鉛フリーリフロープロファイルとは、実装基板が炉内を通過するときの、はんだ接合部、部品、PCBの温度履歴を実測したものです。目的は汎用的な曲線をコピーすることではありません。フラックスを活性化し、必要なすべての接合部を溶融させ、部品と材料の限界を守り、不要な熱応力を抑えて冷却できる、再現性のある工程条件範囲をつくることです。
このガイドでは、新製品の工程条件範囲を確立する手順を説明します。以下の数値は検討開始時の目安であり、量産仕様ではありません。はんだペーストメーカーの最新技術データシート、最も厳しい部品定格、PCB材料の制限、製品の実測結果を常に優先してください。
リフロー耐熱性の分類条件は量産レシピではない#
IPC/JEDEC J-STD-020は、非気密封止の表面実装部品について、吸湿・リフロー感受性の分類条件を定めています。これは分類試験で部品が耐えられる条件を示すもので、すべての量産基板をその最高温度まで加熱する指示ではありません。Texas Instrumentsは、量産時のピーク温度を部品の分類温度より低く保ち、はんだペーストの推奨条件と全構成部品の定格から実際のプロファイルを選ぶよう明示しています。
一方、IPC-7530は一括はんだ付け工程の温度プロファイリングを扱います。両文書が示す重要な区別は、部品の耐熱性が上限を決め、その下でペースト、接合形成、実装品の熱挙動が実用的な工程条件範囲を決めるということです。
工程条件範囲を決める情報#
炉の設定を変更する前に、次の情報をそろえます。
- はんだ合金とペースト：合金の液相線温度、フラックスの活性化挙動、推奨昇温速度、ソーク、液相線以上の時間、ピーク温度範囲。
- 部品の制限：パッケージの分類温度、許容時間、吸湿感度レベル、メーカー固有のリフロー制限。
- PCB構成：層数、銅分布、板厚、積層材料、表面処理、大きな銅プレーン。
- 実装形状：小型受動部品、大型BGA、シールド、コネクタ、ヒートシンク、熱容量が大きく異なる部品。
- 印刷と搭載：ステンシル開口、ペースト量、部品位置、パッド形状。根本的に不適切な印刷を温度プロファイルで補うことはできません。
- 炉の能力：ゾーン数と長さ、搬送速度、気流、排気バランス、空気または窒素の雰囲気。
同時にSMTステンシル設計とPCBのBOMも確認してください。ペースト供給量の変化や見落とされた部品代替は、安定していたレシピが機能しなくなる原因としてよくあります。
鉛フリーリフローの一般的な段階#
| 段階 | 検討開始時の目安 | 主な目的 |
|---|---|---|
| 予熱の昇温 | 約0.5～2°C/秒 | 過大な熱衝撃やフラックスの飛散を避けながら実装品を加熱する。 |
| ソーク | 約150～200°Cで60～120秒 | 温度差を減らし、フラックスの活性化を進める。 |
| 液相線以上の時間 | 合金の液相線以上で45～90秒程度が一つの目安 | ぬれと金属間化合物の形成を完了させる。 |
| ピーク | SAC系工程では235～250°C程度が一般的 | 部品と基板を保護しながら、液相線を十分に上回る温度を確保する。 |
| 冷却 | ペーストと部品の制限に従って制御 | 避けられる熱応力を抑え、接合部を安定して凝固させる。 |
KesterはSAC305の溶融範囲を217～219°Cとしています。そのため約217°Cが液相線以上の時間の基準としてよく使われますが、正確な値は実際に基板へ印刷する合金に従う必要があります。低温はんだや異種合金を使う修理工程には、別の条件範囲が必要です。
予熱と昇温速度
初期の昇温では、基板、部品、ペースト、内部の揮発成分が加熱されます。速すぎる昇温は飛散、はんだビーズ、パッケージ応力、反りを増やす場合があります。遅すぎると、接合部がリフロー温度に達する前にフラックスの有効な活性を消費することがあります。炉のゾーン設定値だけでなく、製品上で昇温速度を測定してください。
ソーク
ソーク領域は、熱容量の小さい箇所と大きい箇所の温度差を抑えられます。熱的要因によるチップ立ちの軽減にも役立つ場合がありますが、ランド形状、ペースト量、搭載位置、左右のぬれの均衡も重要です。不要に長い、または高温のソークはフラックスの失活や酸化を招くため、慣習ではなく測定結果を根拠に設定します。
