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2020.01.17

こてはんだを用いた挿入部品のはんだ付けについて(前編)

(一社)実装技術信頼性審査協会、STCソルダリングテクノロジセンター 佐竹 正宏

こてはんだを用いた挿入部品のはんだ付けについて(前編)

 

 

1. 挿入部品の工法選択

 

 1.ディスクリート部品が採用されやすい部品種とその理由

 

 今回から挿入部品をはんだ付けする、その他の工法の代表であるこてはんだに関する基本的な説明を行っていく。
 まずは挿入部品をはんだ付けにとって、どのような工法選択があって、何がメリット・デメリットであるかを明確にし、いったいどのような挿入部品が、どのような特徴をもっているかについて解説を行う。

 まずは挿入部品として採用されやすい部品について、そしてなぜ採用されやすいのか?

 技術的な背景と量産を加味した理由について説明していく(図1)。

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 図1 挿入部品の工法選択

 

 

 (1)アルミ電解コンデンサ

 電気的な容量が必要であるため、回路では大きな電流が流れやすい部品になる。

 なので通電時に発熱する部位でもある。

 発熱が大きい部位では、外部応力等により壊れやすくなる傾向がある。

 通電時の発熱が大きいことで、その接合部の界面に存在する合金層は、その他の部位に比べてより大きく成長していく。

 合金層の成長は拡散により進むからである。

 合金層が厚く形成すると、合金層そのものは はんだよりも硬く脆い性質があるので、外部応力などの影響で壊れやすく(クラックが入りやすく)なるということである。
 その他にも、SMD化(表面実装部品化)を行うと、容量の関係から搭載個数が増えたり、設計的な制約、つまり両面リフローが主流の昨今においては耐熱保証の観点から、どちらか一方の面にしか搭載することができないなどの不都合が生じてくることになる。

 

 

 (2)コネクタ

 挿抜することで部品としての機能を発揮する電子部品であるため、必ず挿抜時の応力が端子を通してはんだ接合部に生じる。

 それゆえ、多くのコネクタ部品では挿抜時の応力を軽減するために端子が曲げられており、(ストレートではない)はんだ接合部への応力伝播を逃がす形(ストレスリリーフ)になっている。

 もちろんストレートタイプのコネクタも存在するが、大型のコネクタでは殆どストレートタイプはない。
 またテキストの写真のような割合大型のコネクタは、補強部がねじ止めされており、部品自体をさらに補強している。

 これをSMD化しようとした場合、補強端子も基板Padにはんだ付けするのであるが、部品や補強端子自体が大きいため、はんだ量が少なくなりやすい傾向がある。

 この部位のはんだ量を増やそうとすると、相対的に他の電子部品へのはんだ量が多くなりすぎてしまい、はんだ量の適正化が難しいということがある。
 このように耐応力、剛性に関する懸念と、はんだ量を加味したSMD化の困難さから挿入部品として選定されることが多い部品である。

 

 

 (3)SW(スイッチ)

 この部品もコネクタと同様に、捻ったり、ボタンを押すなどして、初めて部品としての機能を発揮する電子部品である。

 機能を発揮するために直接応力が加わる機構ですので、コネクタと同様に耐応力性が求められる。

 またボタンが直上にあり、かつスライド式やボリューム式(回す)である場合、マウンタでの吸着が困難であるなど、すべてのスイッチ部品でのSMD化が困難である理由となっている。

 

 

 (4)その他

 その他の部品としては、形が特殊であるとか外形寸法が大きいなど、その部品に特有の理由があるものが多い。

 ハーネスやヒートシンクなどが、その代表例であろう。
 このような電子部品は、まだしばらくはSMD化されることはないと考えている。

 ということは、これからも挿入部品は実装業界に残るということである。

 

 

 

 2.挿入部品の工法選択(課題出し)

 

 

 では次に、各工法の機械的な特徴から導き出される課題について考察していこう。

 このように各工法の課題を「事前に」明確にしておくことで、その工法を選択するにあたってクリアしておくべきことや異常時の対処の仕方が見えてくる。

 ここで言いたいのは、事前に明確にしておくことである。

 品質課題で困っている会社ほど、こうした事前の課題だしを行っていない。

 事態が起こってから「どうしよう......?」と考える事が多いようである。
 料理をする時も途中で味見をするはずであるが、料理が下手な人ほど途中で味見をしないようである。

