窒素リフローに関する10の誤解を解く（その1）

まず、組立エンジニアが不活性はんだ付けで窒素を使用する本当の理由から説明しましょう。それは、高温の金属表面と反応してはんだ付け不能な膜を形成しないガスの中で、窒素が最も安価だからです。それだけのことです。 以上です。リフローに窒素を使用する人々は、窒素に何か素晴らしい特性があるから使っているのではなく、酸素や水分の含有量が少なく、加熱中の金属表面の酸化を防止または遅らせるのに十分なレベルまで酸素をパージ（希釈）できるから使用しているのです。

不活性（非反応性）ガスを用いたあらゆるプロセスを理解するには、私たちが利用可能な最も豊富なガスである空気の組成を理解する必要があります。空気は、約78％が窒素、20.9％が酸素、0.9％がアルゴンで構成されており、その他に二酸化炭素などの微量のガスや、量にばらつきのある水蒸気が含まれています。 水蒸気は最大で約4％に達することもありますが、もちろん、このレベルでは他のガスの濃度を（96/100）だけ希釈することになります。計算に誤りがあるのではないかと懸念される方のために、念のため補足しておきます。酸素濃度（20.9％）は209,000ppm（100万分の1）に相当します。 ppmという単位は、0.01％＝100ppmのように、低濃度の領域でははるかに有用な測定単位となります。また、分数表記（ppmまたは％）は体積分率と相関しており、理想気体の式から、モル分率とも相関している点に留意することが重要です。

今回はその誤解の半分について説明し、残りの半分は次回に回します。

誤解その1：「窒素は酸化物を除去する」
事実：リフロー温度で使用される窒素には、フラックス作用（酸化物除去作用）は一切なく、この温度域ではいかなる物質とも化学反応を起こしません。窒素が酸化や（フラックスで洗浄された表面の場合）再酸化を防止・遅延させるのは、単に窒素が酸化性ガスではないという理由に過ぎません。 フォーミングガス（水素と窒素の混合ガス）はこれとは大きく異なり、これについては今後の記事で詳しく説明します。

誤解その2：「窒素は熱伝達を向上させる」
事実：はんだ付け工程において、窒素は実質的な熱的影響を与えません。同じ圧力および温度下における気体間の熱伝達は、気体の分子量によってのみ決まります。窒素の分子量は28、酸素の分子量は32とほぼ同じであるため、層流であれ乱流であれ、空気と窒素の熱伝達特性の差はごくわずかです。

誤解その3：「流入する窒素中の酸素濃度を測定すれば、オーブン内の酸素濃度もわかる」
事実：一見、密閉性が良好で不活性ガスが充填されたリフローオーブンであっても、実際には周囲の空気と窒素がある程度混ざり合っています。これは、単純な拡散（空気中の酸素分圧とオーブン内部の酸素分圧の差によって引き起こされる）や、開口部付近での窒素と空気の乱流による混合によって生じます。 実際のオーブン内で何が起きているかは、上の図に示されています。 オーブンに低流量の窒素を供給しても、ほとんど、あるいは全く効果はありません（a）。その後、流量を増やすと酸素濃度は低下しますが、大きな変動が見られます（b）。そして最終的に、可能な限り低い酸素濃度に達したプラトー状態（c）に到達します。しかし、乱流による混合によって、依然として外気からの酸素が混入し続けています。窒素の流量を増やすと、単に乱流が増大し、ひいては混合速度が増加するだけです。

誤解その4：「純度の高い窒素を使えば、より良い結果が得られる」
事実：標準的な極低温品質の窒素には、約2～5ppmの酸素が含まれています。密閉性の高いオーブンをパージしたとしても、供給ガスの酸素濃度とまったく同じレベルまで下げることはできません。酸素濃度が10ppmの窒素源を使用しても、10ppt（1兆分の1）の窒素源を使用しても、結果に違いは見られません。 上の図（c）からもわかるように、高純度ガスの効果は空気との混合によって完全に打ち消されてしまいます。

誤解その5：「窒素はすべてのはんだ付け欠陥を解消する」
事実：窒素は、濡れ性に関連する一部の欠陥の改善に役立ち、多くの場合、まあまあの（かろうじて許容範囲内）のはんだ付けプロセスを許容範囲内のものへと改善することができます。 もう一つの事実：窒素は、リードフレームやその他の表面への濡れ（「ウィッキング」）を制御不能に増大させるだけでなく、はんだスパッタを引き起こしたり、ダイの傾き（パワー半導体アセンブリ）やトゥームストーニング（ SMT）の原因となる可能性もあります。

続きは次回。この記事のパートIIはこちらをご覧ください。

乾杯アンディ