ウェイブソルダリング について，プリント基板上の電子部品を素早くはんだ付けしたいと思いませんか？手作業ではんだこてを使ってはんだ付けするのは時間がかかりますよね。また、長時間煙を吸うのは危険です。だからこそ、他の方法でハンダ付けをしたいと思わない人はいないだろう。幸運なことに、もうひとつの標準的なハンダ付け方法があり、しかも超高速です。何のことだかわかりますか？それは「ウェーブはんだ付け」です。
このハンダ付け方法を使えば、短時間で数枚のプリント基板を作ることができます。というわけで、今回の記事はウェーブはんだ付けについてのお話です。お楽しみに。
1、ウェイブソルダリング
1.1 波動はんだ付けとは？
表面実装技術がまだ完全に発達していなかった頃、「ウェーブはんだ付け」は非常に有名なはんだ付け技術でした。ほとんどすべてのプリント基板で、電子部品の配置にウェーブはんだが使用されていました。ウェイブソルダリング、大量のプリント基板を短時間で作ることができるはんだ付け方法です。
プリント基板を液化したハンダの鍋の上に置く。このとき、ポンプでハンダを波のように噴出させます。この波がプリント基板の上に押し寄せ、電子部品がプリント基板にはんだ付けされるのです。つまり、ハンダとロックの接触が魔法をかけるのだ。
その後、プリント基板に風や水を吹き付けて安全に冷却します。この冷却プロセスにより、部品は所定の位置に固定される。さらに、ウェーブはんだ付けは通常、窒素を使用したシールドガス環境で行われ、はんだの欠陥を軽減します。図1は、プリント基板上に電子部品を配置し、はんだ付け装置の下で準備を整えているところです。
画像1：はんだ付け工程
1.2. ウェイブソルダリング – 技術詳細
技術的には、錫の容器を丸ごと使って溶接する方法です。錫は高温にさらされて棒が溶け、溶けた錫ができます。液化した錫は「湖水」として捉えられる。湖が静止して水平な状態を「水平波」という。また、湖に波があるときは「スポイラー波」と呼ばれる。
プリント基板はボートに例えられる。荒れた湖や穏やかな湖の上に浮かび、錫で電子部品を基板に付けることができる。錫浴の後、急速に冷えて、はんだがその役目を果たすのがわかるだろう。それは何でしょう？もちろん、電子部品をプリント基板にはんだ付けするのである。
さらに、この工程では温度が適切であることを確認する必要があります。温度管理が十分でないと、回路基板に機械的なストレスがかかります。それがひいては、導電性の低下やクラックの発生につながるのです。また、はんだ付け温度が低いと、はんだの厚さが不適切になり、さらに基板のストレスにつながります。
1.3 どんなときにウェーブはんだを使うのか？
幸いなことに、ウェーブはんだ付けは、表面実装型とスルーホール型の両方のプリント基板アセンブリに使用することができます。表面実装では、プリント基板の表面に電子部品を配置装置で接着する必要があります。その後、液化したはんだの波を通過させる準備をします。
一般に、ウェーブはんだ付けは、スルーホールの電子部品の溶接に多く用いられる。そのため、表面実装部品を主に使用する大規模なアプリケーションでは、ウェーブはんだ付けではなく、リフローはんだ付けを使用することができる。では、リフローはんだ付けとは何なのか？ご安心ください。
しかし、主にスルーホール部品を使用するアプリケーションでは、常にウェーブはんだ付けを使用することができます。さて、ここまででウェーブはんだ付けの基本的な考え方がお分かりいただけたと思います。次の章では、ウェーブはんだ付けのプロセスを詳しく説明しました。
2、ウェーブはんだ付けプロセス
2.1 ウェイブソルダリングマシン
市場では、様々な種類の波動はんだ付け装置に出会うことができます。鉛の波動はんだ付け装置を買うことも、鉛フリーの波動はんだ付け装置を買うこともできます。それはすべてあなた次第です。しかし、これらの機械の大原則と基本的な部分はすべて同じです。コンベアは、このプロセスで使用される重要な部品です。プリント基板を様々なゾーンに運びます。
続いて、一次波を発生させるためのハンダとポンプのパンが出てくる。さらに、フラックスの噴霧器と予熱パッドもある。これら4つの主要部品で、はんだ付け装置は構成されているのです。半田付け機の半田は、ほとんどが金属の混合物でできている。
有鉛はんだであれば、鉛が49.5％、錫が50％、アンチモンが0.5％である。しかし、最近の機器では、健康への配慮から鉛を含まないモデルも登場している。そこで、錫-銅-ニッケル、錫-銀-銅の合金が多用されている。図2は、ウェーブはんだ付け装置のイメージ図である。
画像2：ウェーブはんだ付け装置
2.2 ウェーブはんだ付けの温度
現在、はんだ付け用の錫合金は、Sn60/Pb40とSn63/Pb37が常用されています。そのため、使用温度は260°±5°C程度を保つようにすることが推奨されています。それにもかかわらず、PCBと部品の全体的な重量も考慮に入れる必要があります。