 そして完成してから「まずい!どうしよう!?」というのである。

 個人的に趣味で作った料理なら、それでもいいであろうが、しかし料理屋やっている店の店主が、このようなことだったらどうだろう? きっとその店は潰れるはずである。

 我々も実装を趣味で行っているのはなく、仕事として携わっているのであるから、潰れる店の店主のような行動はやめるようにしていきたいものである。
 図2をご覧いただきたい。

 

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図2 各工法の機械的な課題を明確にし、非定常時の対策を考えておく

各工法での課題に対し、「品質問題へ直結するか?」を事前に把握しておくことが重要である。
※各工法でメリット・デメリットが存在するため、体系的に対処を考えておくこと

 

 工法は大きく分けて「こてはんだ」と「はんだ槽」に分かれる。

 こてはんだの場合は、「手はんだ」と「ロボットはんだ」に分かれる。

 この2つの工法は、課題としてはほとんど似ている。

 同じこてを使用する作業を、「人間が行うか」、「機械が行うか」が違うだけだからである。
 手はんだの場合は、こて先の消耗の他、『人間が行う作業をいかに安定的に行うか』 がポイントになる。

 作業標準や作業トレーニングもその一環といえるであるう。
 ロボットはんだの場合は、こて先の消耗の他、『経時変化するモノを考慮したプログラムをいかに作るか』 がポイントになる。

 機械であるので作業そのものは精度良く安定的に行えるだろう。問題は、経時変化するモノや、偏差の大きい外乱因子である。

 先に述べたこて先の消耗や、フラックスの付着、こて先に残っているはんだ量......などなど、これらの因子の影響をクリアしプログラムを作成できるかが重要といえる。
 また、はんだ槽のほうも同様に課題出しをしておくことを推奨する。
 前回までに説明したダブルウェーブはんだ槽や、その他にも局所フロー(スポットフロー)、静止槽など、それぞれの工法毎に、それぞれの課題があるので『事前に』対策を考えておいていただきたい。

 

 

 3.挿入部品の工法選択<メリット・デメリット> 

 

 課題を抽出したら、工法ごとのメリット・デメリットを出しておくといいだろう。

 たとえば「手はんだ」のメリット欄にあるように、リペア作業などはロボットはんだでは不可能な作業であるので、手はんだのメリットというよりは、手はんだ工法にしかできないこともいえる。

 こうした作業が可能な反面、品質が安定しないなどのデメリットが生じる。
 ただし、作業点数の多くない、挿入部品のはんだ付けを手はんだで行っている場合は、ロボット化するメリットが生じてくる。

 

 

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図3 挿入部品の工法選択のメリット・デメリット(その1)

 
 

 図3に掲載したメリット・デメリットは、この各工法の一部のみの掲載であるので、実際にはより多くの課題出しやメリット・デメリットの把握を行っておくとよいだろう。

 図4を見ていただきたい。

 

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図4 挿入部品の工法選択のメリット・デメリット(その2)

 
 

 各工法の特徴を一言で表してみた。

 各工法の細かい特徴やメリット・デメリットについては、その詳細をまとめておくことが重要である。

 その上で、それぞれの工法の特徴はどういった場合に選択するか?、を一言でまとめておくことは、その工法の詳細を知らない人(たとえば関わりの少ない部署)にとって、理解しやすい配慮といえるであろう。

 

 (1)手はんだ工程(修正等のリペア作業を含む)

 特殊な部位(リペア作業や特殊部品、ハーネスやヒートシンク等)や、少ない点数でのはんだ付けにおいてはメリットが大きい工法である。

 ただし、ほとんどが人による作業で構成されているため、より高品質な製品やあまりに精密な作業においてはデメリットとなる工法になる。

 

 (2)ロボットはんだ

 手はんだ工法とは違い、機械による動作がメインであるので、ある程度の精度を求められる製品においてはメリットが大きい工法で、ある一定品質を安定的に生産することが可能である。

 ただし、あまりに多い点数へのはんだ付けや、特殊な部位へのはんだ付けの場合、よりプログラムが複雑となり、さらに経時変化を起こす因子への影響も、はんだ付け点数や特殊部位の場合に大きくなるので、この点がデメリットといえるであろう。

 

 (3)ダブルウェーブ

 インライン設備であるため、大量生産向きな工法といえる。

 また、チャンバをフルパージできるので、N2を使用したはんだ付けには向いている。 

 これまで使用実績を含めた歴史が古いため、様々なオプションや機構が存在しており、自社の製品に合わせたカスタマイズを施すことで、品質向上を望める。
 インライン型であるがゆえに、多品種少量向きではない。

