Q20 ICのはんだ付け部で割れが市場で発生しました。設計等に生かしたいと思いますのでポイントを教えて下さい。

ANSWER

1.観察のポイント

①基板の反り。

②放熱板の基板への固定状態。

③ビスによる放熱板への固定の状態。

④ICの接着の状態。

⑤ICのはんだ付け部のランドの大きさ。

以上のポイントが挙げられます。

はんだ付け前に放熱板とIC一式を基板のランド穴に挿入し、ボンドを介して写真aに示したようにICと放熱板を1本のビスで固定しています。放熱板にタップをたててねじを切り、そこに直接ビスで止めていますが、スプリングワッシャー、ナットは使用されておりません。時計回りの力により、ビスを境として右側の放熱板が強く基板面に押し付けられ、これが噴流はんだ付け時の熱で緩む原因となってしまいます。放熱板の基板への固定は、2つの端子を噴流はんだ付けで行なっていますが、写真aの左側の放熱板の端子は写真cに示したように大きく割れ、フィレットの高さも低く、はんだ量も少なくなっています。これに対し右側の端子は写真dに示したように、やに入りはんだで修正され、はんだの量も十分あってはんだ割れは確認できません。

ICのはんだ付け部は写真bに示したように13箇所あり、左側のフィレットほど割れは顕著なのが特徴です。割れは繰り返し荷重がかかった形跡はなく、時間をかけて割れた様相を呈しています。ICのはんだ割れを写真e、fに示します。フィレットの大きさからすると、写真eのフィレットより写真cのフィレットの方が大きく、それだけに写真cの端子のはんだ付け部は強度があるはずですが、実際にはcの割れ(割れという隙間)が最も大きい状態になっています。

2.発生のメカニズム

放熱板のビス止めの固定方法が適切でなかったために、噴流はんだ付けの熱影響で放熱板と基板とが緩むきっかけができてしまいました。噴流はんだ付け後、作業者はこの箇所のはんだ量が少ないことの持つ重要性を認識していなかったために、追いはんだを行う意識もありませんでした。これに対し写真dの端子は作業者の目から明らかに修正しなければならないはんだ付け不良が確認されたので、作業者は修正のため追いはんだを行っています。(やに入りはんだの修正ではんだ量が少ないと割れが起きます)

製品使用中にICが発熱し放熱板と基板の押さえ部が一層ゆるんで、左側の端子から割れが開始して、次にICのはんだ付け部に割れが転じ、さらに進行した訳です。

3.対 策

発熱する部品のはんだ付け部は強度低下の危険性を常にはらんでいます。この熱をいかに逃がすかは回路設計を含め重要になります。今回のはんだ割れは根本的には放熱板の固定の方法に欠陥があり、さらに作業者がはんだ付け性の持つ重要性を認識していなかった点にあります。

見直す点は以下の通りです。

(1)放熱板の大きさ、形状、底面の機械加工の精度(バリは厳禁)。

(2)基板への固定方法。

(3)放熱板へのICの固定方法。

(4)ランドの大きさとその導体巾(放熱効果)

このような事故を未然に防ぐためには、作業者のはんだ付け作業の重要性の認識、技量、集中力が要求されます。

特にはんだ付けでは、やに入りはんだによる追いはんだを実行することで強度が確保されます。

 

 

 

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Q19 電気めっきのはんだ付け部で、はんだはじきが発生しました。どのような原因なのか教えて下さい。

Answer

1.観察のポイント

写真aは、噴流はんだ付け後のはんだはじき(dewetting)を起こした外観です。さらに拡大したのが写真bで、この写真では小さな黒い斑点が無数観察できます。

写真cは未使用のめっき表面で、特に異常は確認できませんが、拡大すると写真dとなり、噴流はんだ付け後の顕微鏡写真と黒い斑点が一致します。

めっきの状態が悪いと写真eに示したようにガスが発生して界面に空洞を作ります。このような状態になっているめっき部を加熱すると、めっき部が溶融する前に写真fに示したように剥がれることがあります。

参考までに、噴流はんだ付けで発生したはんだはじきを写真gに示します。はんだはじきはパッド表面の酸化、汚染などにより発生したものです。

本はんだ付け部では、針状結晶が観察されています。この状態を写真hに示します。この針状結晶は、はんだバスの銅分の溶け込みが多くなると多発します。

2.予想される不具合

市場の温度サイクル、振動などによりはんだ剥がれが起きます。

3.原因と対策

はんだはじきはもともとめっきの状態が悪かったことに起因しています。これは一連のめっきの前工程の脱脂、酸洗い、洗浄などの不備、めっき工程では浴の老化が挙げられます。まれに素材の品質が悪い場合も起きることがあります。

実装ラインですずめっき、はんだ合金めっきの表面が白あるいは鼠色に変色している場合は、はんだはじきが予想されます。

4.めっき良否の判別法

抜き取りでリード線をめっき部にはんだ付けして引き剥がしてみます。簡単に剥がれた場合、同じ箇所を再度新しいリード線をはんだ付けして剥がしてみます。簡単に剥がれれば、めっき不良となります。剥がれなければ1回目のはんだ付け作業のミスとなります。

めっき不良の場合は地肌が出るまで砂消しゴムでこすって、その箇所にはんだ付けをします。室温に冷却した後、一般には引き剥がすのが困難になるほどしっかり付いています。これを判断基準とします。