実際には、重い部品は280°Cまで加熱することができます。熱に敏感な軽量部品は、230℃という低い温度で加熱することができます。さらに、予熱や搬送速度なども考慮するとよいでしょう。図3は錫を溶かす様子をクローズアップしたものです。
画像3：ウェーブはんだ付け
しかし、温度変化は液化した容器の流動性に影響してはんだ接合部の品質を損なうため、錫の温度よりも搬送速度を変えるのがベストです。溶接温度が高くなると、銅の溶解が始まり、全体のはんだ付けの品質管理ができなくなります。
2.3 フラクシング
ウェーブはんだ付けの際には、プリント基板の表面に液体フラックスを塗布する必要があります。フラックスを塗布することにより、電子部品のはんだ付け品質が向上することがわかります。これらの電子部品は、プリント基板や液状のものも含めて、保管時には大気中にさらされます。このような環境下では、部品が酸化してしまい、はんだ付けの品質に影響を与えます。
フラックスは、主に金属表面の汚れや酸化物を除去します。また、高温時に空気が金属表面と反応するのを防ぐための膜も作ります。そのため、はんだは簡単には酸化されない。しかし、ウェーブはんだ付けの際には、液化した錫を使用すると良いだろう。
現在、鉛フリーはんだ「SAC305」の融点は217℃前後です。また、フラックスはこのような高温に長時間さらされることはありません。したがって、変更を使用したい場合は、プリント回路基板が錫溶液を通過する前に追加する必要があります。
一般的に、フラックスは2つの手段で塗布することができる。まず、発泡性の変化剤を使う方法と、スプレーで添加する方法です。発泡性フラックスでは、フラックスが回路基板に付着して、それを通過することになる。この方法の大きな欠点は、変化が均一に加えられていないことが観察されることです。したがって、フラックスが存在しない部分では、はんだ付け不良が起こる可能性があります。
スプレー方式では、基板が通過する際にノズルからフラックスを吹き付けます。この方法の欠点は、基板の隙間からすぐに変化が与えられてしまうことだ。また、フラックスが基板前面の電子部品を直接汚してしまうこともある。さらに、変化を加工せずに、基板上にそのまま落としただけでは、基板の腐食も観察できます。
2.4 プレヒート
通常、一次波溶接を開始する前に予熱を行う。2℃/s～40℃/sの加熱速度で、上板の温度を65～121℃まで上げることができます。予熱が不十分だと、最高のはんだ付け結果を得ることができません。フラックスがPCBのすべての部分に行き渡らない可能性があるからです。逆に、予熱の温度を非常に高く設定すると、「無洗浄」のフラックスが苦手になります。さて、「無洗浄」の変化とは一体何なのかと思われる方のために、次のサブセクションで説明しました。
2.5 洗浄
洗浄工程では、プリント基板を脱イオン水や溶剤で洗浄し、フラックス残渣を除去します。しかし、洗浄を必要としない種類のフラックスが存在します。どれだかわかりますか？もちろん、はんだ付け後に残る “無洗浄 “の変化は良性のものだ。
しかし、気をつけていただきたいのは、用途によっては「洗浄不要」のフラックスを必要としない場合があるということです。それは、「無洗浄」の変化がプロセスの条件に影響されやすいからである。さて、ここまでで波動はんだ付けのすべてがおわかりいただけたと思います。次の章では、ウェーブはんだ付けと他のはんだ付けとの関係を説明します。
3、はんだ付けの種類
3.1 ディップ・ソルダリングとウェーブ・ソルダリング
ディップ・ソルダリングは、簡単に言えば、限られた範囲のソルダリング・プロセスです。ディップ・ソルダリングは、ウェーブ・ソルダリングと同様に、表面実装型とスルーホール型の両方の回路基板アセンブリに使用することができます。また、プリント基板の金属部分にはんだの雨が降ります。そのため、電気的・機械的に信頼性の高い接続が得られます。最後に、ディップはんだ付けは、自動はんだ付けプロセスの手動バージョンです。
3.2 リフロー・ソルダリングとウェーブ・ソルダリング
リフローはんだ付けは、表面実装部品をプリント回路基板に固定する最も有名な方法です。フラックスとソルダーパウダーを使ってソルダーペーストを作り、そのペーストを使ってハンダ付けします。そして、そのペーストを使って電子部品をコンタクトパッドに固定します。さらに、赤外線ランプやリフロー炉で加熱します。すると、はんだが液状化して接合部をつなぐことができるのである。
一方、熱風ペンシルを使って異なる接合部をはんだ付けすることもできる。図4は、プリント基板を組み立て、リフロー炉に投入しているところです。
イメージ4：ウェーブハンダ
