カテゴリー別アーカイブ: やに入りはんだ付け編Q11-15

Q15 社内ではんだ付け部で割れが発生し、原因が分からず現在も出ています。どのような方法で調査したらよいでしょうか?

ANSWER 1.観察のポイント 不良解析の中には独自に調査したにもかかわらず、原因が分からないで訪ねてくる場合があります。大変ご苦労されて解析調査を進められた様子が、レポートの厚さで分かるというものです。そして多くの場合、自ら調査した内容の説明から入ります。 ところがこちらとしては現物を見ていないので分かりません。誤った方向に打ち合わせが進む恐れがあり時間もムダになるのは言うまでもありません。不良解析は現物を観察することがすべてのスタートになります。 割れは簡単に考えれば隙間ができる現象、隙間を挟んで上が動いたか下が動いたか、あるいは右側が動いたか左側が動いたかのいずれかです、その力を探せばよい訳で、不良解析では比較的楽なタイプになります。 「割れの解析はその隙間の中を観察するのが鉄則」です。これまでの経験で解析のために実体顕微鏡を覗いていた時間は早くて3分、最も長いので7時間、平均30分位です。 実体顕微鏡で観察する時間を5分ほど戴いて別室に行き、3分位で出てきて、「原因が分かりました。はんだが固まらないうちに、作業者がはんだ付け部を動かしています」「作業者の癖ですからいますぐ確認をとったらいかがでしょうか」 10人中10人までがびっくりして、「自分たちは1ヶ月以上かけて訓査したが分からなかった。どうしてそんなに簡単に分かるのか」と言います。 では、なぜそんなに簡単に分かるのかを説明します。 ※図bはSnPb系はんだのデータで、SnAgCu合金の場合は違った温度、強度となります。 2.原因と結果 調査は観察から始まります。観察の中から発見と疑問が生じます。それを裏付けることになります。今回の件は割れの中にフラックスが入っていたからすぐ分かったのです。フラックスの温度による状態の変化は図aの通りです。温度によるはんだの強度の変化を図bに示します。 図a及び図bの関係を理解すれば、初期はんだ割れの原因を見つけるのはそれほど難しくありません。 ただ、肉眼では割れの中を確認できないだけに実体顕微鏡は必要になります。 蛇足ですが、初期はんだ割れが起きた温度が183℃でより高いか低いかの程度であれば、実体顕微鏡で判断できます。 183℃より高い温度でははんだはまだ液体なので、図cに示したようにフラックスの作用で破断した面は滑らかになっています。ところが183℃より低い温度では、はんだは凝固しているので、破断した面は図dに示したように引きちぎられた凹凸の形状をしています。したがって、ここに角度を微妙に変えて光を当てると、凹凸部で乱反射するので、白く見えます。 次に、図aからフラックスの性質ではんだ割れの判別の仕方がある程度分かります。 ①割れの中にフラックスが十分人っていれば、はんだ付け直後に発生。 ②割れの中にフラックスが少し入っでいれば(フラックスの軟化で少し侵入)、使用環境温度が80℃前後の温度の時に発生。ただし時聞かかかります。 ③割れの中にフラックスが全く入っていなければ、温度とは関係なしに機械的に割れが発生したことになります。 フラックス残渣は不良解析をする上では大変ありかたい存在です。例えば、はんだが割れる前に先にフラックス残渣に亀裂が入ります。このことについてはクリームはんだ付け編で説明します。 フラックス残渣が洗浄されますと、これらの観点から判断できなくなりますので、フラックス残渣は無洗浄の方がよろしいかと言えます。 洗浄しても割れが確認できれば、判断できないという訳ではありません。それは割れの中のフラックス残渣は洗浄が完璧とはならないので、少し残留しているからです。超音波で洗浄されるとお手上げで、観察に膨大な時間を要することになります。

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Q14 セラミック基板にはんだ付けする場合、どのような点に注意したらよいでしょうか?

