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1.不良解析の着目点

1.    不良解析の着目点 1. 1 観察と疑問 不良解析と言う仕事はいかに些細なことであっても、そこで起こる現象に常に目を向け、その現象の何が原因しているかを知ることが大切です。まず、「ありのままの状態を観察すること」がその第一歩になります。例えば、新しい割れか古い割れかは、割れと言う隙間の中に、アッセンブリ上に堆積したゴミが存在しているかどうかで判断ができます。不具合基板を本体から外す時に、誤って割れを起こした場合は、本人は分かっていても、第三者が見た場合は、誤って割ったのかは分からなくなります。誤って割ってしまった場合、割れの中に基板表面に堆積しているゴミは入っていません。 よって、「新しい割れ」の判断の1つとなります。 このようにゴミと言えども判断基準となります。したがって、観察前にゴミを吹き飛ばしてしまえば、判断ができなくなることもあります。ありのままを観察することは不良解析のスタート時の基本となるわけです。 観察しながら 「なぜ、ここにあるのだろう」 「なぜ、ないのだろう」 「なぜ、色が違うのだろう」 「なぜ、隙間があるのだろう」 と、単純なことでも、疑問を抱くことです。 不良解析では、常に「観察と疑問の繰り返し」がベースとなります。「単純でありふれた存在]、あるいは「あまりにも単純な現象」は見逃しやすいだけに、観察者が気付くのが実は大変難しいのですが、それを見破ることができるか否かが、解析担当者の実力となります。 はんだ付け部で起きる現象は、高校レベルの物理や化学の知識で十分です。数式や化学式ではなく、むしろ「現象」もしくは「変化」を理解しておくことの方が役に立ちます。 「液体は温度が高くなると、粘性は小さくなる」………(A) 「大きな物は、温度が上がりにくい」……………………(B) というような単純な現象から、(A)は「粘性の小さい方に液体は流れる」、(B)は「大小の部品を加熱すれば、温度上昇に時間差が生じる」、と言う考えに展開することができます。 これが発想の転化ですが、解析の担当者は日頃の発想の転化の訓練は大切になります。それにより「現象を探す目」が養われてきます。例えばチップ電極に汚れがあっただけで、色々な不具合の発生を想定することができるようになり、不良解析が正確に効率よく行えるようになります。 ここで「なぜ、ないのだろう」と言う単純な疑問がどのように展開していくかを説明しますと、「あるべき所にない」と気付けば、「もともとなかった」か、「あったがなくなってしまった]かのいずれかになります。「あった物がなくなる」ことは移動の行為があったことになります。重さのある物が移動するのですから、何らかの力が作用したことになります。 力には「引く力」、「押す力」、「膨張する力」、「収縮する力」などがあります。それでは力はどのような状態から発生するかとなると、衝撃、振動、音、熱、気流、蒸発(ガス化)、表面張力(蓮の葉の上の水滴)、人の動作(早い動き、遅い動き、震え)などがあるわけです。不具合を起こした時に、「なぜ、ないのだろう」と言う単純な疑問により、力の発生源が音なのか、熱なのか、それが膨張する力に変ったのか、あるいは引張る力に変ったのか、を推理することができます。 つぎに、普通では音が割れにつながるとは考えにくいのですが、「なぜ?」と言う疑問がまた起きます。観察すると「どうも、正常品と比較して、不具合品の板は薄いようだ」。音は振動ですから、板が薄ければ音に共振して、局部に力が集中することになります。すなわち、板が薄かったことにより、「共振]という現象で力が加速したことになります。本来、割れるはずがなくても、加速する因子があると、その現象が強調されます。これが加速因子であって、加速因子は目の前に存在していながら、時として、あまりにも単純でありふれた存在が故に、観察者が気付かないことがあります。 加速因子としては、色、厚み、大きさ、材質の違い、時間差、異物の付着などがあり、これらに疑問を抱くには、何度も現物で検証する地道さが要求されます。このように「初期の観察と疑問はまさに基本中の基本」であって、これを怠って現物を切断したり、樹脂に埋め込んだりすると、正しい現象を把握することはできず、不良解析は失敗に終わります。 現象をとらえることについて説明すると、やに入りはんだによるはんだ付け作業で、少々大きな液体のはんだボールが基板上を移動したとすれば、カタツムリが歩いた跡と同じ現象になります。すなわち、液体のはんだボールの表面には溶融フラックスが存在しているからです。溶融はんだボールが僅かに動いたところには、基板面にフラックスが転着したのが観察できます。 写真1(a)にはんだボールを,写真1(b)は照明を変えてフラックスを強調して撮影したものです。すべてこのように顕著に観察できるとは限りませんが、フラックスの痕跡によりどのはんだ付け部の作業で飛来したかが分かります。 不良解析の担当者はこのように日頃の「観察と疑問」の繰り返しの中で、やがて鋭い観察の目が養われます。 