだペーストのコーティング量を確保するために、テンプレートと PCB を脱型するときに、はんだペーストを取り除くのは容易ではありません。しかし同時に、はんだペースト印刷グラフィックスの理想的な形状を維持するためには、はんだペーストの粘度を高くする必要があります。この矛盾に対する当社の解決策は、Aifa の RMA390DH3 はんだペーストなど、45 ～ 75um の小さい粒子サイズと球状粒子のはんだペーストを使用することです。さらに、シルクスクリーン印刷中は適切な周囲温度を維持する必要があります。はんだペーストの粘度と周囲温度の関係は次のとおりです。

logu=A/T+B

ここで: u - 粘性係数;

A. B - 定数

T - 絶対温度。

上式から、温度が高くなるほど粘度が小さくなることがわかります。そのため、より高い粘度を得るために、周囲温度を20+3℃に制御しています。

B. スクレーパーの速度と圧力も、はんだペーストのレオロジー特性に影響します。はんだペーストのせん断速度とせん断力を決定するためです。はんだペーストの粘度とせん断速度の関係を図2に示します。はんだペーストの種類と周囲温度が適切で、スクレーパーの圧力が一定の場合は、印刷速度を遅くしてはんだペーストの粘度を維持します。はんだペーストの供給時間が長いほど、はんだペーストの量が多くなり、良好な成形が得られます。さらに、遅い脱型速度とテンプレートと PCB 間の最小ギャップを制御することも、ファインピッチピンブリッジの削減に有効な役割を果たします。私たちが使用する SP200 スクリーン印刷機によると、ファインピッチラインを印刷するための理想的なプロセスパラメータは次のように考えられます。脱型速度は約 2 秒に制御する必要があります。テンプレートと PCB 間の最小クリアランスは 0.2mm 以下です。

2.3.3 還流工程の工程管理

ファインピッチのリード間隔が狭く、パッド面積が小さく、はんだペーストの抜けが少ない。溶接時、赤外線リフローはんだの予熱部の温度が高く時間が長いと、リフローはんだのピーク温度部に到達する前に活性剤が消耗してしまいます。しかし、酸化したはんだ粒子を放出するのに十分な活性剤がピーク領域にある場合にのみ、はんだ粒子が急速に溶融し、金属ピンの表面を濡らして良好なはんだ接合を形成することができます。無洗浄はんだペーストは、洗浄対象のはんだペーストよりも活性化範囲が低くなります。そのため、予熱温度や予熱時間を少しでも間違えると、細い溶接リード同士がブリッジしてしまいます。加熱温度と予熱時間を短縮することで、ソルダーペースト中の活性剤の揮発を抑制し、溶接温度域での洗浄フリーソルダーペーストの流動性と金属リード表面の濡れ性を確保し、微細配線のブリッジ欠陥を低減します。ピッチライン。ファインピッチデバイスおよび RC デバイスについては、リフロー温度溶接曲線の典型的な例を使用します。

3.結論

さまざまな分野での表面組立技術の応用が広範かつ深化するにつれて、人々はSMT溶接の品質問題を非常に重視しています。 SMT 溶接の品質は、アセンブリプロセス全体のすべての側面に密接に関係しています。上記の溶接欠陥を低減または回避するには、これらの問題を判断して解決する技術者の能力を向上させるだけでなく、プロセス品質管理技術の向上とプロセス管理の改善に注意を払う必要があります。 SMT 溶接の品質と電子製品の最終的な品質を確保します。この記事の誤りを訂正してください。 PCB メーカー、PCB 設計者、および PCBA 処理業者が、SMT 溶接のいくつかの欠陥とその解決策について説明します。