エキスパートガイド：PCBウェーブはんだ問題のトラブルシューティング

ジャンプ先： ウェーブはんだとは？ | ウェーブはんだ欠陥と対策

ウェーブはんだとは

ウェーブはんだは、プリント基板（PCB）の大量製造時に使用されるはんだ付けプロセスの一種です。ウェーブはんだプロセスにより、製造業者は大型プリント基板を迅速かつ確実にはんだ付けできます。プロセスの名前は、各基板が通過するはんだの波から来ています。個別のはんだポイントではなくはんだの波を使用することで、機械的および電気的に信頼性の高いはんだ接合が生成されます。

ウェーブはんだプロセスは、従来のスルーホールPCB実装方法と、より新しい表面実装方法の両方に効果的です。

では、ウェーブはんだ機械には何があり、プロセスはどのように機能するのでしょうか？

その核心では、標準的なウェーブはんだ機械は1つのコンポーネントから始まります：特定のはんだ付けプロセスに必要な温度で維持される加熱されたはんだタンクです。タンク内で、技術者ははんだの波をセットアップし、各PCBをタンクを通過させ、はんだの波の頂点がPCBの底面にちょうど接触するようにします。

設計者は、ウェーブはんだされるプリント基板を設計する際、2つの主要な問題に注意する必要があります。

• パッド間隔： はんだ付けが必要なパッドが互いに近すぎる場合、液状はんだがそれらの間に流れ込む可能性があります。接続された2つのパッドだけでなく、おそらくPCB全体のショートが発生します。

• はんだレジスト： プリント基板にはんだレジスト層を持つことは、はんだレジスト層が標準的な実践としてブループリントに含まれているため、過去ほどの問題ではありません。それでも、はんだマスクまたははんだレジスト層がPCBのブループリントの一部であることを再確認することは常に良いことであり、不幸な事故を防ぐのに役立ちます。

分離する基板のパッド間隔とはんだレジスト層をチェックしたら、フラックスを塗布する時です。フラックスは、基板のはんだ付けが必要な領域が清潔で酸化から自由であることを確保するのに役立ちます。状況に応じて、フラックスを塗布する2つの異なる方法があります。

• スプレーフラックス：微細なミストとして塗布でき、圧縮空気ジェットで余分なものを除去します。
• フォームフラックス：通常のフラックスタンクから基板に塗布されます。小さな穴のあるプラスチックシリンダーをフラックスタンクに沈めます。シリンダーが十分に浸漬されたら、金属製の煙突をその上に取り付けます。空気をシリンダーを通して強制し、煙突から泡が立ち上がるようにします。その後、PCBの底面をこのフォームフラックスでコーティングできます。

基板の下面をフラックスで処理したら、基板を予熱する時です。ウェーブはんだプロセスの一部としてはんだが塗布される方法のため、ウェーブはんだされたプリント基板は、手動ではんだ付けされた場合よりもはるかに大量の熱にさらされます。予熱なしでは、回路基板は熱衝撃によってあらゆる種類のはんだ付け欠陥を抱えることになります。

熱衝撃の可能性を最小限に抑えるため、ウェーブはんだされる基板は必要な温度までゆっくりと加熱する必要があります。

予熱されない場合、ウェーブはんだされた基板にどのような欠陥が起こり得るでしょうか？

ウェーブはんだ欠陥と対策

ウェーブはんだプロセスに機械が関与しているからといって、手作業ではんだ接合を一つ一つ行うよりもエラーが起きにくいわけではありません。はんだタンクを使用するかハンダゴテを使用するかに関わらず、はんだ付けをそれが正確な科学であるかのように扱い、どこで何をはんだ付けするかを慎重に制御する必要があります。

そうしないと、以下にリストされているようないくつかのはんだ付け欠陥に遭遇することになります：

1. ホールフィル不足

ホールフィル不足は、コンポーネントを基板に実装するための予め穴あけされた穴を持つプリント基板で発生する問題です。本質的に、ホールフィル不足は、コンポーネント用に穴あけされた穴に不十分な量のはんだが充填されたときに発生し、冷却後にはんだが回路基板に付着しません。ホールフィル不足にはいくつかの理由があります：