外観観察では不良の原因が分かるレベルのところまで解析します。次に、必要に応じて断面観察を行い、成分分析で裏付けをとり、最終的に再現試験を実施して完結をみます。ただし、明白な事実が確認でき、不良の原因が確定できるならば、その時点で不良解析は終了し、ラインを立ち上げます。   1.    2 外観観察の仕方   モノ作りはいろいろな過程を経て製品になります。解析は目の前にある不具合品から、過去の生産過程に踏み入って推理を開始する訳ですから、現物をいかに正しく観察するかが重要となります。もちろん、正常品の観察、過去の記録、使用環境などの情報も重要であることは言うまでもありません。 基板上に不具合が発生した場合、まずその状態を観察すると、往々にして、正常なはんだ付け部の確認を忘れてしまうことがあります。正常なはんだ付け部を観察することにより、使用された基板の良否、部品の良否、はんだの良否、フラックスの良否などが分かります。これらの良否を総合することにより、設計のレベル、生産時の設備、工程などの管理、現場作業者のはんだ付けに対する認識のレベルなどを読みとることができます。 このような手続きを経ることにより、初めて「不具合部に限定した異常」として正しく把握することができます。このような手続きを踏まず、不具合部だけを追求すると、状態を正しく認識できなくなります。 そのために不良解析は不具合品全体の観察から始めなければなりません。 1.2.1 不具合品の全体を観察 まず、観察する場合は帯電防止用の手袋を必ず着用します。   (1)静的観察(写真撮影)と動的観察(ビデオ撮影) 撮影用の光源が重要となります。観察物の色彩を正しく表現する光源は太陽光が理想で、次に室内では写真撮影用のデイライトランプの300~500ワットの照明器具が必要となります。 静的観察は主に市場発生の不良解析として肉眼及び写真撮影(フィルムの場合はIS0400が適している)、動的観察は主に生産現場のはんだ付け不良の解析として、肉眼観察より正確になります。静的観察は状態の違いを知る手段として有効であり、動的観察は時間にともなう現象を見つけるのに有効となります。これらの観察を行うことにより状態把握の精度が高まるだけでなく、観察の見逃しを防止することができます。 … 続きを読む

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2.不良解析に役立つはんだ付けの着目点

2.1 立体的構造物とはんだ付けの障害 どのように小さな接合邦であっても、はんだ付けは立体的構造物を造る技術です。立体でとらえることで、熱の伝達の道筋が読めます。この道筋こそ溶融はんだの通り達になります。この通り達にはいろいろな障害があり、それがはんだ付け不良、市場での不具合の原因となっています。 これまで手掛けた多くの不良解析の結果、障害は、”温度(熱)”、”汚れ”、”力”の3因子に大別されることが分かります。 2.1.1 障害の1「熱の伝達」 噴流はんだ付け用基板のスルーホールを平面図で描くと、図4となります。これを立体で描くと図5(a)となります。回中Aのスルーホールの大きさはBより小さく、予熱ゾーンに入るとAは先に温度が上がります。したがって、AはBの熱の供給源となり、Bに向かって熱が移動します。結果としてAは温度上昇が遅れます。 一方、図5(b)では図5(a)と同じ大きさのスルーホールのAがありますが、これにはさらに小さなスルーホールBが接続されているので、Bが先に温度が上がりBから熱が供給されます。   したがって、同じ大きさのスルーホールであっても、温度の上昇に時間差を生じる結果となります。 回路設計では導体を長く引く場合があります。図5(a)のAはBに熱が奪われますが、図6に示したように、(a)から出ている導体が長く、基板上リフロー炉に侵入する先頭に位置していると、先に加熱されて熱が供給されます。この場合は図5(a)とは熱の流れが逆になります。 このように炉中をアッセンブリが通過するだけであっても、回路、部品、基板により熱の流れが変わります。熱の流れによりはんだ付け部の温度上昇に差が生じ、これが時間差となってはんだ溶融開始を遅らせることになってマンハッタン現象やリード浮きの原因にもなります。   2.1.2 障害の2「金属の熱伝導率」 はんだの通り道は金属があります。金属の性質の中でとりわけ熱の伝導率は、「熱不足、熱過多の原因」にもなる重要な因子となっています。黄銅は銅の約1/3の伝導率なので、黄銅のリード1本加熱するのと、同じサイズの銅を3本同時に加熱するのと熱容量は同じになります。したがって、銅をはんだ付けするのと同じ条件で黄銅にはんだ付けしますと熱不足が原因のはんだ付け不良になります。 このことは現場の作業者に限らず、回路設計あるいははんだ付け継ぎ手の設計をされる方も、理解しておかなければなりません。表4に金属材料の一般的な熱伝導率を示します。 このほか熱の伝導を妨げる金属側の因子は、金属表面の汚れ、酸化物、腐蝕生成物、蒸発物質( 化熱)、ゴミの介在)など等があります。 2.1.3 障害の3「はんだ付け部金属表面の汚れ」 はんだ付けされる金属材料の表面状態がどのようになっているかを知ることは生産性と信頼性の面からも重要になります。 