リフロー、ピーク、液相線以上の時間
最も温まりにくい対象接合部でも、合金の液相線以上に十分な時間とどまり、適切にぬれる必要があります。同時に、最も高温になる部品、パッド、積層板の位置は、それぞれの許容限界を下回らなければなりません。両条件を適度な余裕を持って満たす搬送速度とゾーン設定が、使用可能な設定です。
熱量不足は、ぬれ不足、ざらついた接合部、ヘッド・イン・ピロー、不導通の原因になり得ます。過大なピーク温度や保持時間は、部品の損傷、積層板の変色、金属間化合物の過成長、フラックス残渣の劣化、反りを引き起こす場合があります。温度を上げれば安全になるわけではありません。
冷却
冷却もプロファイルの一部であり、はんだ付け後の空き時間ではありません。TIは分類試験の文脈で、J-STD-020のピークから液相線に向かう最大冷却勾配6°C/秒を紹介しています。量産の目標はペーストと部品の指針に従い、炉が制御できる範囲に収めます。極端な急冷はパッケージや基板に応力を与え、遅すぎる冷却は接合部の微細組織を変え、熱暴露を長引かせます。
連続昇温型とソーク型の選び方#
連続昇温型（ramp-to-peak）は、リフローに向かってより連続的に温度を上げます。実装品が均一に温まる場合、フラックス活性を保ち、熱暴露時間を短縮できます。ソーク型はリフロー前に一定の温度帯で保持または緩やかに昇温し、温度差ΔTの大きい基板の温度均一化を助けます。
どちらかが常に優れているわけではありません。ペーストメーカーの推奨範囲から始め、実基板を測定し、最も低温の接合部と最も高温の敏感な箇所がともに限界内に入る形を選びます。別の実装品で使えたという理由だけで選ばないでください。
実装品の温度プロファイルを測る手順#
- 代表性のある基板を選ぶ。予定する積層構成、銅、表面処理、部品、ペースト、キャリアや治具を使用します。
- 高温・低温になりそうな箇所を選ぶ。基板端近くの小型受動部品、グランドプレーンにつながる中央の接合部、大型BGAやコネクタ、最も温度に敏感なパッケージを含めます。
- 細い熱電対を確実に固定する。可能ならはんだ接合界面で温度を測ります。パッケージ温度の限界を検証するときは、部品メーカー指定の測定位置に従います。TIは自社部品について、パッケージ上面中央に細い熱電対を固定する方法を説明しています。
- 校正されたプロファイラで測定する。実基板を炉に通して温度履歴を記録し、各チャンネルをペーストと部品の制限と比較します。
- 管理する変数を一つずつ調整する。搬送速度は全ゾーンの滞在時間を変えます。ゾーン温度は曲線の一部を変えますが、気流や基板の熱応答遅れを通じて相互に影響する場合があります。
- 繰り返して確認する。一度合格しただけでは工程の再現性は証明できません。複数の実装品で確認し、プロファイルを製造記録に残します。
基板内の温度差ΔTを管理する#
ΔTは、サイクル中の評価に適した時点で、監視箇所の最高温度と最低温度の差を表します。大きな銅プレーン、シールド、厚いコネクタ、基板中央のBGAは、露出した小型部品より温まりが遅いことがあります。低温側の接合部がようやくペーストの条件範囲に入る一方、小型パッケージが上限に近い場合、量産時の余裕はほとんどありません。
対策として、より緩やかな温度均一化、搬送速度の調整、一部ゾーンの変更、気流改善、キャリアの再設計、実装構成やレイアウト変更などが考えられます。設計レビューで銅分布やサーマルリリーフを適切に選べば、炉のレシピ作成前からPCB実装工程の安定性を高められます。
代表的なリフロー不良の診断#
| 症状 | プロファイルで確認する点 | そのほかの確認点 |
|---|---|---|
| ぬれ不良・不導通 | 低温接合部のピーク、液相線以上の時間、フラックス活性化、酸化への暴露 | 表面処理の状態、汚染、ペーストの経時劣化、印刷量 |
| はんだボール・ビーズ | 初期昇温、溶剤の放出、ソーク時間 | ステンシル開口、ペーストのだれ、レジスト形状、搭載圧力 |