              ANSWER 1.観察のポイント セラミック基板のAg-Pdのはんだ付けの問題点は3点あります。 ①熱容量が大きいため熱不足になる。 ②加熱オーバーでAg-Pdがはんだ喰われを起こす。 ③フッ素系活性剤でマイグレーションが起きやすくなる。 ①の場合、加熱を誤ると急激にコテの熱が奪われ、Ag-Pdとはんだとの界面で温度が低くなり、充分はんだが濡れなくなります。このため、やに付けのような状態になって簡単に剥がれることがあります。 ②は加熱オーバーになった場合、Ag-Pdにはんだの成分か浸透してアルミナとAg-Pdとの界面が熱劣化を受けることになります。この緋果、図aに示したようにアルミナの表面から剥がれが起きます。Ag-Pdの表面は先ずフラックスで酸化物が除去され、溶融はんだが直接接触します。はんだから主として錫がAg-Pdに拡散(むしろ浸透する表現が適切)し、Ag-Pd部は厚みを増します。ちょうどAg-Pdの初期の厚みの使近くなりますと、Ag-Pdの成分が溶融はんだに溶け出します。 ①の場合ははんだとAg-Pdの界面で、また、②の場合はAg-Pdとアルミナの界面で剥離を起こします。②の場合について説明を加えます。アルミナの表面が汚染されていた場合、Ag-Pdを印刷しますと、次工程の焼成の時に汚染面からガスが発生して、ブローホールを形成します。この場合ははんだ付け後Ag-Pdとアルミナの界面で剥離を起こすことがあります。判断基章はは断面の組織観察をして、Ag-Pdの厚みが倍近くなっていればオーバー加熱、溶融はんだの拡散が巡行していなければアルミナ表面の汚染が原因となります。図b参照 ③のマイグレーションはフッ素系とエタノールアミンの組み合わせの活性剤が使用されているやに入りはんだで顕著に発生します。早い場合ははんだ付げ直後、コテを抜いた時に銀のマイグレーシヨンが発生します。エタノールアミンの還元性とアルミナの触媒的作用が考えられます。 2.対策 ①及び②は温度管理を徹底し、常に一定の条件ではんだ付けをしなければなりません。生産性を高めるためには余熱を行うことが有利です。はんだ付け作業は一回のコテを当てただけで確実に酸化物を除去しはんだ付けを完了することが大切です。リワークする場合はAg-Pdの喰われが懸念されますので、断面観察でどの条件で作業するかを決定しておかなければなりません。リワーク後の錫の浸透の深さは初期のAg-Pdの厚みの2/3位でとどめておくべきです。 ③のマイグレーションについてはやに入りはんだの選定を誤らないことです。現在やに入りはんだ でアルミニウムに付く活性剤はフッ素入りの活性剤に限定されています。選定に際してはメーカにフ ッ素入りかを打診するのは当然ですが、家庭用のアルミホイルに直接はんだ付けして、アルミホイルにはんだが付くか否かをチェックすることをお勧めします。はんだが付けばフッ素系のやに入りはんだです。 事故の事例としては、Ag-Pdが使用されているはんだ付け部で、チップ抵抗、ハーメチック、圧電ブザー、アルミナ基板、などがあります。 フッ素はガラスを溶かしますので、ガラエボ基板のプレス打ち抜き部近くにはんだ付けパッドが整 列しているような箇所は注意しなけれななりません。ここにフラックスが浸透しますとガラスが侵さ れて、絶縁不良の恐れがあります。アッセンブリのはんだ付けには充分な検討の上で使用されることが望まれます。

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Q13 手付けしたQFPの断面写真を撮りました。観察のポイントを教えてください。

