はんだ付け

May 04, 2023

ほとんどの人は、電子部品のはんだ付けが、非常に狭い空間で複雑な熱プロセスと化学プロセスが行われる非常に複雑な作業であることを認識していません。 ただし、いくつかの基本的なルールに従えば、問題は発生しません。はんだ接合は、単に良好な接触を実現するだけではなく、機械的強度も必要であり、酸化してはなりません。 さらに、フラックスは近くの金属表面やプラスチックを攻撃する可能性があるため、フラックスなどの化学残留物が存在しない必要があります。はんだは一般に、民生用、産業用、ハイエンド用の 3 つのカテゴリに分類されます。 後者は、生命や健康が危険にさらされる自動車や環境などの分野で使用されます。 メーカーとして、私たちは主に DIY 構築および開発のための手はんだ付けに興味を持っています。

鉛はんだは長年にわたって標準でした。 湿潤性と流動性に優れ、融点は約 183°C と比較的低いです。 はんだこて先での作業温度は合金の融点に 120°C を加えたものに等しいという経験則に従うと、これは約 300°C のはんだ付け温度に相当します。はんだ線内のフラックスは酸化物を溶解することを目的としています。はんだ接合部で。 はんだ内の錫は銅（または他の金属層）と融合して、2 つの金属の合金からなる金属間拡散ゾーンを生成します。 これにより、通常、耐久性があり、機械的強度が優れた、適切に形成されたはんだ接合が得られます。

残念ながら、これは常に当てはまるわけではありません。場合によっては、はんだ接合部が冷えてしまうこともあります (図1 ）。 冷たいはんだ接合は、高度に酸化した金属層、汚れ、不適切な温度、または溶解プロセス中の早期凝固によって発生します。 冷はんだ接合は過度の接合抵抗を持ち、コンポーネントの剥離につながる可能性もあります。 電子顕微鏡画像は、図2良好なはんだ接合と比較した、冷たいはんだ接合の欠陥を示しています。

鉛はんだの時代、冷はんだ接合部は、良好なはんだ接合部の光沢のある表面ではなく、鈍いつや消しの表面のため、はっきりと認識できました。 残念ながら、鉛フリーはんだではこれは当てはまりません。 新しい合金では、はんだ接合部は通常、特定の組成に応じて、低温か良好かに応じてマットな表面になります (「図3）。

2006 年の鉛フリーはんだの導入により、手はんだ付けが少し難しくなりました。 新しいはんだは RoHS 準拠として指定されており、これは特定の有害物質の制限に関する EU 指令に準拠していることを意味します。 鉛フリーはんだの鉛含有量は 0.1% を超えてはなりません。 これは主に有毒蒸気の吸入を防ぐことを目的としていますが、適切な抽出システムが利用可能であったため（使用されていたと仮定して）、実際にはそのリスクはかなり低かったです。 長い間、人々は鉛を扱う作業の危険性を認識していませんでした。 たとえば、昔はプロの写植者は鉛活字のせいで数年以内に歯をすべて失ってしまいました。

初めて鉛フリーはんだを扱う人は、新しいはんだにはかなり高い温度が必要であり、流動特性が異なることにすぐに気づきます。 多くの部品はこのような高温を嫌うため、革新的なフラックスやはんだ付け時間の短縮によって高温に対抗する努力が払われてきました。 これらすべてにより、鉛フリーはんだ線はより高価になります（下記を参照）。 これは、特に安価な鉛フリーはんだ線には注意する必要があることも意味しますが、これは多くの場合、謳われているものとは異なります。 あまりに高い温度で作業すると、敏感なコンポーネントが簡単に損傷したり、さらに悪いことに、PCB からはんだパッドがすぐに剥がれてしまったりする可能性があります。ホビーの開発者やメーカーは、鉛はんだを配布しない限り、依然として鉛はんだの使用を許可されています。商業ベースの製品。 これは、自宅の研究室で作ったものを比較的大量に販売することは許可されていないことを意味します。図4は、RoHS 準拠のはんだとともに、「メーカー」が依然として鉛はんだを使用していることを示しています。

現在、一般的に使用されている鉛フリー合金のほとんどは、錫の含有量が大幅に高くなります。 以前は63％程度でしたが、現在はメーカーにもよりますが95％程度になっています。 これにより、合金の融点が 217°C ～ 227°C の範囲に上昇します。 以前は、はんだ中の錫は金属間化合物ゾーンを形成し、はんだ付け可能な金属表面と融合することができた成分でした。鉛は常に合金の不活性成分であり、はんだワイヤを安価にし、溶融を減らすという利点がありました。錫の温度は 232°C から 183°C です。 はんだ中の錫が増加し、はんだ付け温度が上昇しているため、ツールとコンポーネントのメタライゼーションにもう少し注意を払う必要があります。 はんだは銅表面とより速く融合するだけでなく、表面から銅をより速く剥ぎ取ります。

