電子機器製造業界では、その精度と柔軟性を備えた選択はんだ付けは、PCBはんだ付けの重要なプロセスとなっています。しかし、選択はんだ付け装置を構成する際、多くの実務者は「窒素発生装置は必要なのか」という重要な疑問に直面する。この記事では、選択はんだ付け装置と窒素発生装置の密接な関係、およびはんだ付けプロセスで窒素が果たす中核的な役割について掘り下げ、電子機器メーカーが装置を選択する際の専門的な参考資料を提供します。
1.選択的はんだ付け技術の核となる課題：酸化。
選択はんだ付けは、回路基板上の特定のはんだ接合部をはんだ付けするために局所的な加熱を使用します。これにより、ウェーブはんだ付けのようなバッチプロセスによる熱に弱い部品へのダメージを効果的に回避できるため、以下のような精密部品を含む複雑な回路基板の処理に特に適しています。 BGA そして CSP.しかし、実際の生産では、 高温での酸化反応 はんだ付けの品質を制限する重要な要因である。
はんだ（従来の錫-lead合金であれ、環境に優しいleadフリーはんだであれ）が200～300℃の溶融状態に加熱されると、その表面は空気中の酸素と急速に反応し、緻密な酸化膜を形成する。この酸化膜には3つの課題がある：第一に、はんだの流動性を低下させ、はんだがパッドに到達しない冷たいはんだ接合部をもたらすこと、第二に、結果として生じる酸化スラグがはんだ付けノズルを詰まらせ、機械の停止時間と8時間ごとの清掃が必要となり、生産効率に深刻な影響を与えること、第三に、酸化によって生成される不純物がはんだ接合部の導電性を低下させ、振動環境において接触不良を起こしやすくすることです。
業界の統計によると、酸化によるはんだ付け不良は、選択はんだ付けにおける不良率全体の62%を占めている。自動車エレクトロニクス分野では、酸化によってリワークコストが平均18%増加します。このため、酸化問題への対処は、高信頼性生産シナリオにおけるプロセス最適化の中核目標となっています。
2.窒素発生装置：選択溶接のための酸化防止兵器
選択溶接装置の標準的な補助システムである窒素発生装置の中核機能は、溶接エリアに高純度の窒素環境を提供することです。PSA圧力スイング吸着または膜分離技術により、窒素発生装置は空気から最高99.999%の純度の窒素を直接抽出し、配管を介して溶接ノズル周辺に正確に供給し、局所的な無酸素地帯を作り出します。
製造業者にとって、窒素発生装置の導入は3つの直接的な利点をもたらす：第一に、溶接歩留まりの向上である。自動車用電子機器メーカーのデータによると、窒素保護を導入することで、はんだ接合不良率が3.2%から0.5%以下に減少した。第二に、設備メンテナンス・コストの削減：ノズルの洗浄サイクルが8時間から72時間に延長され、年間200回以上のダウンタイムが削減された。最後に、材料利用率の向上：スラグの減少により、はんだロスが約15%減少しました。技術的な観点から見ると、窒素の不活性特性は、溶接エリアから酸素を効果的に排除し（酸素レベルを50ppm以下に制御）、その結果、発生源での酸化反応を防止します。この「後洗浄の代わりにガスを隔離する」アプローチは、ハイエンドの選択溶接プロセスの標準となっている。
3.選択はんだ付けにおける窒素の役割
a.はんだの酸化防止：
窒素保護がない場合、溶融はんだは毎秒0.3μmまでの速度で酸化し、はんだ接合部あたり約1μmの厚さの酸化層を形成するのに相当します。しかし、窒素雰囲気であれば、酸素含有量を0.005%以下にまで減少させることができ、酸化反応速度を99%以上低下させることができます。
実際の生産現場では、窒素保護下の溶融はんだは銀白色の光沢を保っているのに対し、空気に触れたはんだはすぐに灰黒色に変色することが確認できます。この視覚的な違いは、はんだ接合部内の金属間化合物（IMC）の構造の大きな違いによるものです。酸素を含まない環境で形成されたIMC層は、より均一で緻密で、厚さは2～4μmの理想的な範囲にあるのに対し、酸化環境で形成されたIMC層にはクラックやボイドが見られる。
b.はんだ接合部の濡れ性を改善する：