ANSWER 1.観察のポイント 研磨技術は大変優れています。写真aではガラエポ基板のガラス繊維の状態が鮮明に出ています。このように丁寧な研磨は、はんだ付け部の組織の状態を正しく表現してくれます。はんだ付けも良好  なフィレットを形成しているのが分かります。写真bでは一部ヘアクラック状の線が確認できます。これを拡大したのが写真cです。本来ならα相とβ相がはっきり組織としてでるのですが、金メッキのはんだ付け部なので、はんだに金が拡散して全体的には白く見えます。 顕微鏡断面組織のカラー写真では、画像そのものはどちらかというと表現力に欠ける場合があります。この点電子顕微鏡写真では鮮明な組織が表現されます。写真cをコピーしたのが写真dになり、組織がはっきりします。 図aは角度を変えて観察しているところを示します。観察の角度を変えますと組織は図bに示す絵が描けます。 この組織の違いについて説明しますと、Aの領域の組織はリードに熱が奪われて凝固した組織、Bの領域の組織は基板のパッドに熱が奪われて凝固した組織になります。この境の線ははんだが最後に固まった所で、このフィレットでは強度が弱い箇所になります。リードに力が作用するとリードのかかと部分から割れが発生しやすいのは、このような状態フィレットの組織がなっているからです。 このような状態は一般的ではんだ付け部不良とは言いません。本写真は研磨が優れていたことで正しい判断ができました。それだけにはんだ付け部の断面研磨技術は重要で、研磨に長けた方が定年退職したということで、その事業部の技術力が低下した逸話はあります。 2.断面組織の観察 ①α相/β相の全体的な面積の比率である程度の錫鉛の含有量が分かる。 ②今回の例のようにはんだの凝固の状態が分かる。 ③はんだ付け部に作用した力の状態が分かる。 ④めっきの厚さ、合金層(金属問化合物)の状態が分かる。 ⑤割れの状態が分かる。 ⑥ブローホールの発生の位置が分かる。   ■参考写真...力と組織 写真eは力が作用していないときの組織です。 写真f、gは引っ張りで破断したはんだ線と先端の破断組織です。 写真h、iは折り曲げて破断した線と先端の破断組織です。 写真j、kはカッターナイフの切り込みと先端の断面組織です。 写真|はニッパーで切断した時の断面組織です。 写真iは、何度も折り曲げられた先端部の状態ですが、微細化した組織になり、少し離れると伸びた組織が観察できます。写真lでは表面は組織が潰され、中心部は組織が伸びているのがわかります。このように、はんだは加えられた力によっていろいろな組織に変わります。逆にこのような状態の組織を理解しておくことにより、市場でどのような力が作用したのかが断面組織を見ただけで分かるようこなります。                              (研磨協力:㈱三啓)

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Q12 4層基板のDIPはんだ付けが上手にできません。何が間違っていたのでしょうか?