さて、どの技法をいつ使えばいいのか、気になりますよね。一般的に、ウェーブはんだ付けはリフローはんだ付けよりも複雑だと言われています。ウェーブはんだ付けでは、プリント基板がはんだウェーブの中に留まる時間とプリント基板の温度を注意深く監視する必要があります。はんだ付けの環境が適切でないと、プリント基板が不良品になる可能性があります。
しかし、リフローはんだ付けでは、環境管理にあまり気を使う必要はありません。しかし、リフローはんだ付けよりもウェーブはんだ付けの方が安価で高速であることも知っておかなければならない。多くの場合、部品を基板にはんだ付けするには、ウェーブはんだが唯一の有効な手段となる。
リフローは主に小規模なアプリケーションに使用されていることに気づくだろう。このような用途では、信頼性が高く、安価で、高速なプリント基板の大量生産は必要ありません。意外かもしれませんが、リフローとウェーブを組み合わせて使うこともできます。片面にウェーブはんだを使い、もう片面にリフローはんだを使うことができます。
以上、ウェーブはんだの代替案をご紹介しました。しかし、次の章で紹介するように、もうひとつのはんだ付け方法があります。それは、ウェーブはんだ付けとの比較です。
4、選択式フローはんだ付け
4.1 選択式ハンダ付け装置
もし、ウェーブはんだ付けプロセスやリフロー炉でダメージを受ける可能性のある繊細な部品があったらどうしますか？高温を避けるためにはどうしたらいいと思いますか？あなたは、ウェーブはんだ付けやリフローはんだ付けで運試しをしたいですか？それとも、他の方法を希望されますか？幸いなことに、そこには選択的ウェーブはんだ付けがあります。
電子部品がリフローはんだ付けやウェーブはんだ付けに耐えられない恐れがある場合、選択的はんだ付けを行うと良いでしょう。市場には様々な種類の選択式はんだ付け装置があります。窒素挿入式の標準機やソルダーポット式のものなど、さまざまなものがあります。図5は、選択式ウェーブはんだ付け装置の例です。
イメージ5：ウェーブはんだ付け
4.2 選択式ウェーブはんだ付けのガイドライン
選択式波動はんだ付け装置を購入すると、ソフトやガイドラインが付属しています。一般的には、次の3つのステップを踏んで作業を行う必要があります。
– 液状フラックスを塗布します。
– プリント基板を組み立てるか、予熱する必要があります。
– サイトスペシフィック」ソルダーノズルを使ってハンダ付けをする必要があります。
4.3 選択式はんだ付けの問題点
選択式はんだ付けでは、以下のような問題が発生することがあります。
1. 銅パッドの溶解。高温により、銅パッドが溶融はんだに溶けてしまう。
2.はんだボールの発生 高温下でソルダーマスクが固着することにより、はんだボールが形成される。
3. はんだブリッジ 余分なはんだが2つのピン間に追加接続されることがあります。
4. はんだの糸引き。はんだノズルにはんだが残ってしまうことで発生します。
4.4 選択式波動はんだ付け装置のコスト
選択式ハンダ付け機と波動式ハンダ付け機のコストを比較したい場合、選択式ハンダ付け機の方が5倍も安くなることを知って嬉しくなるでしょう。その理由は、電気代、フラックスやはんだの消費量、洗浄、手直し、保護テープの貼り付けなどが少なくて済むからです。
これで、どのようなはんだ付け方法を採用するかを決めることができたと思います。しかし、最終的な決断をする前に、次の章でウェーブはんだ付けの欠陥、コスト、問題点についても触れている。
5、ウェーブはんだ付けの欠陥と問題点
5.1 ウェーブはんだ付けの欠陥と問題点
温度やはんだ付け環境が十分に管理されていない場合、ウェーブはんだ付け後に以下のような不具合が発生します。
– キャビティ
– クラック
– 導電性不良
– はんだ厚さの不足
これらはウェーブはんだ付けの数少ない問題点です。
– 電気、フラックス、はんだ、窒素などの消費量が多い
– はんだのリワークが必要
– 余分な箇所のマスキング
– はんだ付けされた組立品の余分な洗浄 ウェーブはんだのアパーチャーマスクまたはパレット
画像6: ウェーブはんだ付け
5.2 ウェーブはんだ付けのコスト
さて、ここまでの記事を読んで、あなたはウェーブはんだ付け装置のランニングコストを想像できましたか？選択式はんだ付けの場合は想像がつくと思います。上記のような問題や欠陥があるため、波動はんだ付けは5倍以上のコストになります。
6、おわりに
このガイドでは、ウェーブはんだ付けプロセスに関するすべてを説明しました。また、代替となるはんだ付け方法についても言及しました。私たちは、あなたがウェーブはんだ付けに関して持っているかもしれない疑問を解消することを目指しました。今、あなたは簡単にあなたのために適したはんだ付けのフォームと時間を決定することができます。
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