カテゴリー別アーカイブ: やに入りはんだ付け編Q1-5

Q5 銅スルーホールに黄銅のリードをロボットではんだ付けしたところ穴あきが発生しました。原因が分かりません。

Answer 1.観察のポイント ①導体の広い面積の銅箔にレジストをかけてランドとなっている。 ②ランドの形状は四角。 ③フィレットからレジスト表面に流れ出たフラックス残渣は広がっているが、フィレットの穴あき部に存在しているフラックス残渣は水飴が中から出てきたような状態をしている。 2.原因と発生のメカニズム 観察のポイントの中ではんだ付不良の原因は、③のフラックス残湾の形態によります。レジスト表面に存在しているフラックス残置は明らかにはんだ付け部から「流れ出た」と言う表現が正しいという状態です。これはランドの表面は適切な温度であったことを証明するものです。これに対し、フィレットの穴の中から出で来たフラックスは「さらっと」としてなく、まるで水飴のような状態です。これはスルーホール内の温度が低かっかことを証明するものです。天然ロジンであれば100℃をわずかに越えた温度かと言えます。 温度が下がった原因には3つの因子があります。まず、①のランドの熱容量が大きい点は温度が上がりにくい結果を招き、②のランド形状が四角であることはコテの当たる面積が狭く、コテの熱が伝わりにくい結果を招きます。これに加えてリードの材質が銅の1/3の熱伝導率を有する黄銅が使用されていた点はリードの温度が上がりにくいことを意味しています。温度が上がりにくい材質と言うことは熱をどんどん奪うことになります。 ロボットが起動してランドの上にコテが降りてくるのと同時に、やに入りはんだがコテに供給されます。コテの温度は十分高いため、フラックスは流れ出てレジスド面に移動します。さらにはんだが 供給されると、溶けたはんだは銅のランドとリードに触れて、急速に溶融したはんだから、熱を奪います。 溶融はんだはランド表面を濡らし、ついでスルーホールの中に入りますが、黄銅から熱を奪われてしまい、スルーホール内は溶融はんだの凝固体勢に入ります。はんだ付け時間が長ければコテからの熱が連続して供給されるので、再び溶融はんだは温度が上昇してフラックスはフィレットの外に溢れ出ます。本はんだ付けでは、その時間まで加熱が続けられなかったことにより、フラックスがまだ温度が低い状態でフィレットにとどまり、穴あきとなったものです。 3.対策 現状ではコテの当てる位置を変更します。それでも改善できない場合はコテの容量を大きくして、温度降下の防止をします。この2つの因子を基本として、温度とコテの移動速度を振って最適条件を決めます。 本はんだ付け部は基板の回路設計に問題があるから、設計を見直す場合、ランドの熱容量を大きくしないこと、熱の伝達面積をかせぐ上で、レジストの印刷を変更することが挙げられます。 ●不具合解析でのポイント‥簡単なことに気付く難しさ 本はんだ付不良の解析では、穴あき部のフラックスの状態がポイントになります。ここのフラックスが温度の低い状態だったことに気付くか否かで決まりました。低い状態であったことに気付いたから、スしーホール内の熱不足が原因と断定できたのです。熱というのは繊細であり魔物です。この箇所のはんだは僅か数ミリの送り量です。その中のフラックスは微々たるものです(はんだ使用量 0.015g、フラックス量 0.000525g)。その微々たる量でこれだけの温度差が生じるのです。 このフラックスの温度による状態の違いについては、はんだ付け作業者であれば誰でも知っていることです。その誰でも知っている現象に気付くかどうかで、今後の生産性が変わるのです。ネタを証せば「なんだぁ」というそれだけのことにすぎません。

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Q4 ロボットのはんだ付けでコテ先の汚れはどのような問題を起こすのでしょうか?