私たちはほとんどの金属材料の真の肌を見ておりません。私たちが見ているのは、表面の酸化物と汚れになります。 10円硬貨は材質が銅なので、銅と言いますが、はんだ付けの立場で見れば表面は銅ではありません(写真13)。             表面を銅としてとらえるか、汚れとしてとらえるかは、はんだ付け性に直接関係するだけに重要になります。すなわち、表面を汚れとしてととらえれば、はんだ付け性は「障害」として認識され、改善しなければならないと判断できるようになります。しかし、現場では気付かない場合が多く、気付いても強く認識しないと、次の「改善」という行為に至りません。結果として、生産性と信頼性が向上しなくなります。図7は金属の断面を模擬的に描いたものです。 加熱をした場合、(a)は汚れと酸化物があるため、熱の伝達が悪く、(b)は熱の伝達が良いと理解できます。 同じチップ部品のはんだ付けでも、やに入りはんだでは、常に新鮮なフラックスがチップ電極の側面に供給されるので、電極部が少々酸化と汚れ状態になっていても、はんだ付け性は良好になります。 同様に、噴流はんだ付けでもフラックスは、はんだ付け部全面に塗布されているので、はんだ付けは良好になります。しかし、クリームはんだで改善しなければならないと判断できるようになります。しかし、現場では気付かない場合が多く、気付いても強く認識しないと、次の「改善」という行為に至りません。結果として、生産性と信頼性が向上しなくなります。図7は金属の断面を模擬的に描いたものです。 加熱をした場合、(a)は汚れと酸化物があるため、熱の伝達が悪く、(b)は熱の伝達が良いと理解できます。 同じチップ部品のはんだ付けでも、やに入りはんだでは、常に新鮮なフラックスがチップ電極の側面に供給されるので、電極部が少々酸化と汚れ状態になっていても、はんだ付け性は良好になります。 同様に、噴流はんだ付けでもフラックスは、はんだ付け部全面に塗布されているので、はんだ付けは良好になります。しかし、クリームはんだでは、印刷されたクリームはんだの表面にチップがは、印刷されたクリームはんだの表面にチップが載っているだけなので、はんだ付けされる電極側面にはフラックスが存在していません。したがって、前二者と比較するとクリームはんだは、はんだ付け性が悪くなります。金属の表面の汚れと酸化物は、このようにはんだ付け方法によって、はんだ付け性に影響が出やすくなります。   (1)汚れによるフラックス作用の低下 クリームはんだのようにフラックスは加熱により基板面から電極側面を這い上がって行きます。表面酸化物と汚れはフラックスで洗浄されることになっていますが、実際にはフラックスが這い上がって行くほど、フラックスの先端部は活性剤分が消耗し、しかも金属表面の汚れと酸化物を溶かし込むので、フラックスとしてのクリーニング作用は薄れてきます。 金属表面の酸化と汚れははんだ付け性ばかりでなく、クリームはんだの印刷量との絡みもあって、チップ浮き、チップ脇はんだボール等の不良の原因にもなります。 基板スルーホール内は洗浄が不十分になりがちです。イオン物質が洗浄不十分で残留した場合、汚染されていることになりますが、やがて写真14に示したように腐食に発展します。この基板を噴流はんだ付けしたのが、写真15(になります。このような原因で穴あきとなれば当然修正をして外観では穴あきは見えなくなりますが、スルーホール内部の腐食物質はフラックスでは除去できませんので、市場に出てはんだ割れ、多層基板では層間断線、フィレットが燃えるなどの事故に進展します。 (2)部品の酸化の追放 高密度実装になるほど僅かな酸化、汚れ、腐食が影響を与えるようになります。多くのはんだ付け専門書では「フラックスの作用」として「酸化物の除去」が記述されています。このため、「フラックスは酸化物を除去してくれるもの」と信じている方がいます。はんだ付け不良の原因には、フラックスの影響もありますが、あきらかにアッセンブリ上に搭載されている部品が原因の場合があります。特定の部品に限定してはんだ付け不良が発生しているのであれば、一般には、その部品のはんだ付け部が悪いと判断できます。その原因がはんだ付け部の酸化物によるものであれば、はんだ付け不良の改善として、まず、部品の酸化に照準を合わせなければなりません。 酸化の原因が受け入れ時にすでに確認できているのであれば、部品メーカーに改善させなければなりませんし、酸化が受け入れ後の保管状態で進行したのであれば、保管の場所、保管の方法を改善しなければなりません。はんだ付けの立場から、単に「はんだ付け性が良くなれば」と言う安易な考えで、はんだメーカーに対し、より強い活性力のあるフラックスを要求するのは誤りです。これは絶縁不良の原因にもなります。部品の保管に適している場所としては、次に列記するように、ゴミ、ほこり、水、発生ガス、光、カビ、虫などの影響を受けない場所が基本となります。 … 続きを読む

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