ANSWER 1.観察のポイント ①写真a、bにはんだ付け後の外観を示す。 ②フラックス残渣が多い。 ③残澄の色が全体的に同じ状態で濃い。 ④はんだクズも存在。 ⑤基板が写真cに示したように破損している。 ⑥ランドの銅が露出している。 ⑦フィレットの表面は光沢がある。 ⑧噴流はんだ付けのフィレットは正常に形成されている。 ⑨リードは良く濡れている。 2.原因と発生のメカニズム フラックス残渣の色はほぼ同じ色調をし、はんだクズは酸化されてなく綺麗な肌をしているから、コテ先温度は管理されています。フラックスの飛散はありますが、残渣の透明度からフラックスに異常は確認できません。基板の破損の状態からコテ先は最も一般的な形状が使用されていると推定できます。 コテを持ってはんだ付けすれば分かりますが、少々コテに力を入れて基板に当てると思ったより簡単に基板は破損するものです。 使用したはんだ、ランド、部品リードは、いずれも正常で問題点は見当たりません。4層基板になると熱容量が大きく、なかなか温度が上がりません。本基板のランド径は4層基板の割には小さく、コテの伝達面積が減少して熱効率が悪い状態になっています。 このように熱効率が悪い状態のはんだ付け部ではいかに確実に温度を上げるかが大切になります。温度が上がらなければフラックスがスルーホールに入るわけがありません。 ランドAに供給した熱はスルーホール内を伝わりランドBに伝達される。 ランドBの位置で130℃以上の温度に上かっていないとフラックスは流れない。 フラックスBはリードに熱が奪われ、いっそう温度が下がってしまう。このような状態になると、これ以上の量のフラックスはスルーホールに入れることはできない。 フラックス中のロジンが完全溶融して速やかに流れる温度は約130℃以上です。したがって、スル一ホ-ルの中をフラックスが通るには、スルーホールの出口である基板裏面のランドの温度がこの温度以上でなければならないのです。そして初めてフラックスがスルーホール内ではんだ付け性のために効力が発揮できることになります。はんだ付けはまずはんだ付け部に確実にフラックスを供給すること、次に、はんだが溶けて少なくとも流れやすくなる220℃の温度に、リードもスルーホールも速やかに上げることです。 220℃以上に速々かに温度が上がらないと、今度はフラックスが焦げ付いて粘性を高め、狭いスルーホールの中で溶融はんだの侵入を阻止することになります。 最初にやに入りはんだを供給した特にフラックスがスルーホールに入らないと、その後何度供給してもスルーホールにフラックスは入っていきません。この時基板を破損する結果となります。 ランドにはんだが十分まわらないのは、ランド径が小さすぎてコテ先が確実に当たらなかったためです。   3.対策 ①ランドにコテが確実に当たる形状のコテ先を選定する。 ②コテ先をクリーニングしたのを確認してからランドとピンにコテを当てる(子熱)。 ③やに入りはんだのフラックスがスルーホールに入りやすい角度ではんだを供給する。 ④設計変更をしてランド径を大きくする。 この時の温度、時間、はんだの供給角度などは事前に練習用基板でマスターしておかねばなりません。このように作業してもはんだ付け性はバラつくので、無洗浄タイプのポストフラックスをはんだ付け部に付けます。 IPAは蒸発させます。付近にチップ抵抗があると、アルミナから電極が剥離することがあるので、温風加熱によるIPAの蒸発には十分注意しなければなりません。 以上の作業は高度の技術と不具合に対する知識を理解した作業者でなければなりません。また、常に体調が良くなければ、難しい箇所のはんだ付けでは神経を集中し維持できません。これはうっかりミスにつながり、はんだ付け不良に気付かずに次工程にアッセンブリは移動してしまいます。   〈参考〉設計者の心得 設計とは理屈を並べれば頭の中でいくらでも物は作れます。頭と現場とに開きがあると、設計ミスは社内では生産性が劣って経費がかかる程度ですみます。しかし、市場で不具合が発生すると、製品の機能がなくなるばかりか、家が燃え、人身事故を招き、あるいは地域住民全体に迷惑をかけることにもなります。 多少はできますが、生産技術は無理難題を解決してくれる部署ではありません。それよりも作業者が楽に、しかも確実に作業ができよう配慮する心に設計者としての実力が伺えるものです。  

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Q11 フィレットの周辺に白色の粉が付着しています。どのような問題があるのでしようか?

ANSWER 1.観察のポイント やに入りはんだのフラックスは天然ロジンあるいは天然ロジンを加工した変性ロジンなどを主原料として使われています。 ロジンを普通に加熱すると、60℃~85℃で軟化し110℃位から液体となります。ところが高い温度で加熱すると、固体~軟化~夜体の過程を経ないで固体~液体にとなります。この変化はコテの温度が350℃位から顕著となり、この時の体積変化と発生ガスによりロジンの一部は固体の微細粉となって空中に放出します。これは、ひとつひとつはロジンの粒子ですが、状態としては白煙に見えます。はんだ付け時に基板、部品面に沈着して外観を損ねることになります(写真a、b)。 写真cは250℃のコテではんだを再溶融したものですが、はんだの周辺の白色物質が溶融したのが確認できます。実体顕微鏡で観察しながらコテを当てますと、白色物質が速やかに溶けるのが分かります。正常なやに入りはんだであれば、絶縁性を低下することはありません。

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