ANSWER 1.観察のポイント 写真aは、ICカードのコネクターのはんだ付けです。コテ先のクリーニングが悪いため、やに入りはんだがコテに送られて乱コテ先の酸化物が妨害してフラックスは逃げてしまい、その結果ブリッジが発生したものです。実際のはんだ付け温度は酸化物により熱の伝達に支障を来たします。コテ先の酸化は対物接触温度を70℃位下げることがあります。 80ピンのうち最初の10ピン位までは酸化物の影響が残り、酸化物が順次供給されるフラックスで脱落すると熱の伝達は回復して、残り70ピン位から安定した良好なはんだ付けが行われます。コテ先の酸化物は溶融はんだ及びフラックスの流れを変え、温度をバラつかせ、コテのはんだ保有量を不安定にさせます。 写真bは、フラックスの焦げ付きで発生したブリッジです。コテ先のフラックスの焦げ付きは流しはんだの最中に新しく供給されたフラックスと共に、はんだ付け部に脱落します。フラックスの焦げ付いたものは粘性が高く、フラックスの切れを悪くします。溶融はんだが各々のはんだ付け部に戻る場合、パッドのほぼ中央の位置で溶融はんだが戻りますが、たまたまその箇所に焦げ付いたフラックスがあると、粘性が高いためにはんだは戻りきれず、写真bのようなブリッジとなります。         写真Cは、焦げつきと問違えられますっこれはフッ素加活性剤に使用されているやに入りはんだに起こることがあります。フラックス中の活性剤がバラついて量が増えた場合、はんだ線の内壁で活性剤がはんだと反応して腐食します。活性剤が常時バラついていると、フッ素系のフラックスは製造装置のパイプの中を腐食し、これがやに入りはんだの中に入ることもあります。このように腐食した物質がやに入りはんだの中に入ったはんだではんだ付けすると、フラックス残澄中焦げ付きのようになって存在します。よく観察すると、小さなはんだボールが存在しているのが分かります。写真cではこの鼠色のカスの中にはんだボールが4個確認できます(判別法参照)。 2.対策 基本的にはどのような場合でも、はんだ付け前にコテには酸化及び焦げ付きはあってはなりません。 ①作業前にコテ先の表面のはんだを溶かして軽く拭い、コテの溶融はんだ面に焦げ付きの取れない部分があるか否かをチェックし、あった場合は丁寧に除去して新しいはんだを供給しておく。 ②こげ付きをエアーで飛ばす場合は、あらかじめ少量のやに入りはんだをコテに供給して、新しいフラックスでコテを潤うようにしてから、エアーで飛ばすと効果がある。 ③頑固な焦げ付きは機械的に除去し、新しいはんだを付けておく。 ④やに入りはんだを見直す。 3.判別法 このような鼠色のカスのチェック方法は、まずコテ先の酸化物及び焦げ付きを除去して綺麗にします。 次にやに入りはんだ線の表面をスチールウールで研磨して、はんだの表面の酸化物などを除去します。 したがって、カスがあるとすればやに入りはんだ線の中しかありません。これを基板の綺麗なランドに250℃ではんだ付けを行います(SnPbはんだの場合)。コテ先温度が高いと焦げ付きが発生し判断の妨げとなります。 約100ポイントはんだ付けを行って実体顕微鏡で観察し、存在していればはんだ線内部のフラックスに起因していると断定できます。やに入りはんだの製造管理不備によるので、フッ素系のフラックスではそのロットは即使用禁止措置をとります。 フッ素入りの活性剤であっても写真cに示すカスがなければ問題はありません。ただし、カスはなくても、フッ素入りフラックスで飛散、残渣の濁りなどが顕著に出た場合はこの限りではありません。

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Q3 QFPのロボットの流しはんだ付けで写真に見るツノがなぜ発生したのでしようか?

