PCBブログ - PCBリフロー溶接における冷間溶接問題の原因

コールド溶接とは？PCB冷間溶接は、溶接中に電子部品とPCBとの間に必要な最低濡れ温度に達していない場合に発生する現象である。局所湿潤が存在しても、冶金反応が不完全であれば、冷間溶接の発生を招く。冷間溶接の特徴は、溶接点の表面外観がより暗く、より粗く、溶接材料と完全に融合できないことである。

PCB冷間溶接は溶接中に発生し、電子部品とPCBの間が所望の最低濡れ温度に達していない場合、溶接点は不良接続を形成する。一定量の局所湿潤が存在しても、完全な冶金反応が実現できなければ、冷間溶接の出現を招くことがある。冷間溶接の特徴は、溶接点の表面外観がより暗く、より粗く、溶接材料と完全に融合できないことである。

冷間溶接の原因：

1.加熱不足

冷間溶接の主な原因の1つは、溶接中に電子部品とPCBの間が最低濡れ温度に達していないことである。流動溶接温度が低すぎると、半田が完全に溶融できず、半田点が強固な金属結合を形成できなくなる。

2.溶接時間が短い

溶接時間が不足していることも冷間溶接を引き起こす重要な要素である。流動溶接時間が不足していると、半田が適切な時間内に十分に流動し放熱することができず、半田点の形成が強固ではない。この場合、溶接点の表面が暗く粗く見え、回路の性能に影響を与える可能性があります。

3.表面汚染

溶接表面上の汚染物、例えば油、ほこりなどは、溶接材料の濡れ性能に影響を与え、継手が良好な金属接続を形成できない。正しい温度と時間をかけても、汚染は冷間溶接を引き起こす。

4.温度制御が不適切である

リフロー溶接中、炉温曲線の設定が不適切であり、温度が急速に上昇または低下し、冷間溶接を引き起こす可能性がある。加熱中にクリームの張力が均一でないと、溶接点が一貫していないことがある。正確な温度制御により冷間溶接を効果的に低減することができる。

5.錫メッキ問題

溶接点自体にスズを食べる特性が欠けているため、冷間溶接も発生する可能性がある。はんだが界面に良好な結合を形成できないと、はんだ点が弱くなり、冷間はんだ付けにつながる。そのため、適切なはんだを選択し、溶接表面の良好な状態を確保することは冷間はんだ付けを防止する重要な措置である。

電子工業のFR 4−PCB溶接において、金はその優れた安定性と信頼性のために最も一般的な表面コーティング金属の1つとなっている。しかし、はんだ中の不純物として、はんだ中に脆性のSn−Au（Sn−Au）金属間化合物（主にAuSn 4）が形成されるため、金ははんだの延性に非常に有害である。低濃度のAuSn 4は多くの韓国のスズ含有半田の機械的性質を改善することができるが、半田中の金含有量が4%を超えると、引張強度と破断伸びが急速に低下する。パッド上の1.5 um厚の純金及び合金層は、ピーク溶接中に溶融半田に完全に溶解することができ、形成されたAuSn 4は、板材の機械的性質を損なうには不十分である。しかし、表面組立プロセスでは、金コーティングの許容可能な厚さは非常に低く、正確な計算が必要である。Glazerらは、金濃度が3.0 W/Oを超えない場合、プラスチック四角形フラットパッケージ（PQFP）上のCu-Ni-Au金属コーティングとFR-4 PCBとの溶接点の信頼性が損なわれないことを報告している。

過剰なIMCはその脆性のために溶接点の機械的強度に危害を及ぼし、溶接点中の鐘孔の形成に影響を与える。例えば、Cu−Ni−Auパッドの1.63 um金層上に形成された溶接点は、7 mil（175 um）91%金属含有量のSn 63 Pb 37ペーストをパッド上に印刷した後、リフロー溶接することができる。Sn−Au金属化合物は粒子となり、溶接点に広く分散している。

PCB板加工では、適切な半田合金と制御金層の厚さを選択するほか、金含有基体金属の成分を変えることで金属間化合物の形成を減らすことができる。例えば、Sn 60 Pb 40半田をAu 85 Ni 15に溶接すると、金脆性は発生しない。

回路基板リフロー溶接では、通常、冷間溶接検査方法が使用されます。

目視検査：専門的な検査基準は溶接点の外観を観察し、粒状溶接点や非平滑表面などの現象があるかどうかを検査することを目的としており、これは冷間溶接の一般的な特徴である。

自動光学検査（AOI）：自動化設備を利用して溶接点を高精度にイメージングし、潜在的な冷間溶接点を迅速かつ正確に識別し、定量的なデータサポートを提供することができる。

X線検出：複雑な回路、特にBGAパッケージに対して、X線を利用して溶接点の内部構造を検出することは隠れた冷間溶接問題を検出する非常に有効な方法である。

PCBの冷間溶接を防止する有効な方法：

1.適切な溶接温度を確保する

PCBのリフロー溶接過程において、適切な溶接温度は冷間溶接を防止する重要な要素である。PCBA板の寸法と厚さ、及び素子の熱係数に基づいて、合理的なリフロー溶接温度曲線を設定して、溶接材料が完全に溶融してパッドを濡らすことができることを確保しなければならない。温度制御の精度は溶接品質に直接影響するため、設計時には特にこの点に注意しなければならない。

2.溶接時間の制御

溶接時間の制御も同様に重要であり、溶接時間が短すぎると、溶接材料が完全に流動と接着できず、冷間溶接を形成する可能性がある。溶接プロセスの時間設定が溶接材料の溶融と濡れの要求を満たすことを確保しなければならず、通常は還流溶接設備の操作パラメータを調整することによって実現される。正確な時間制御は、溶接点の完全性を確保するのに役立ちます。

3.材料の選択と使用

高活性のはんだペーストと適切なフラックスを使用することも冷間はんだ付けを防止するのに役立ちます。低品質のはんだペーストは濡れ性が悪いことが多いので、高品質のはんだペーストを選択し、使用条件と貯蔵条件を厳格に制御することが重要です。また、適量のフラックスは半田の流れを促進し、半田の付着力を強化する。

4.溶接面の清掃

溶接する前に、溶接表面を清潔にすることが重要です。油、ほこり、酸化物ははんだとパッドとの良好な接触を阻害し、冷間はんだ付けになりやすい。そのため、はんだ付けの前にPCBと部品のピンをクリーニングして、良好なはんだ付け条件を提供しなければならない。

5.保持部材の位置が安定している

溶接中、アセンブリはジッタや浮きを回避するために安定した位置に維持されている必要があります。リフロー溶接の過程で、部品の昇降と位置移動は溶接点の均一性を低下させ、冷間溶接を引き起こす。これはPCBの剛性と適切な溶接設備を確保することによって実現することができる。

PCBの冷間溶接は回路性能に影響する重要な問題であり、主に加熱不足、溶接時間の短さと表面汚染などの要素によるものであり、適切な溶接温度、時間制御、材料選択と溶接表面の清潔度を確保することによって効果的に防止することができる。これらの予防策に専念することで、溶接点の品質が大幅に向上し、回路基板全体の信頼性と性能が向上します。