【基礎から学ぶ基板】はんだ付けの仕方の違い～フローとリフローとは？～

電気電子系は難しいイメージを持たれがちですが、基本から順番に抑えていけばそれほど難しくはありません。
どんな分野にも言えることですが、最初はよくわからないものですから。
本記事では、電気初心者の方でもわかりやすいように、順を追って説明していきます。
じっくり学んでいきましょう！

今回は、「はんだ付けの仕方の違い」についての説明です。

１．初めに
２．フローとは？
３．リフローとは？
４．フローとリフローを組み合わせる場合の順番

１．初めに

リフロー炉というプリント基板に電子部品を多数まとめて実装するための装置があります。
この装置のおかげでプリント基板の部品実装が容易になっています。

ですが、“リフロー”って何でしょうね？
また、あまり聞かないかもしれませんが、“フロー”という用語もあります。

ということで、今回はフローとリフローとはそもそも何なのか、フローとリフローの違いは何なのかについてまとめてみました。

２．フローとは？

フローとは、フローはんだ付けを略した言い方です。

フローは、あらかじめ溶かしてあるはんだで満たしたはんだ槽を用意して、その上を基板に通過させた際に溶かしたはんだを噴き上げることではんだ付けをします。
半田面のはんだ付けに用いられるということですね。

チーズフォンデュはパンや肉などをチーズでフォンデュする(？)わけですが、フローの場合はプリント基板をはんだでフォンデュする(？)ということです。

半田面なのでDIPタイプの部品(基板の穴にリードを挿して裏側からはんだ付けすることで固定する部品)のはんだ付けが主になりますが、SMT部品が無いとも限りません。
仮にSMT部品があった場合、部品を専用のボンド(接着剤)で仮止めした状態でフローはんだを行います。
そうしないと普通に部品が落下しますからね(笑)

はんだの噴き上げは1次噴流と2次噴流の2段階存在します。

1次噴流

様々な角度から勢いを付けて噴流して、全体にはんだを行き渡らせる。若干多めにはんだを盛る。

2次噴流

はんだの付き過ぎやはんだブリッジを低減するためにはんだを噴流する。

確実に固定して、その後に調整しているわけですね。

フロー工程を大まかにまとめると以下のようになります。

１．SMT部品をボンドで固定する。
２．DIP部品を搭載する。
３．半田面にフラックスを塗布する。
４．1次噴流で大まかにはんだ付けする。
５．2次噴流で仕上げする。

フローは、半田面のみが熱されるので部品に対する温度負荷は少なく、一気にはんだを吹き付けるので多くの部品をまとめてはんだ付けできるというメリットがあります。
その反面、配置されている部品の密集具合や高さの関係でどうしても均一にはんだを当てることができないというデメリットがあります。
ついでに言うと、はんだ付けしなければならない箇所以外にも万遍なくはんだが吹き付けられるので、どうしてもはんだブリッジが発生しやすいです。
はんだを吹き付けるので、基板に穴が空いていると径の大きさによっては部品面に飛び出してしまいまうこともありますし、耐熱性や部品重量の関係でメーカがフローはNGとしていることもよくあります。

まあ、メリットがあればデメリットもあるものですから…。

３．リフローとは？

リフローとは、リフローはんだ付けを略した言い方です。

リフローは、クリームはんだと呼ばれるペースト状(目で見てもわからないけど実際は数ミクロンの粒状)のはんだを部品を実装するパターンの銅箔露出部の上に塗り、その上に電子部品を配置した状態でリフロー炉を通すことではんだ付けをします。

瞬間接着剤でくっつけたい部品Aと部品Bがあった場合、片方の部品に接着剤を塗って、そこにもう片方の部品をくっつけるでしょう？
それとやっていることは同じです。
プリント基板にクリームはんだ(接着剤代わり)を塗って、そこにくっつけたい部品を載せているだけです。

具体的な工程を記述していきますね。

１．ガーバーデータを基にメタルマスクを作る。

ガーバーデータとは、基板に部品を実装するためのデータのことです。
簡単に言えば、部品面・半田面のどこに何を配置するかがわかるようになっているデータです。
このデータを基にメタルマスクを作ります。

『リフローは部品を実装するパターンにクリームはんだを塗る』と言いましたが、普通に考えてどうやってパターンだけにはんだを塗るのかが気になりますよね？
そこで出てくるのがメタルマスクです。
メタルマスクとは、部品を実装するパターンに当たる箇所のみ穴が開いた金属板のことです。

２．クリームはんだを塗る。

基板の上に部品を実装するパターンが合うようにメタルマスクを重ねます。
この状態でスキージと呼ばれるヘラを用いてクリームはんだを塗ります。
こうすることで、不要な箇所にクリームはんだを塗らないようにしています。
ちなみに、慣れていないとメタルマスクは簡単にズレるので、結構難しいです。
ミスしたら拭き取れば良いだけの話ですけどね。

３．部品を配置する。

クリームはんだを塗った個所にマウンターという装置を使って部品を配置します。

４．リフロー炉を通す。

クリームはんだを熱して溶かして、部品をはんだ付けします。
はんだ付けした後は常温で風を当てて冷やして完成です。

半田面にも部品を実装する場合は基板をひっくり返してもう一度リフロー炉を通す…とも限りません。
コネクタなどの重い部品以外、つまりチップ抵抗やセラミックコンデンサくらいなら半田面に配置して裏返してもクリームはんだでくっついた状態になります。
なので、そのままリフロー炉を通すと部品面も半田面も部品を一気に実装できます。

半田面にもコネクタなどを配置する場合は、フローの時同様に専用のボンドで部品をくっつけてはんだ付けを行います。

ちなみに、リフローは精度の高いはんだ付けができる部分がメリットです。
必要な量だけはんだを使用するので、はんだブリッジなどの実装不良は発生しにくいです(※ しないわけではない)。
反面、DIP部品のはんだ付けができない部分とフローと比較してはんだ付けに時間がかかるという部分がデメリットになります。
リフローの場合はクリームはんだを塗るためのメタルマスクの設計も必要なので、炉を通す以外の部分でも全体的に時間がかかってしまうのです。