  ANSWER 1.観察のポイント ①ツノの部分は金属の色ではなく、酸化物の様相を呈している。 ②リードのはんだ付け面はブルーの色が出ている。 ③矢印1で指摘した箇所の基板面にはフラックス残流が少ない。 ④基板側もリード側もはんだは良く濡れている。 ⑤矢印2の箇所の色からリードの酸化が確認できる。 ⑥矢印3で示した箇所のはんだの色が褐色を呈している。 2.原因と発生のメカニズム 当該QFPのリードははんだめっきがされていて、酸化されているのが分かります。この酸化の色ぱツノの部分のほかに矢印2、3で確認できます(写真a、b)。 はんだめっきがリード表面にあるので、酸化がなければはんだ付け性は良好のはずです。コテをはんだ付け箇所に当て手流しはんだ付けを開始すると、コテの表面ははんだ付け開始の時は、綺麗な状態でしたが、何本かのリードを流しはんだ付けをしているうちに、フラックスがはんだ付け部から逃げてしまうことがあり、このような時にリードの表面酸化物がコテ先に転着すると、フラックス効果がなくなり、ツノあるいはブリッジになります。 基板表面のフラックスは写真からも少なく写っています。本写真では上側は少なく、下になるほどフラックスの量が多いことが分かります。基板パッドでは矢印3で示した箇所ではんだ表面が褐色になっています。ツノの部分と比較して光沢があります。ここにはリードの酸化物が移行し、その上にフラックスが供給されていたことになります。 はんだ付けはオーバー加熱気味でフラックスの粘性は下がり、動きやすい状態にありました。フラックス残漑の量が写真の下ほど多いことにより、やに入りはんだの供給位置が微妙にずれていたことが想定できます。よってフラックスが供給されにくい箇所でツノが発生したわけです。 参考にブリッジを起こしやすいQFPのリードの酸化の例を写真c、dに示します。 ●「流しはんだのフラックスの作用」について 流しはんだ付けの場合、はんだ付けはコテが移勤しながら連続して行われます。それだけに加熱及びはんだの供給(フラックスの供給)は確実でなければなりません。 一般に流しはんだ付けの場合やに入りはんだの供給は、コテが動く頭の方から供給します。この時のフラックスの作用はコテの前面と裏面とで2つあります。第1はコテの前面に供給されたフラックスは「はんだを付ける作用」があります。第2はコテの後ろに回ったフラックス「はんだを切る作用」があります。 流しはんだ付けでは第2の作用を確実に行わなければなりません。ロボット付けの因子はフラックス、コテ先の形状、はんだの供給の位置及び供給の角度などが挙げられます。やに入りはんだではメーカーによる違い、フラックス含有量などのバラツキなどが挙げられます。 流しはんだ付けの場合、コテの移動するスピードとはんだ付け面とコテの底部とのクリアランスも影響があります。溶融はんだはコテの移動後、おのおののはんだ付け部に戻りますが、コテのスピードが早くなると、熱の供給が不十分となり、溶融はんだが戻る前に固まってしまい、ブリッジになります。また、コテの底部とはんだ付け面との問にクリアランスがあると、溶融はんだはパッド間で帯状に横たわってしまい、「フラックスの切る作用」を拒絶することになります(図a)。 フラックスは横たわった溶融はんだの上下左右四方から攻めますが、大横綱が大の字に寝転がったのを子供が動かせないのと同しで、フラックスは切ることができません。このクリアランスの大きさは図aに示しかように横たわるはんだの量を変えます。供給はんだ量が多すぎればコントロールすることはできません。適量であってコテがパッド面軽く接する状態は横たわる溶融はんだ量を少なくするので、フラックスの切れを促進することになります。 手作業ではCカットのコテ先は図bに示したように有効です。 手作業では図bに示しかようにブリッジしやすいパッドの箇所をCカットが接して切ると有効です。 3.対 策 主に次の点について検討します。 ①はんだの供給位置とコテの当てる位置及び高さを変更する。 ②コテ先温度を調整してフラックスの粘性を高め、はんだ付け部からのフラックスの流出を少なくする。 ③酸化の少ないリードのQFPに変更する。 ④こて先の形状を変更する。

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Q2 はんだボールの発生のメカニズムと見分け方を教えて下さい.