 また、はんだ噴流が脈動しており偏差が大きいので、品質の安定性に欠けること、生産中には絶えず多くのドロス(酸化物)が発生することから、メンテナンスが非常に重要であるため、メンテナンスを怠るとすぐに品質不良に直結することなどがデメリットであるといえる。

 溶融はんだのバス内では、常に加熱された溶融はんだが対流しているため、槽のエロージョン(溶食)により槽に穴が開くなどの現象が起こる可能性がある(※ただし、かなりの年数を使用しないと起こりにくい現象である。

 しかしエロージョンはSnが槽の内壁を溶食していく現象(拡散)なので、溶融はんだの温度にも注意が必要である)。

 

 

 (4)局所フロー

 はんだ付けしたい箇所のみをはんだ付けする工法であるために、基板全体を加熱しなくてすむ。

 また足長リードへのはんだ付けも可能であることから、噴流ノズルさえ適合すればメリットの大きい工法である。
 ただし、ノズルの交換には割合大きな工数が必要なため、思っていたよりも多品種少量生産向きではない。

 また全体加熱をしないというメリットは同時にデメリットでもあり、各開口ノズルごとに温度のばらつきが大きくスルーホールUPがしにくいなぢのデメリットがある。

 これを解消しようとする場合には基板設計での配慮も必要となるため、それらをうまく適合させることが重要である。

 

 

 (5)静止槽

 ただの、はんだのバスである。

 機構自体がシンプルであるがゆえのメリットが多く存在する。

 たとえば、ドロスが少ない、足長リードへのはんだ付けが可能、スルーホールUPが良い(ウェーブフローに比べて)などの特徴がある。

 さらに、ディップパレットと呼ばれるマスキング治具を使用することで、さらに様々な効果が得られるのも特徴である。

 これは局所フローでいうノズルと同じでパレット治具には、それなりのノウハウが必要とされる。
 デメリットとしては、必ず治具が必要となる(両面リフローの場合)ことや、N2が使用できないこと、基本的にバッチ式であるため、大量生産には向かないなどがある。

 設備自体の機構が単純であるがゆえに、その他のはんだ付けに必要な副資材(ディップパレットなど)のほうにノウハウが必要になるということである。

 まず最初に知っておいていただきたかったのは、挿入部品の使われ方と、その選択のされ方、各工法のメリット・デメリットについてである。

 

 

 

 

2. はんだごてに必要な要件

 

 

 1.母材金属別 はんだの付きやすさ

 

 次に、はんだと母材金属との相性について説明する。

 このことはすべてのはんだ付け工法で言えることであるので、覚えておくといろいろな場面で役に立つ。
 このはんだ付けとの相性(付きやすさ)は、次の二つの理由で記載してある。

 

 ① フラックスによる、酸化膜や吸着質の除去のしやすさ

 ② はんだ(Snを主体とした合金)との金属的な相性
 

 はじめに、①のフラックスによる酸化膜や吸着質の除去しやすさであるが、その金属が帯る酸化膜には「安定度」というものがある。

 酸化膜の安定度が高いほど、容易には除去しにくい酸化膜ということになる。

 代表的な安定度の高い酸化膜というは、Al(アルミ)がある。

 Al自体はFe(鉄)などに比べて、金属的な特性はほとんどのものが劣っている。

 しかし、AlはFeに比べて圧倒的に安定度の高い酸化膜を表面に帯びる特性がある。 そのため、台所などの水周りでよく使用される金属である。

 安定度の高い酸化膜により酸化が促進されない、すなわち水周りなどで使用していても酸化が促進されないため、金属を腐食していくことがほとんどない。
 それほど安定度の高い酸化膜であるために、除去するためには還元力の高い物質で作用する必要がある。

 つまりフラックスにおいては、活性力の強いフラックスでないと安定度の高い酸化膜は除去できないということである。

 なので①は、フラックスが酸化膜や吸着質を除去しやすい程度をかんがみて、はんだの付き易さを配列した理由になる。
 次に、②の「はんだとの金属的な相性」について説明する。これは合金層を形成するための相性の良さ、を参考にしている。

 はんだはSnを主体とした合金であるから、あたりまえだがSnとの相性は非常によい。

 Snはもともと、相手側の金属へ拡散しやすい金属(自己拡散係数の高い)であるが、相手側の金属の拡散のしやすさにも影響を受ける。

 なので、先の①で説明したような、酸化膜の除去のしやすさだけで比べると酸化Snよりも、酸化Pbの方がフラックスによる還元はしやすい金属であるといえるのだが、合金層の形成のしやすさを考慮するとそうでもないことになる。

