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1. 窒素ガスの使用で酸素濃度を下げれば、ハンダ付けに大きな効果が得られますか。
高密度実装ではハンダ量が限られ、印刷精度、部品搭載精度、ハンダ付け精度が要求されるため、基板のパターン面、クリームハンダ、部品電極の酸化防止が重要になります。炉内の酸素濃度を下げれば、明らかにハンダ付けが良くなります。ハンダの光沢、ハンダボール、ブリッジ、フィレットの形状が改善されるのが実験および生産にて実証されています。
脱フロン対策における無洗浄にするための条件として、低残渣用クリームハンダを使用する必要があります。ただしクリームハンダの種類と炉内の酸素濃度によって効果の現れ方が異なってきますので、注意しなければなりません。
クリームハンダRMAタイプ クリームハンダRMAタイプ
写真は0.5mmピッチQFPリード部の断面であるが、特にリード部先端の端面(金属素地)でのソルダの濡れ上がりに、N2雰囲気(炉内O2濃度:基板上部50mm)と大気との差が見られる。
一文字印刷
大気 大 気 O2濃度・50ppm 2濃度・50ppm
通常印刷
大気 大 気 O2濃度・50ppm 2濃度・50ppm
2. 酸素濃度を正確に測定することがなぜ必要ですか。
SMTにおける高密度実装および無洗浄化対応の低残渣クリームハンダでは、酸素濃度が重要となってきます。
大気中でのRMAタイプ 35%
RMAタイプ A低残渣(大気可) B低残渣(N2用)
大気中でのRMAタイプ 35% 低残渣用 5%未満
低残渣用クリームハンダの場合
低残渣用クリームハンダを使用する場合、大気中で使用されるRMAタイプの大気中の条件として濡れ性が35%を示すのと同じ条件を得るための酸素濃度は、6800ppmとか2800ppmとかクリームハンダの種類によって大きな差が生じてきます。
また低残渣用クリームハンダを大気中で使用した場合、5%未満の濡れ性しか得ることができなかったため、大気中での生産には不向きであると判断しました。
低残渣用クリームハンダの濡れ性
大気(21%) パターン全面積に対する濡れ性 5%
10000ppm(1%) パターン全面積に対する濡れ性 20%
5000ppm(0.5%) パターン全面積に対する濡れ性 30%
1000ppm(0.1%) パターン全面積に対する濡れ性 55%
100ppm(0.01%) パターン全面積に対する濡れ性 80%
大気用クリームハンダの場合
実験に用いたRMAタイプは大気中での生産に使用されているもので、実験結果では全パターン面積に対して、大気中で35%の濡れ性を示しました。酸素濃度を5000ppmまで下げると85%となり、50%も濡れ性が向上しました。
酸素濃度5000ppmでの生産が多いのは、RAやRMAたいぷでも酸素濃度を少し下げることで、生産時の歩留まり向上と良質のハンダ付けが可能になるからです。しかし大気用クリームハンダでは、酸素濃度10000ppm(1%)〜1000ppmの範囲では濡れ性の変化は15%程度しかありません。したがってこの範囲内では、酸素濃度の差に影響されにくいため、少々酸素濃度が変化しても品質に問題はありません。
大気中RMAタイプ
RMAタイプ A低残渣(大気可) B低残渣(N2用)
大気中RMAタイプ
また大気用クリームハンダ(RMAタイプ)が優れた濡れ性を示した5000ppmの条件と等しい条件は、低残渣用では300ppm〜100ppm位となります。
同時に低残渣用クリームハンダの濡れ性は、酸素濃度の変化に影響されやすいということがわかります。
低残渣用クリームハンダでは100ppmと1000ppmおよび1000ppmよ5000ppmのそれぞれで濡れ性に25%の開きが生じます。次項でも述べますが、ジルコニア式酸素濃度計の使用で、実際よりも1/3〜1/10も酸素濃度が低く表示されることを考えた場合、低残渣用のクリームハンダでの濡れ性にムラが生じ、生産時の不安定要因となり、不良発生率が高くなり、歩留まりの悪化につながります。だからこそ酸素濃度の正確な測定・数値が重要となってきます。