ANSWER ●コテの引き上げるスピードが早いために発生したはんだボール 1.観察のポイントと発生の原因 特徴は比較的大きなはんだボールで表面に付着しているフラックス量は少なく,はんだ付け箇所の周辺に集中しています.手作業及びロボットいずれも共通しています(写真a,b,c,d,図a,b). はんだ付けはコテを引き抜くスピードが早いほど発生します.作業者の性格,仕事量が増えた,急に出荷しなければならなくなったような場合に多発します。普通のコテを用いた場合ははんだボールの着地位置も分かりやすく,右利きの人ははんだ付け箇所より右側に落ちます.左利きは左側になります. ピストル型のコテで発生する場合は,フラックス中のガス化及びコテの引き抜くスピードの影響はありますが、はんだ付け作業で基板を自由自在に動かしながら付けている場合は、はんだ付け部あるいはコテ先からの流れ落ちがはんだボールとなります。このようにして発生したはんだボールは行き先が定まりません。 ピストル型のコテ付けでは作業合の上及び足下を調べて、はんだボールが確認できたら、基板の部品間のどこかにはんだボールが引っかかっている危険性があります。速やかに作業の方法を見直さなければなりません。 2.発生のメカニズム 簡単な実験としてはんだボールの現象を説明します。水の入ったコップに割り箸を浸潰し、ゆっくり引き上げると箸に付着する水の量は少なく、早く引き上げると付着する水の量は多くなります。さらに箸を素早く引き上げると、コップの外に水滴が落ちます。これがはんだボールの発生の仕組みです。 次に、箸をゆっくり引き上げると、箸に付着する水の量は減少します。 コテを抜いた時に容融はんだが動かないものとすれば、コテがあった体積分の空洞ができるはずです。この空洞に溶融はんだが充填されるのに時間を必要となります。コテをゆっくり引き上げることによりはんだが空洞になる部分に廻り込むので、はんだボールにはなりません。ところが早くなると溶融はんだは回り込むことができず、コテと溶融はんだの界面で摩擦力が発生し、その力が溶融はんだを引き上げる働きをします。この力によって溶融はんだをフィレットの外に待ち出します。これがはんだボールです。 コテを抜く前に溶融はんだのフィレットの表面にはフラックスが皮膜として存在しています。このフラックスの量だけしかないので、発生したはんだボールの表面のフラックスは少なくなります。フラックスの動きが悪くなると、コテの抜けた跡の表面を覆うことができず、ツノになったり、糸引きになったりします。 はんだボールの発生はコテ先の形状、大きさ、引き抜く角度の影響もあります。 ●「フラックスの活性剤あるいはガスが原因のはんだボール」 1.観察のポイント 特徴としてはんだボールは小さく、その割にはフラックスの付着量が多く、肉眼では確認しにくい場合があります。はんだボールの飛距離はフラックスがパチパチ音を立てて発生する場合は5cm以上も飛距離を伸ばすことがあります。やに入りはんだ中のフラックスの構成物が加熱によりガス化か起こります。 ガスになると言うことは体積変化が増加するわけで、言い換えるとそれだけ圧力が高まることになります。ゆっくりガス化するのと、急激にガス化するのとでは圧力が違い、飛散も急激にガス化する方が多くなるのは当然です。 2.発生のメカニズム 溶融はんだとフラックスとの位置関係にもよります。溶融はんだの外側にフラックスがあった場合は、はんだボールの発生はありません。逆にフラックスの外側に溶融はんだがあれば、溶融はんだの内側にあるフラックスからガスが発生して、はんだボールの飛散になります。 図cの主因子はフラックスのガス化成分であり、図dの主因子はむしろやに入りはんだの押し込みになります。 この場合は、作業者の癖も関係してきます。いずれの場合もガス化が激しく起こるか否かではんだボールの発生が支配されます。

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Q1 フラックスの飛散は何が原因で起こるのでしょうか?