標準的な鉛フリー合金の場合、前述の溶解温度 217°C は、可能な限り低い溶解温度の 1 つであり、95.5% の錫、0.7% の銅、および約 3.8% の銅からなる通常の組成でのみ達成できます。銀。 この合金には融点が比較的低いという利点がありますが、欠点は、銀の含有量が 4% 弱であるため、はんだ線の価格が簡単に 2 倍になってしまうことです。この銀含有合金は、基本的に、はんだの使用量を減らすことでより経済的にすることができます。銀の含有量は3％です。 この場合、合金の溶融温度範囲は 217 ～ 223°C になりますが、これははんだ付けやはんだ接合部の期待寿命にとって特に顕著ではありません。より経済的な合金は、たとえば 99.3% の錫と 0.7% の銅で構成されています。 、その結果、定義された融点は 227°C になります。 このためには、銀を含む合金に比べてこて先の温度を10℃上げる必要は必ずしもありません（図5）。

理論的には、最後に述べた鉛フリーはんだの場合、はんだごての温度は 350°C に設定する必要があります。 一定量の熱を短時間で投入するためにさらに 10 ～ 20°C 高い温度が必要な場合は、確かにそれが可能ですが、380°C を超える温度は通常、はんだ付けに役立つというよりも、基板やコンポーネントにダメージを与えます。 はんだ線のコア内のフラックスも非常に速く燃焼し、特定の温度で特定の時間しか機能しません。 温度が 10°C 上昇するごとに、フラックスの有効寿命は半分に減ります。 酸化物の除去に利用できる時間は短くなり、ある時点で十分な長さではなくなります。上記の合金は当然ながらメーカーごとに異なり、追加の成分が含まれている可能性があります。 特許関連の理由により、メーカーは通常、その情報を開示していません。ソフトはんだ付けには、常に必要な量のエネルギーを投入し、一定の最低温度に到達する必要があります。 はんだは液体であり、融点を超える一定の温度を持っている必要があります。 これにより、金属層が融合して強力なはんだ接合が形成されます。 前述の鉛フリー合金はすべて、十分な耐久性を備えています。 非常に大まかに言うと、銀を含むはんだは、持続的な機械的ストレスや振動を伴うことが多い、温度サイクルが強いアプリケーションに適しています。 これは特に、前述の自動車エレクトロニクスや医療機器におけるハイテク導入に当てはまります。

ワイヤーはんだは合金だけでなく、前述のフラックスも含んでいます。 ごく初期の頃、フラックス入りのはんだ線は存在しなかったので、人々ははんだペーストや自家製のフラックスで対応していました。 一般的なレシピは、トリクロロエチレンとロジンを混合したもので、「はんだ付け蜂蜜」という名前で呼ばれていました。フラックスの役割は、コンポーネント、回路基板、そしてもちろん液体はんだなど、関連する部品から酸化物を除去することです。 。 はんだ付けに可能な限り長い時間を与えるために、これはできるだけ長く行われるべきです。ハロゲン化フラックスと非ハロゲン化フラックスは区別されます。 どちらのタイプも、酸と金属酸化物の反応によって酸化物を除去します。 鉛フリーはんだの場合、この反応はより高い温度で起こる必要があり、より高いはんだ付け温度ではより長く活性化する必要があります。 フラックスは、はんだの前に十分な量を流し、酸化物を除去し、結果として生じる塩をはんだから運び去り、液体はんだの表面をきれいできれいな純粋な金属の表面に残すことができなければなりません。 一方、後で過剰な残留物を除去する必要がないように、フラックスが多すぎてはなりません。 固化したフラックスは見た目が悪いだけでなく、(一般的な意見に反して) 通常は化学的に活性なままであるため、いずれにしても注意が必要です。

鉛フリーはんだ接合には、従来の鉛はんだ接合よりも多くのエネルギーが必要です。 必要なエネルギー量が大きくなるため、はんだ接合部への熱伝達をはんだ付けの重要な側面として考慮する必要があります。 すべてのはんだ付け作業には、作業温度を上げるだけで鉛フリーはんだを溶かすために必要なより高いエネルギーを達成する必要がないように、適切な伝熱面を備えたはんだこて先が必要です。

正しいはんだこて先の選択 (図6 ) したがって、高い熱ストレス下ではチップも酸化し、スケールで覆われてしまうため、チップの継続的なクリーニングと同様に、重要な考慮事項となります。 こて先の接触面も長期間使用すると凹みやすくなります。 これにより、有効な熱伝達が大幅に減少します。研究によると、鉛フリー合金を使用する場合、温度を上げると (たとえば 360 °C から 410 °C に)、はんだこて先の摩耗にほぼ指数関数的な影響があり、はんだ付けチップの寿命が大幅に短くなることが示されています。はんだ付けチップ。 このため、一般的には、作業温度を上げる代わりに、はんだ付け時間または接触時間を少し長くすることをお勧めします。 定格 80 W 以上のはんだ付けステーションが適切な選択です。

鉛フリーはんだ付けはそれほど複雑ではありません。 ただ違うのです。 まず第一に、鉛フリーはんだのさまざまな広がりと濡れ特性を理解する必要があります。 また、はんだ付け温度が不必要に上昇しないように、はんだ付け時間を少し長くする必要があります。 実際には、それほど変わっていません。 さまざまなはんだを試して、最も気に入ったはんだを見つけることをお勧めします。 一般に、たとえコストが高くても、銀の含有量が比較的高いはんだが好ましいと言えます。

現在、私たちは鉛の蒸気にさらされることはなくなりましたが、実際の煙はフラックスから発生しており、フラックス中に何が含まれているかを正確に知る人は誰もいません。 したがって、はんだ蒸気抽出ユニット（たとえ小型であっても）は、依然として優れた投資となります。

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翻訳: ケネス・コックス