3. 酸素濃度測定器において、ジルコニア式と電極式の違いと長所・短所について。
ジルコニア式
長 所 価格が格安。
短 所 クリームハンダに含まれるフラックス成分のCO(一酸化炭素)やCmHn(炭化水素)等の可燃性ガスに反応して、実際より低い数値を示す傾向があります。
大気中の酸素濃度20.6%を基準ガスとし、700℃の高温下で酸素濃淡電池として作動するため、可燃性ガスの計測は不可能です。
フィルターを付けることでフラックス成分を除去することが可能だといわれていますが、フラックス成分に含まれる可燃性ガスを除くことは困難であるため、短期間の使用に限定されるようです。
 応答速度 :5秒以内
 起動時間 :20分
 電極の交換:通常1年(カーボン等の付着の際は交換)
電極式
長 所 オプション機能として可燃性ガス対応可能な特殊セルを使用しています。酸素の還元反応を原理として雰囲気中の酸素濃度を定量するため、正確な酸素濃度数値が得られます。
短 所 価格が高い。
消耗品として1年に1度電解液の交換が必要ですが、メンテナンスは不要です。
 応答速度 :30秒以内
 起動時間 :瞬時
 電極の交換およびフィルターは不要
応答速度や価格面でジルコニア式がよく使用されていますが、リフロー装置で使用されるクリームハンダには約10%のフラックス成分が含まれています。前述の通りジルコニア式では生産時にこのフラックスが反応して、実際よりも1/3〜1/10の低い数値が表示されてしまうため、リフロー装置には不向きであるといえます。
弊社で数回行ったテストによりますと、ほぼ次のような結果がでました。
これらの電極式・ジルコニア式酸素濃度計はスパンガスによりあらかじめ構成されており、ほぼ同等の数値が確認されています。
(1)電極式酸素計 エクセルリフロー N2仕様 酸素濃度試験
デルタF社製
型式:PA3XX10型
電源:230VAC
出力:0〜5mVDC
測定範囲:0〜0.1/1.0/10%
STAB-EL セル
No.396号機 ER-500CN (予)1500mm
実施日 平成4年11月5日( )担当者
供給ガス コンベアスピード 1.0m/min
開口部高さ(基板面より)上20mm 下20mm
強制排気(予)0φ (リ)0φ (冷)0φ
コンベア巾
(mm)
風速 2濃度(ppm) 2流量バランス(L/min) 備考
予熱前 予熱後 リフロー 冷却 トータル
流量
圧力
(kgf/cm2
入口 予熱前 予熱後 リフロー 冷却 NO5
テスト時
100 222 169 106 118 200 2.8 20 40 100以上 40
※新しく製作された装置では、N2流量185L/minにてリフロー部87ppmまで測定しています。
(2)ジルコニア式酸素計 エクセルリフロー N2仕様 酸素濃度試験
東レエンジニアリング(株)製
形式:LC-700H
電源:AC100V±10V
出力:0〜10mVDC
測定範囲:0〜0.25/25/100%
No.396号機 ER-500CN (予)1500mm
実施日 平成4年11月5日( )担当者
供給ガス コンベアスピード 1.0m/min
開口部高さ(基板面より)上20mm 下20mm
強制排気(予)0φ (リ)0φ (冷)0φ
コンベア巾
(mm)
風速 2濃度(ppm) 2流量バランス(L/min) 備考
予熱前 予熱後 リフロー 冷却 トータル
流量
圧力
(kgf/cm2
入口 予熱前 予熱後 リフロー 冷却 NO5
テスト時
100 92 64 32 36 200 2.8 20 40 100以上 40
電極式酸素濃度計とジルコニア式酸素濃度計の比較
電極式酸素濃度計 ジルコニア式酸素濃度計
1リフロー部 920ppm512ppm
2リフロー部 121ppm72ppm
3リフロー部 106ppm32ppm
※ジルコニア式濃度計ではエクセルリフローの実力窒素量 230L/minで30ppm
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