不十分な濡れ性は「偽のはんだ接合」の主な原因であり、はんだが均一に広がるのではなく、パッド上に「ボール」を形成することで現れます。第一に、はんだの広がりに対する酸化皮膜の抵抗を低減し、はんだ接触角を60°以上から30°以下に低下させること、第二に、はんだの表面張力を低下させることです。実験データによると、窒素雰囲気は錫-銀-銅はんだの表面張力を約8%低下させます。
この改善は、携帯電話のマザーボードのような高密度のはんだ接合において特に重要です。ある通信機器メーカーのテストでは、0.4mmピッチのはんだ接合部のブリッジ率が、窒素を使用することで12%から1.3%に低下し、製品の信頼性が大幅に向上しました。
c.はんだボールとブリッジの低減：
はんだボールとブリッジは、回路基板の絶縁性能に悪影響を及ぼす重大な欠陥です。第一に、安定した気流がはんだスパッタを抑制し、はんだボールの数を70%以上削減します。第二に、はんだの流動性を向上させ、より正確なはんだ接合部の形成を可能にします。第三に、はんだの冷却を促進し（窒素の熱伝導率は空気の1.2倍）、液体はんだの流動時間を短縮します。この役割は、自動車用ECU回路基板の生産において特に重要である。あるメーカーが窒素保護を採用した後、基板1枚当たりの平均はんだボール数は15個から3個未満に減少し、はんだボールに起因する機能テスト不良の問題が完全に解消された。
d.はんだ接合部の外観と信頼性の向上：
窒素保護下では、はんだ接合部は均一な銀白色を呈し、ピンホールやへこみなどの外観上の欠陥はない。さらに重要なことは、機械的特性が著しく向上することです。引張せん断強度は約10%向上し、-40℃～125℃の温度サイクル試験では、はんだ接合部の破壊サイクルが500サイクルから1,500サイクル以上に延長されます。
医療用viceなど、長いライフサイクルが要求される分野では、この信頼性の向上が製品の競争力に直結します。あるモニターメーカーの追跡データによると、窒素を使用してはんだ付けされた製品のフィールド故障率は65%、顧客からの苦情は72%減少しています。
4.溶接装置用窒素発生装置選定のポイント
a.窒素の純度：
民生用電子機器では99.99%（フォーナインズ）の純度が許容されるが、自動車用電子機器、航空宇宙、その他の分野では99.999%（ファイブナインズ）の純度が要求される。純度不足は保護効果を損なう可能性があり、酸素含有量が100ppmを超えると酸化抑制効果が著しく弱まる。
窒素発生装置を選択する際には、その純度の安定性を考慮してください。高品質の装置は、入口圧力の変動が±10%で、純度変動が0.001%以下を維持できる必要があります。保護効果をリアルタイムでモニターするために、オンライン酸素含有量モニターも推奨される。
b.窒素流量：
流量計算では、溶接面積の体積、溶接速度、および板 間隔の3つのパラメーターを考慮する。一般に、溶接ノズル1個に必要な窒素流量は10～20 L/分である。複数のノズルは、実際のノズル数に応じて積み重ねる必要がある。流量が不足するとleadから空気が侵入し、流量が過剰になると無駄が生じる（流量が10L/min増えるごとに、年間操業コストが約3,000元増加する）。
インテリジェント窒素ジェネレーターは、自動流量調整機能を備えており、リアルタイムで溶接プロセスに窒素供給を適応させ、固定流量システムに比べて20-30%のエネルギーを節約します。
c.機器の安定性と信頼性
窒素発生装置の平均故障間隔（MTBF）は少なくとも8,000時間であるべきであり、中核部品（アドソrptionタワーやソレノイドバルブなど）は少なくとも3年間の保証が必要である。複数シフトで稼動する工場では、シングルタワー再生時の純度変動を避けるため、デュアルタワー切替式システムを推奨する。
メンテナンスのしやすさも同様に重要です。フィルターの交換間隔が長く（少なくとも3,000時間）、userのインターフェースが直感的なモデルを選びましょう。での比較 デズスマート の工場では、低メンテナンスの窒素ジェネレーターにより、メンテナンス工数が50%削減された。