 であるので、ここではSnを主体とした合金である「はんだ」との『合金化のしやすさ』に着目して配列を行っている。

 これら2つの相性の良さ、つまり「フラックスの還元のしやすさ」と、「合金層の形成のしやすさ」の両方を鑑みて配列を行うと、●図5ような配列になる、とご認識いただきたい。

 

 

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 図5 母材金属別 はんだの付きやすさ

 

 一点、補足として説明を加えるとするならば、黄銅(真鍮ともいう)という合金がある。

 これは、Cu(銅)とZn(亜鉛)との合金なので、表でいうと銅よりも右側に、亜鉛よりも左側に位置する合金であるといえる。

 鉛とほぼ同じ、はんだの付きやすさであると覚えておくとよいだろう。

 

  

 

 2.こての種類と作業面における必要要件(図6)

 

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図6 こて先の種類

 

 

 次に一般的なこて先の形状と、その種類について説明を行う。

 これまで有鉛共晶はんだで使用されてきたのは、B型やI型、図には載っていないがY型などの、いわゆるペンシル型が一般的であった。

 この一つのこて先で、あらゆる電子部品へのはんだ付けを行う技量が高い作業者ほど、優遇されていた時代があった。

 ところが鉛フリーになってから、一つのこて先で種々の電子部品に対してはんだ付けを行うことが非常に困難になった。

 これはトレーニングを十分に積んで、実際の作業を行っても同じことで、これまでの有鉛共晶はんだのように品質を確保することが難しくなった。
 であるので、鉛フリーはんだのはんだ付けでは1種類のこて先で何でもできてしまう作業者よりも、必要に応じてこて先を選択できる作業者のほうが、高品質を維持することが容易になったといえるであろう。

 そのためにもこて先の種類とその作業面における必要要件は、十分に理解しておかなければならない。

 まずはこて先の種類を見てみよう。

 

 ① 作業を行う対象の部位に応じて、こて先を選定する能力が必要である
 ② なるべく接触面積を増やして、はんだ付け時の加熱を有利にする作業により、品質の向上が期待できる
 ③ こて先の形状に応じた技能レベルを有していることが重要であるといえる

 

 一つ目は、先ほど説明したように、作業を行う対象に対してこて先を正しく選定する「判断力」が必要になる。

 わざわざ難しい作業を難しく行うよりも、より簡単に作業を行えるようなツールを選択することが大事である。

 これにより、歩いての作業能力さえあれば、誰でも簡単に品質を確保することができる。

 二つ目は、私もそうであるが、はんだが溶けにくい場合、自然と手に力が入ってしまう。

 もちろんも頭では分かっているのである。

 はんだというものは力で溶けるわけではなく、熱によって溶けるということは充分、頭では理解しているのだ。

 しかし人間は不思議なもので、実際に溶けにくい場面に陥ると自然と手に力が入ってしまうものなのである。

 このようなことのないように、なるべくこて先の接触面積を増やして加熱を有利にした状態で作業を行うことで、より簡単に品質の向上が期待できる。

 三つ目は、こて先の形状に応じた作業能力を有するということである。

 形が変われば、その使い勝手としてのやりやすさも変わる。自分の自転車は乗りやすいのに、他人の自転車は乗りにくいのと同じことである。

 自転車自体は乗れるのだが、サドルの高さが違うとか、ハンドルの角度が違うとか、タイヤのインチが違うとか、様々な理由で自分の自転車ほどは、最初からうまく乗れないのが通常であると言えるだろう。

 もちろん少し慣れれば簡単に扱うことができる。

 それと同じことで、それぞれのこて先の種類に応じて自転車を乗るが如く、トレーニングをしておかなければならない。

 こて先の種類に応じた必要最低限の技能レベルを有していることは、重要であるといえるだろう。


 続いて図7を見ていただきたい。

 

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図7 作業面における必要要件


 

 作業面における必要要件について説明を行う。

 ここでの説明は、これまでに筆者が説明してきた「はんだ付けの基本編」に登場した内容と同じものである。

 何度も説明を繰り返して申しわけないが、はんだ付けにおける必要要件というものは、工法が変わっても同じなのである。

 それでは一つずつ見ていこう。

 

 ① 接合母材の表面が「清浄化」できていなければ、はんだは付かない
 →余分なものを消去しなければならない

 ② はんだの温度が融点を越えて、合金層形成するのに必要な熱量を与えなければ、はんだは付かない
 →瞬時に合金層形成する為の相互拡散を起こさなければならない

 ③ 供給するはんだの量が、フィレットを形成するのに充分でないと、必要な品質は得られない
 →糸はんだの構成は、はんだ7:フラックス3、で構成されているため、フィレットを形成するために必要なはんだ量を供給しないと、高品質なはんだ付け結果は得られない