• フラックスが正しく塗布されず、基板を貫通しなかったため、はんだが活性化せず、コンポーネントを適切に結合できなかった。

• 基板の上面温度が十分に高くなく、はんだが溶融して穴を通って上昇できない。

• 基板のはんだ波への浸漬が十分でなかった。基板の十分な部分が波と接触しない場合、スルーホールに押し上げられるはんだが少なすぎる。

これらの問題を修正する最良の方法は、もう一連の予備はんだチェックを実行することです。使用しているフラックスのタイプをチェックし、PCB全体をカバーする十分な量があることを確認してください。このステップは、2番目の問題である予熱不足にも役立ちます。

はんだが熱に流れるため、PCBのスルーホールが正しい温度でないとはんだがうまく流れません。「適切な」温度は会社の運用基準によりますが、一般的な経験則は300〜340°F、または約150〜170°Cです。

基板が波と接触する前に、アセンブリ全体がこの温度に達している必要があります。スルーホールが正しい温度に達しているかわからない場合、ウェーブはんだプロセスのプロファイルを取得してください。それは基板のリフロープロセスと全く同じか、非常に似ているはずです。

ウェーブはんだプロセスのプロファイルを取得している間、基板の高さ、つまり一度にどれだけの基板が波にさらされているかもチェックできます。基板厚の少なくとも半分が常にはんだ波の中で走行するようにしてください。これにより、波の静水圧がはんだをスルーホールに押し上げます。

2. コンポーネント浮き上がり

浮き上がったコンポーネント（トゥームストーンとも呼ばれる）は、はんだ付けプロセス中に基板から持ち上がったコンポーネントです。トゥームストーンの一般的な原因には以下があります：

• 不正確なリード長、はんだ浴に入るときにコンポーネントが基板から持ち上がる原因となる。
• フレキシブルPCBでウェーブはんだを実行しようとする。フレックス基板は曲がるが他のコンポーネントは平らなままのため、それらが基板から持ち上がる。
• はんだタイプと温度に関して異なる要件を持つコンポーネントを使用する。

不正確なリード長を修正するには、使用しているリードを見てください。リードが長すぎる場合、はんだ浴に当たるとスルーホールから押し出される可能性があります。これを修正するには、イン波浸漬時間を増やし、リードへの熱的要求を減らし、それらが落ち着くようにします。

PCBのフレックスやその他のフレックス関連問題を修正するには、使用しているPCBの種類とその熱的許容範囲を再確認してください。基板のフレックスは、大型コネクタや大型ICパッケージ/ソケットで一般的です。最初からフレックスするPCB（プラスチックなど）は、はんだの波がプラスチックを曲げ、コンポーネントを基板から持ち上げるため、ウェーブはんだすべきではありません。

最後に、基板の熱的許容範囲をチェックしたら、すべてのコンポーネントの熱的許容範囲をチェックしてください。異なる温度要求やはんだ付け性温度を持つコンポーネントも、波との接触で持ち上がる可能性があります。一部のコンポーネントがはんだ付けされる一方で、過剰な熱が他のコンポーネントを押しのけるためです。使用しているすべてのコンポーネントが同じ要件を持つことを確認してください。これにより、それらの種類の問題を防止できます。

3. 過剰はんだ

過剰はんだは、基板がウェーブはんだタンクを通過するときにはんだの蓄積を引き起こします。これは依然として基板と問題のコンポーネント間で電気接続を作りますが、あなたや他の誰かが基板内部で何が起こっているかを正確に判断するのは困難になります。

接点にはんだが多すぎる理由はいくつかあります：

• 同じタイプのコンポーネントが異なる方向を向いている
• 設計プロセスでの不正確なリード長
• コンベアベルトを速く走らせすぎている

最初の原因は簡単に修正できます。単一タイプのすべてのコンポーネント（例：すべての電池）が波タンクに入るとき同じ方向を向くようにしてください。つまり、1つのコンポーネントが入るときタンクから「離れる」方向を向いているなら、そのタイプの他のすべてのコンポーネントも同じ方向を向くべきです。