| チップ立ち | 両端の加熱バランスとぬれのタイミング | パッド形状、ペーストの左右対称性、搭載位置、部品端子 |
| ヘッド・イン・ピロー | ピーク、液相線以上の時間、リフロー中のパッケージ・基板の反り | ペースト転写、はんだボールの酸化、パッケージのコプラナリティ、支持方法 |
| ボイド | 昇温・ソーク挙動、揮発成分が抜ける時間 | 開口設計、ペースト組成、パッド設計、ビア構成 |
| 変色・損傷 | 過大なピーク、保持時間、リフローの繰り返し | 部品定格、積層材料の耐性、水分管理 |
この表は診断の手がかりであり、原因を証明するものではありません。リフロー不良は通常、設計、材料、印刷、搭載、温度履歴の相互作用によって生じます。
吸湿、窒素、リフローの繰り返し#
適切な温度プロファイルでも、部品の開封後使用可能時間はリセットされません。吸湿に敏感な部品はJ-STD-033と部品メーカーの指示に従って保管・管理し、必要に応じてベーキングします。許容露出時間を超えたパッケージを加熱すると、測定曲線が限界内でも剥離やクラックが生じることがあります。
窒素は酸化を抑え、一部の実装品でぬれの工程余裕を広げますが、清浄な表面、適切なフラックス、管理されたプロファイルの代わりにはなりません。量産で実際に使う雰囲気で工程を検証してください。両面実装では、1面目の部品が2回目の熱サイクルを受けることがあり、局所修理ではさらに熱暴露が加わる点も考慮します。
量産条件設定のチェックリスト#
- 合金、ペースト製品、保管・取り扱い規則を確定する。
- 部品のピーク温度、許容時間、MSL、リフロー回数の制限を確認する。
- 最新のペーストデータシートから初期曲線を定める。
- 実装品の代表的な高温・低温箇所に測定器を取り付ける。
- 昇温、ソーク、液相線通過、TAL、ピーク、冷却、基板内ΔTを記録する。
- 製品に適した合否基準で初品を検査する。
- 機能試験を行い、リスクに応じて隠れた接合部をX線や断面で確認する。
- 炉、ライン、搬送条件、雰囲気、プロファイラの詳細とともに承認レシピを固定する。
- ペースト、BOM、部品供給業者、レイアウト、積層構成、キャリア、炉の保守、ライン移管に重要な変更があれば再測定する。
公式参考資料#
- IPC規格の改訂一覧でIPC-7530とJ-STD-020の最新版を確認できます。
- Texas Instruments：鉛フリーはんだ付けにおける顧客基板の実装リフロープロファイル。
- Texas Instruments：鉛フリーはんだ付けのリフロープロファイル。
- Kester SAC305合金の技術資料。
よくあるご質問#
鉛フリーリフローの一般的なピーク温度は？
多くのSAC系工程では235～250°Cを起点に条件検討を行いますが、共通の量産目標はありません。ペーストメーカーの条件範囲を用い、実測で余裕を確認しながら、すべての部品とPCB材料の限界を下回るようにします。
SAC305の液相線温度は？
KesterはSAC305の溶融範囲を217～219°Cとしています。実装品に使う正確な合金とペーストの仕様を確認してください。
基板は液相線以上に何秒とどまるべきですか？
一部の鉛フリーペーストでは約45～90秒が一般的な初期目安ですが、承認値はペーストの技術データシートと接合部の実測結果から決める必要があります。
熱電対はどこに取り付けますか？
高温・低温になると予測される接合部、熱容量の大きい箇所、温度に敏感なパッケージに配置します。追加の熱容量を最小限にして確実に固定し、パッケージの上限を確認するときはメーカー指定位置に従います。
リフロー設定でチップ立ちは直せますか？
熱的不均衡は軽減できますが、チップ立ちはパッド形状、銅バランス、ペースト量、搭載位置、端子のぬれにも左右されます。レシピを変える前にすべての要因を診断してください。
実装品のプロファイルはいつ再測定しますか？
PCB、搭載部品、ペースト、供給業者、キャリア、炉、搬送条件、雰囲気、生産ラインに大きな変更があった場合、または傾向データから既存の余裕が変わったと判断される場合に再測定します。