 

 図7では、こてはんだ付けに必要な要件として、模式図を入れながら説明を行っているが、先に述べたように、本Webセミナー初回で説明を行ったことと、基本的には同じである。

 1点だけ注意が必要な項目といえば、②の説明になる。
 こてによるはんだ付けの場合、その作業性を考慮しながら品質を確保しようとすると、少なくともはんだの融点+100℃以上のこて先の温度が必要になってくる。

 有鉛共晶はんだであれば融点が183℃であるから、283℃以上のこて先で作業を行う必要がある。

 鉛フリーはんだの場合は、融点が(Sn3.0Ag0.5Cuの場合)217~220℃なので、320℃以上のこて先で作業を行うことが理想的であるといえる。

 

 

 

 3.こてはんだに必要な要件

 

 今回の最後のまとめとして、こてはんだに必要な要件をまとめる。

 図7までに説明したことは、踏まえた上での要件のまとめということで理解しておいていただきたい。

 

 

 1.作業性において

 

 ・こて先温度の立ち上がりが早い。

 この方が、即座に作業に移行できるため、作業性が良いといえる

 

 ・こて先温度の復帰が早い。
 連続で種々の電子部品へのはんだ付けを行うことが考えられるので、こて先温度の復旧が早い方が作業性としては有利であるといえる

 

 ・温度の精度が高い。校正が容易である。
 最近では、こて先温度を表示する機能がついたこてはんだセットが一般的である。

 しかし、表示温度と実際の温度が違うのであれば意味がない。温度の精度が高いことは重要であるし、校正も容易であるほうがこてはんだセットとしては高機能であると言えるだろう

 

 ・作業性が良い。
 これは実際の作業時の取り回しについて説明をする。 

 コードがやたら短い、こて先が非常に重い、などの作業性を阻害する要件が揃っているこてはんだセットである場合、上記の要件がクリアされていたとしても、非常に作業のしにくいキットであるといわざるを得ない。

 やはり実際の作業を視野に入れた構成や機構になっていることが、こてはんだのセットには求められるところである

 

 

 2.その他

 

 ・静電気対策が万全である。

 意外と盲点なのであるが、静電気の対策がとられていることは電子部品を取り扱う我々にとっては、非常に重要な項目といる。

 熱もそうだが、電気も通りやすいところを通る傾向がある。こて先にアースが取られていない場合、そのこて先から放電し、電子部品を破壊することが考えられる。

 はんだごては静電気対策の取られたものを使用することを注意していただきたい。

 

・モレ電圧が少ない。
 これは、リーク電流のことである。

 絶縁されていて本来流れないはずの場所・経路に電流が漏れ出すことをいう。

 リーク電流のもっとも大きな原因は量子力学でいうトンネル効果であるといわれている。

 原子の大きさの微視的サイズで見れば、本来電流が流れない絶縁体も量子論的効果によって電気が多少は流れるようになるとされており、電気伝導性物質内の自由電子の存在確率が微小範囲内で広がりをもつため、わずかながら周囲の絶縁体内へも染み出してしまうことで起こるとされている(※wikipediaより)
 つまり、どんなにリーク電流がないように設計した設備や工具であっても、微小な電流のモレが存在する可能性はゼロではなく、このような微小電流によっても電子部品は機能不良を起こす可能性があるため、周期点検などで注意を払っておくに越したことはない、ということである。

 メーカーのほうでも一般的には1週間に1度はモレ電流を測定する事を推奨しているので、それに従うようにしていただきたい。

 

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 図8 こてはんだに必要な要件

 

 


 

 

 

3. 最後に

 

 

 今回は、こてはんだを扱う前の注意点としての解説を行った。

 はるか昔に受講した回の復習にもなって、良いと思う。
 本文中にも何度も触れたが、工法が変わってもはんだ付けの基本的な必要要件は変わらない。

 そのうえでこてはんだという工法を選択した場合、何を注意すべきかについて以後も解説を行っていくので、楽しみにしていていただきたい。
 それでは次回からもお楽しみに!

 

 

 

(一社)実装技術信頼性審査協会、STCソルダリングテクノロジセンター 佐竹 正宏

国内唯一の実装技術専門誌!『エレクトロニクス 実装技術』から転載。 最新号、雑誌の詳細はこちら

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