設計プロセスでの不正確なリード長によって引き起こされるリード突出を修正することも、過剰はんだを防ぐのに役立ちます。リードが長すぎると、はんだがそれに対してプールし、過剰になります。これを解決するには、パッド表面をあまり超えて延びないリード長を決定してください。例えば、NASAは2.29mmのリード長を使用します。これははんだ付けのためにパッドをわずかに超えて突き出る長さです。

コンポーネントがすべて同じ方向を向いており、はんだ長さが正確でも、コンベアベルトを遅くする必要があるかもしれません。速すぎるコンベアベルトは、基板のコンポーネントがはんだタンクを通過するとき、波のはんだが次々と基板に降り注ぐ結果になる可能性があります。この問題の最も簡単な修正は、プロジェクトマネージャーと許容可能なコンベアベルト速度について相談することです。

4. はんだボール

はんだボールは、ウェーブはんだプロセスを通過するとき、小さなはんだビットが再びPCBに付着する（特にリード付近で）ことで発生します。はんだボールの一般的な原因には以下が含まれます：

• タンク内のはんだ温度が高すぎる。
• 基板から分離する際にはんだが波に戻り、その余分なはんだが基板に跳ね返る。
• 加熱されたフラックスから放出されるガスが液状はんだを基板に吐き戻す。

一般的なはんだボール問題を修正する最良の方法は、PCB設計自体にあります。PCB設計で使用するはんだマスクを選ぶとき、最初にはんだが付着する可能性が最も低いはんだマスクを見つけようとしてください。最適なはんだマスクを設計に選ぶことで、基板設計をより堅牢にすることができます。

加熱フラックスからのガスによるはんだボールは、通常、ウェーブはんだタンク周辺の空気における過剰なバックフロー、または環境中の窒素の低下から生じます。はんだタンクへの空気流入量と、はんだタンク環境に存在する窒素量をチェックしてください。これら両方を注意深く監視することで、加熱フラックスからのバウンスバックによるはんだボール問題を軽減できます。

はんだが波に戻る理由はいくつかあります：フラックスに揮発性物質がまだ残っているか、はんだ波の高さなど。問題の根本を把握する最良の方法は、波の上に白いカードを置いて（ただし基板は処理しない）、はんだ波を実行することです。同じテストを数枚のテスト基板を波に通して実行し、結果を比較してください。

5. はんだフラッグ

はんだフラッグは、リードの端から突き出る小さなはんだの突起です。それらは依然として基板上の他のコンポーネントと適切な電気接続を形成させますが、フラックス塗布の不適切さと、基板からのはんだ排水の問題の両方を示しています。

はんだフラッグの一般的な原因には：

• ウェーブはんだ機械からのはんだの排水が遅く、リードに過剰なはんだが残り、排水時に片側に「フラッグ」のように突き出る。

• ヒゲのように見えるはんだの跡。一般的に不適切に塗布されたフラックスの結果。

• はんだリードの不適切な保管。はんだが容易に付着できない酸化を引き起こす可能性がある。

遅い排水は通常、はんだ波と基板の分離制御が不十分なことが原因です。ほとんどの場合、これははんだ波のバックフローが正しく設定されていないためです。あなたのが「ラムダ」スタイルの波に設定されていることを確認してください。はんだ波のバックフローが適切に設定されている場合、はんだが基板から分離するとき、基板と同じ速度と方向で流れます。必要であれば、わずかに速く実行できます。しかし、遅く、または全く実行しないと、はんだフラッグ/スパイクが増加します。

酸化は、不適切にカットまたは保管されたリードの結果である可能性があります。リードを社内でカットしていない場合、サプライヤーにどのようにリードをカットしているか確認してください。ベアカットエンドは、特に長期間保管されている場合、リードを酸化させる可能性があります。あなたのショップが社内でリードをカットする場合、それらがどのようにカット、保管されるか、およびどれくらい保管されるかについてより多くの制御があります。これら3つの要因すべてがリードを酸化に対して開放し、ウェーブを通す時にはんだで濡らすことをはるかに難しくします。

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