皆さん、
この投稿は、INDIUMCORPORATIONの「ThePrinted Circuits Assemblers Guide to Solder Defect」からのグレーピングに関する抜粋です。
はじめに
個人用電子機器の成長に伴い、能動・受動電気部品の小型化ニーズがますます高まっています。この小型化の傾向は、RoHSに準拠した鉛フリー・アセンブリの要求とともに、グレイピング効果などのさらなる課題を生み出しています。
はんだペーストの堆積物のサイズが小さくなると、露出したはんだ粒子の相対的な表面積が増加し、表面酸化物を除去するために利用可能なフラックスの量が減少します。これに加え、ほとんどの鉛フリーはんだのリフローに必要な熱量が増加するため、グレーピング現象が発生しやすくなります。加熱プロセス中、フラックスの粘度が低下して下方と外側に広がり始めると、はんだ粒子がはんだペーストの堆積物の上部に露出します。フラックスが近くにない場合、はんだペーストがリフローのランプまたはソーク段階に入ると、これらのはんだ粒子が酸化する可能性があります。これらの酸化物は、はんだが液相化したときに粒子が完全に合体して均一なはんだ接合部になるのを阻害します。図1に見られるように、未リフローの粒子はブドウの房のように見えることがよくあります。
図1.グレーピング効果。
ステンシル印刷
面積比（AR）はステンシル印刷を成功させる上で重要な指標である。これはステンシル開口部の面積を開口部側壁の面積で割ったものとして定義される。図2は正方形/長方形および円形開口部の概略図である。単純に計算すると、ARは円の直径(D)をステンシル厚さ(t)の4倍で割ったもの、すなわちAR=D/4tに単純化される。少し驚くことに、正方形の開口部でも結果は同じで、Dは正方形の辺に等しくなる。矩形アパーチャーのARについては、式はもう少し複雑になる：ab/2(a+b)t、ここでaとbは矩形の辺である。
図2.矩形および円形開口部の概略図。
It is widely accepted in the industry that in order to get good stencil printing, the AR must be greater than 0.66. Experience has shown that if the AR <0.66, the transfer efficiency could be low and erratic, although this has gotten better with advances in solder paste technology.
移動効率
もう一つの重要なステンシル印刷の指標である転写効率は、ソルダーペーストの堆積量を開口部の体積で割ったものとして定義されます。微細なステンシル印刷に対応するため、印刷プロセスを最適化するために、より微細な粉末を配合したソルダーペーストを検討することは珍しいことではありません。しかし、ソルダーペースト内の粉末粒子のサイズが小さくなるにつれて、露出する表面積の相対的な量が増加します。この表面積の増加に伴い、表面酸化物の総量も増加します。この表面酸化物の増加により、フラックス薬品は酸化物を除去し、リフロープロセス全体でパウダー、部品、基板のメタライゼーションの表面を保護するために、さらに強く働く必要があります。
3mil厚のステンシルでは、6milの正方形開口部のARは6milの円形開口部のARと同じである：0.50.しかし、この2つを比較すると、正方形のはんだペーストの堆積量は円形の堆積量（85立方ミル）よりも大きい（～108立方ミル）。正方形の開口部によってはんだペーストの体積が増えるため、グレーピングが減少する可能性があります。しかし、より重要なのは、正方形開口部による転写効率の向上です。正方形の開口部設計は、より一貫した転写効率を提供し、一貫性のない堆積はより少ない体積を意味するため、グレーピングの可能性をさらに低減します。
SMDパッドとNSMDパッドの比較
はんだマスキング実験の結果、SMD（Solder Mask Defined）パッドではグレーピング効果が少ないことが示されている。ソルダーマスクがバリア（ダム）となり、加熱プロセス中のフラックスの広がりを抑制し、酸化物を除去してさらなる酸化から保護するフラックスの潜在的な利用可能性を高めると考えられています。ソルダーマスクはまた、近接するはんだペースト粉末粒子をさらなる酸化から保護するバリアとしても機能します。
水溶性と無洗浄の比較
無洗浄フラックス化学物質は、一般的にロジン/樹脂ベース（以下、樹脂と呼ぶ）の処方である。樹脂は水溶性フラックスに使用される溶剤にはあまり溶解しないため、水溶性フラックスでは一般的にポリマーなどの高分子化合物に置き換えられる。フラックス化学物質内の活性剤（複数可）は、はんだペースト自体のはんだペースト粉末粒子と同様に、接合面上の現在の酸化物を除去します。さらなる酸化/再酸化は加熱段階で起こります。無洗浄フラックスに含まれる樹脂は優れた酸化バリアで再酸化を防ぎますが、水溶性フラックスには樹脂が含まれていないため、耐酸化性という点では不十分です。
したがって、同じリフロー・プロファイルの場合、一般に水溶性薬品の方が活性が高いが、水溶性薬品の耐酸化性が低いため、長時間のプロファイルや高温のプロファイルでは感度が高くなり、グレーピング欠陥が発生する可能性が高くなる。
ランプ・トゥ・ピーク vs ソーク
長年にわたり、リフロー・プロファイルは「ソーク・タイプ」が主流であった。しかし、時が経つにつれて、望ましいリフロー・プロファイルとしてランプ・ツー・ピーク（RTP）に焦点が移ってきました。このシフトの背景には、鉛フリーはんだに関連する高いリフロープロセス温度と、より小さなペースト堆積物や温度に敏感な部品や基板ラミネートの総熱露出を減少させる必要性があります。ソークプロファイルのもう一つの利点は、ボイドの発生を抑えることです。ただし、鉛フリーはんだの表面張力が大きく、リフローに使用する温度が高いため、鉛フリーはんだではそれほど効果的ではありません。
グレーピングを最小限に抑えるには、オーブン時間を短くする方がよい。ただし、TAL（time-above-liquidus）とピーク温度を同じにすることが条件である（図3を参照）。ソークプロファイルは通常、RTPプロファイルよりも多くのグレーピングを生じる。グレーピング効果は、オーブン内の総加熱時間が長くなるにつれて悪化する。総加熱量を減少させると、グレーピング効果は劇的に減少する。1℃/秒のランプレート（常温からピークまで）が一般的に推奨されており、これはピーク温度245℃まで約3分40秒に相当する。
図3.典型的な鉛フリーリフロープロファイル。
結論
グレーピング効果を低減するためには、最適な印刷とリフロー工程を確保することが不可欠である。面積比に関するガイドラインを使用し、適切なプロセス/装置セットアップを行うことで、良好な転写効率が得られます。円形開口設計と正方形開口設計の面積比は同じでも、円形開口設計ではペースト量が減少し、転写効率が低下するため、グレーピングの可能性が高くなります。
リフローの観点からは、総入熱量を減少させることで、その影響の可能性を減少させることができる。1℃/秒のランプ速度を持つRTPタイプのプロファイルを使用することを推奨する。
材料要因も結果に影響する。ソルダーペーストの粒径が小さくなり、表面酸化物の面積が増加すると、グレーピングの発生が増加します。水溶性ソルダーペーストは、無洗浄ソルダーペースト用の樹脂のような酸化バリアを提供しないため、グレーピング現象が発生しやすくなります。
乾杯
ロン博士