ブログですが、システム不具合が起き、一時的に閉めていましたが、ようやく再開することができました。 絶版になってしまったマイクロソルダリング不良解析Q&A(弊社社長著)が購入できないため、一部お役様より読んでみたいとの要望を受けたため、Q&A部分を抜粋して掲載しています。 では、以下より本編です。   Q1フラックスの飛散は何が原因で起こるのでしょうか? ■ANSWER はんだ付け用フラックスには、やに入りはんだ、ポストフラックス、クリームはんだに 大別できます。これらの中で、製品としてフラックス中の活性剤がバラつき易いのがやに入りはんだです。絶縁不良事故は未だに跡を絶ちません。とくに飛散と絶縁不良は関連があります。その飛散は、フラックス中のガスおよび活性剤など著しくガスになる物質の存在が原因となります。 1.観察のポイントと、発生のメカニズム 1.1 フラックス中のガス分が原因の飛散 飛散したフラックスには気泡を含んだものと、含まないものとがあります。はんだ付け時に発生したガスを巻き込んだ場合は気泡が入っており、巻き込まない場合は気泡が入っていません。形状が球形の飛散は、はんだ付け温度が比較的低い場合になります。写真aはコテ先温度が250℃で発生した飛散です。 300℃を越えるとフラックスはだれて球形ではなくなります。     フラックス中のガスが原因の飛散は透明で、フィレットのフラックス残差も透明なのが特徴です。絶縁特性、腐食に対する不具合は起きません。しかし、フラックスの飛散が目立つようでしたらはんだ付けの外観不良になります。絶縁性をチェックした上で使用の判定をします。 1.2 活性剤が原因の場合 活性剤としては、ハロゲン系と有機酸系があります。ハロゲンは反応性が高く、それだけにはんだ付け性は良好です。しかし、ハロゲン(フツ素;F、塩素;C1、臭素;Brがあり、それぞれ強酸であるフッ酸、塩酸、臭化水素酸になる)はフラックスのベースの樹脂分(一般には松ヤニ…ロジンという)には直接溶解せず、アミンに付加して例えばエチルヘキシルアミン臭化水素塩のような化合物の形で添加します。このような化合物は吸湿性があるため、吸湿すると油のような性質のあるロジンと均一に溶け合わないことがあります。 一方、有機酸はハロゲンほど反応性は高くありませんが、フラックスとしては有効です。分子量の小さいほど反応性は高く、はんだ付け性も良好ですが、水に溶ける性質があります。分子量が増えると水に溶けにくい性質が出てきます。 しかし、反応性は弱くはんだ付け性も低下します。 分子量が小さくて水に溶けるタイプの有機酸にはアジピン酸(分子量;146)、馬尿酸(分子量;179)などがあり、分子量の高い有機酸にはロジンの主成分のアビエチン酸(分子量;302)、ステアリン酸(分子量;284)などがあります。 アジピン酸が主活性剤のフラックスで、はんだ付け後フラックス残渣が2年後に腐食に至ったケースがあります。これはフラックス中アジピン酸と他の化学物質の組み合わせの影響と考えられます。 はんだ付け用フラックスは、所定の加熱温度と時間の範囲で、確実にはんだが付かなければなりません。 次に、フラックスは信頼性が要求されます。ハロゲンのように反応性が大きければJISの評価試款時問で十分ですが、年単位で腐食に至るような活性の遅いフラックスの場合は短期間での評価試験は難しいと言わざるを得ません。 実装現場の量産では1巻きごとのはんだについて、信頼性試験を実施してから使用することは絶対ありません。しかし、やに入りはんだの活性剤のバラツキは数センチの長さのはんだ線の中で起きています。それでは何をもって使用中のやに入りはんだが良いか悪いかを判断したらよいのかが問題になります。作業現場はその判断の最後の砦になるわけですが、その判断の1つにフラックスの飛散があります。 写真bは鋼板腐食試験後のフラックス残渣の状態です。実体顕微鏡で照明を低い角度から当てると、ロジン中の活性剤が浮かび上かって撮影することができます。 写真bで活性剤がロジンの下に存在している時は、透明か褐色を呈していますが、フラックス残渣の表面に露呈すると、水分を吸着して銅イオンの反応色が出て、緑色、水色に転じます。 現在、活性剤は臭素(Br)が主流ですが、塩素(Cl)の約倍重い元素なので、フラックス製造時の撹拌ミスがあると、フラックス中活性剤は下方に沈み易くなります。