SMT（表面実装技術）の回流はんだ工程において、濡れ不良は代表的なはんだ付け欠陥の一つであり、製品の信頼性や歩留まりに直接影響します。ここでは、濡れ不良を引き起こす主な要因を、材料、工程条件、設計、環境の観点から体系的に解説します。

材料要因

まず、はんだ合金の組成が濡れ性に大きく影響します。銀を含むはんだ合金（例：SAC305）は、銀を含まない合金と比較して濡れ性が良好ですが、その分コストは高くなります。銀含有量が低すぎる場合や配合が不適切な場合、十分な濡れが得られません。また、はんだ中に鉛などの不純物が混入すると、合金構造が乱れ、濡れ性が低下します。

はんだペーストの特性も重要です。粒径が粗すぎたり、分布が不均一な場合、流動性が低下し、パッド全体を均一に覆えなくなります。粘度が高すぎると流れが制限され、金属含有率が60%未満の場合は接合強度不足や虚はんだの原因になります。さらに、フラックスの活性が不足していたり、揮発が不完全な場合、酸化物が残留し、濡れを妨げます。

基板および表面処理も無視できません。セラミック基板は熱伝導率が高く、はんだが急冷されやすいため、濡れ不足を招くことがあります。金属コア基板では温度勾配の管理が重要です。OSP処理は皮膜が不均一または薄すぎると酸化しやすく、ENIG処理ではニッケル層が3μmを超えると、熱膨張係数差により接合部にクラックが生じる場合があります。HASL処理では、特にアルミ基板で不純物混入による濡れ不良が発生することがあります。

工程条件要因

回流温度プロファイルの設定は濡れ性に直結します。予熱工程で昇温速度が2～3℃/sを超えると、はんだ表面が酸化しやすくなります。一方、予熱不足でははんだが十分に活性化せず、流動性が低下します。ピーク温度が260℃を超えると酸化が加速し、245℃未満では合金が完全に溶融しません。保温時間が短すぎると濡れが不十分になり、長すぎると酸化が進行します。冷却速度が4℃/sを超える急冷では、内部応力が増大し、はんだ接合が脆くなります。

回流炉自体の性能も影響します。炉内の温度均一性が悪く、局所的に±2℃以上のばらつきがあると、濡れムラが発生します。窒素雰囲気を使用する場合、流量が50L/min未満では酸素が残留し、SnO?が生成され、濡れ性が著しく低下します。

設計およびレイアウト要因

パッド設計は濡れ性に直結します。パッド面積が0.5mm2未満と小さすぎる場合や、ドッグボーン形状の場合、はんだ量が不足し、濡れ面積が制限されます。また、BGAなどで放熱設計が不十分な場合、熱が局所的に集中し、はんだが早期に凝固することがあります。

部品配置にも注意が必要です。部品間隔が0.3mm未満の高密度配置では、ブリッジリスクが高まり、はんだの流動経路が制限されます。大型BGAやCSPでは、アンダーフィル工程がないと、重力の影響ではんだが下方に偏り、上部で濡れ不良が発生する場合があります。

環境および作業管理要因

湿度管理は非常に重要です。はんだペーストの保管湿度が30%RHを超えると吸湿し、回流時に水蒸気が発生して気泡やポップコーン現象を引き起こします。生産環境の湿度は40%RH未満に管理し、防湿包装や除湿設備の使用が推奨されます。

また、パッドや部品リード表面の油脂や指紋などの汚染物は、疎水層を形成し濡れを阻害します。そのため、プラズマ洗浄や専用洗浄剤による前処理が有効です。はんだペーストは開封後2～4時間以内に使用することが望ましく、搬送速度などの設備パラメータが±5%を超えて変動する場合は再校正が必要です。

代表的な事例と対策

BGAでボイド率が上昇した事例では、窒素流量不足による酸化が原因でした。流量を80L/minに増加し、保温時間を5～10秒延長することで改善しました。

QFPリードの虚はんだ事例では、リード表面のめっき厚不均一が原因でした。OSP処理リードへの変更、またはNiPdAuめっきへのアップグレードにより問題を解消しました。

検査および予防策

外観検査やAOIでは、はんだ表面の光沢、ボイド、くびれの有無を確認します。X線検査により内部構造を可視化し、未濡れやボイドを検出します。さらに、回流温度プロファイルを常時記録し、SPCに基づく工程管理を行うことが重要です。

まとめ

濡れ不良は、材料、工程条件、設計、環境といった複数要因が重なって発生します。体系的な分析と実証に基づく対策により、発生リスクを大幅に低減できます。最終的には、標準作業手順書の整備と、設備および環境の定期管理が高信頼性SMT実装の鍵となります。PCBGOGOは、専門的なSMTサービスと厳格な品質管理体制により、濡れ不良のない高品質なPCB実装を提供しています。