これがバラつきの原因になるのですが、前述のように吸湿性があるので、活性剤の状態での保管管理が適切でなければ、水分を含んだ活性剤がロジンと分離するようになってフラックスになります。 水は常圧で100℃で蒸気になります。はんだ付けは最低でも250℃で、このことは天ぷらを揚げる温度より70℃以上高い温度が必要になります。同じ180℃でも油とロジンでは液体の粘性が違うので、水のはねる勢いがロジンは油ほど活発ではありません。それが音を立てて飛散することは正に天ぷらを揚げている時に水が入った時と同じ状態になります。水も飛べば油も飛びます。やに入りはんだの場合も活性剤も飛べばロジン分も飛びます。したがって、絶縁抵抗を測定すればすぐ判定できます。 ロジンと活性剤を比較すると活性剤の方が熱の伝導は良好です。コテにやに入りはんだを差すと、活性剤が先に温度が上がり膨張と急激なガス化か起きます。このガスは溶けているフラックスを飛散し、溶けているはんだをも飛ばします、これがはんだ付け部周辺に飛散するのです(Q7参照)。 写真cは活性剤が原因の飛散の代表例で、時として、写真dのように多量のフラックスを飛散させることがあります。やに入りはんだのはんだ付けとしては異常な状態とは、まず、パチパチと水がはねる音がします。煙も突然多くなります。フラックス残渣は写真eに示しかように濁って透明感がなくなります。目視では分かりにくい小さなはんだボールも発生します。はんだ付け後早い場合は翌日にもフィレットが鼠色に変色します、この変色は活性剤のバラツキの時に顕著に出ます。この場合、フラックス残澄が濁っている箇所を針で刺すと、はじけるような割れ方はしません。 はんだ付け作業で以上のような現象が確認できたら、活性剤のバラツキの疑いの目で対処されることが望まれます。まれに、機械で使用したオイル類の侵入もあります。 旧アメリカ連邦規格のQQS-571EのRMA(一般には無洗浄のフラックスと言われている)の資格認定品であっても、製造管理が悪ければ発生しますし事故の事例もあります。 2.対策 活性剤が原因のフラックスの飛散は即使用禁止の処置をとります。当該やに入りはんだではんだ付けした製品についての処置は、メーカーの技術者立合いのもとで決めます。信頼性の確認は銅板腐食試験と絶縁抵抗試験を主として実施します。なるべく、ゆるやかな条件で、状態の変化を調べるのがコツです。活性剤のバラツキは、ゆるやかな条件でも顕著に出るのが特徴だからです。 2.1フラックスの腐食性 やに入りはんだで清浄な銅仮にはんだを載せ、250℃で鋼板広がりを実施します。実体顕微鏡の観察は本文で解説したとおり、照明の角度を変えて活性剤の状況を観察します。写真bの活性剤の状態の有無を観察した上で加湿試験を行います。条件は40℃で95%が適しています。 2.2 フラックスの絶縁性 不具合の再現試験は0.2mmのくし形基板に250℃でコテ付けし、40℃95%・DC50Vの条件で試験をします。試験条件の中で雰囲気を厳しくするのではなく、パターン間隔を狭くする方が再現には適しています。それは写真bを見れば分かりますように、活性剤の粒子が大きいのが特徴だからです。 <注意> やに入りはんだの採用に際しては社内で評価試験を行っていますが、採用試験の条件がきつい条件で実施していたとしても、その条件が当該やに入りはんだの不具合を解析する上での評価条件に適しているとは限りません。 85℃85%・DC50Vは温度湿度も過激すぎて、フラックスの真の状態を知る上では適しません。それは前者の加湿雰囲気中の水分量が48.5g/m3であるのに対し、後者は297.4g/m3 ときわめて多いからです。条件が厳しいことと正しい結果が得られることとは別問題だからです。 不具合の絶縁抵抗は湿中測定も適しません。試験槽内の結露とゴミの付着が絶縁性を下げるからで、面倒でも槽外で測定し、実態顕微鏡で残渣の変色、はんだ表面の腐食、マイグレーションなどを観察します。フラックス残渣の外観の状態の変化を理解しておくことは、また、そのような経験を積んでおくことはアッセンブリの信頼性向上の上でも大切なことです。 3.不具合フラックス残漆によるはんだ付け性と絶縁性 本アッセンブリは平成5年7月に生産した製品です。2年後に腐食断線したアッセンブリ上のフラックスの飛散です。現在生産は海外に移転し現行ラインは国内には存在していません。当時の現場担当者は他部署に配属されております。 … 続きを読む

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