めっき部の1回目のはんだ付けで、判断基準の強さが得られれば良い訳ですから、めっきメーカーに対して、この方法で満足しためっき品を納入していただくようにします。

この判別法は設備を必要とせず、手軽でしかも正しい判断ができます。電気めっき、無電解めっきに応用できます。

この方法で簡単にはんだ付け部が剥がれる場合は、市場においてもはんだ剥がれの事故が起きます。すずめっき、金めっき、はんだめっき、銀めっきに適用できます。

 

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Q18 部品のリードの腐植とはんだ付け後のスルーホール内の挙動を教えてください。

 

 

 

 

 

 

1.観察のポイント

写真aは、はんだ付け前の抵抗のリードを示したものです。よくリードの表面は部分的に腐食している場合があります。

噴流はんだ付けではフラックスが塗布されると、腐食部の水分とフラックス中の活性剤分とが結びつきます。

さらにこれが予熱ゾーンで加熱されるとこの結びつきは強固になります。

この状態ではんだバスに入るとこの箇所から盛んにガスを発生します。写真bでは、スルーホール内のリード線の周辺からガスが多数発生しているのが観察できます。さらに加熱が続くとガスは互いに融合して大きくなり、写真Cに示す大きなブローホールに発達することがあります。

2.予想される不具合

溶融はんだ中のブローホールははんだが凝固するとその容積は小さくなります。このことはブローホールがただの空間ではなく、圧縮された空気が詰まっていると考えることができます。したがって、この空間は膨張しようとする力を持っています。写真bのフィレットに存在する大きなブローホールは、使用環境の温度サイクルを受けて膨張収縮を繰り返すことにより、はんだ割れの原因となります。

3.対 策

日頃、実作業に従事している人なら、リードの汚れは目視で識別できます。正常品と比較して一瞬のうちに目に付くようなら、これは要注意です。メーカーに連絡することが第一優先となります。部品メーカーでは、リード線はメーカーから購入しているのがほとんどです。アッセンブリの現場から苦情が出たのであれば、部品メーカーは社内在庫品を確認した上でリード線メーカーに改善してもらわなければなりません。

リード線メーカーでは抵抗などに使用されるリード線は、最終線径まで線引すると鋼線をフラックスの中を通し、次に溶融はんだ(或いは溶融すず)中に自動浸漬し、はんだめっき線を作ります。無洗浄タイプのフラックスを使用しているので残流は普通洗浄しません。一般にはリード線の腐食は斑点状が特徴です。はんだめっきした時のフラックスがはねて付着し、それが吸湿した可能性があります。リード線のメーカでは、フラックス中の水分量とイオン物質の量を測定します。この結果によって、フラックスを交換するか否かを決めなければなりません

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Q17 SOPでブリッジが発生しています。原因と対策を教えてください。

ANSWER

チップ混載のアッセンプリにはQFP、SOPのような表面実装部品が搭載されており、はんだ付け不良としてブリッジがよくみられます。原因にはいろいろな因子があって、どの因子が最も強く出たかは一つひとつ検証しなければなりません。本アッセンブリにおいては下記の理由によるものでした。

 

 

 


 

 

 

 

1.観察のポイント

①本SOPはフェノール基板の端に近い所に搭載され、しかもSOPが搭載している側では基板の厚み分の反りが発生し、基板の割る箇所ですでに基板割れが起きている(写真a)。

②写真bに示すブリッジが基板を流す頭側で発生している。

③写真Cに示したブリッジのないSOPは基板の中央に位置している。

④写真bの側面のリード形状を写真dに、写真cのリード形状を写真eに示す。

⑤基板上その他のフィレットでは、基板に対しほぼ真上にツノが発生している(写真f)。

⑥ツノの多発は基板割れの周辺に集中している。

本SOPの基板搭載位置はコンベアの爪の付近にあり、その近くで基板の厚み分の反りが発生しています。アッセンブリ全体からみるとコンベアの爪が支えている基板の高さは正常ですが、基板割れを境として、反対側は基板の厚み分かはんだバスに深く浸漬したことになります。この基板割れは、写真gに示したようにケースの端子をひねって基板に固定したことにより発生したものです。

SOPのブリッジとその他の部品でのツノの発生に共通していることは、フィレットのはんだ切れに有効なフラックス量が減少している点です。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.発生のメカニズムと対策

基板にケースをひねって取り付ける時に、何らかのミスで基板に大きな応力をかけることになってしまった。フラックス塗布後アッセンブリは予熱ゾーンに入りますが、この時ケースが熱変形し、その力で基板を割っています。この割れによりコンペアの爪の位置を基準とするとヽはんだ付け面は基板の厚み分下がったことになります。

このまま噴流はんだバスに侵入したので、噴流する溶融はんだの基板面に対する当たりが強くなり、フラックスは洗い流され、さらに二次噴流でもフラックスは洗い流されてしまいました。この結果、フイレットを形成するのに必要なフラックスが減少し、ブリッジの発生に至っています。当該SOPのリードの形状は写真dに示したように、写真eと比較して外観が異なり、パッケージとの隙間も狭い状態にあるので、溶融はんだの通りが阻害されやすい傾向にあります。他のはんだ付け箇所でもフラックスは洗い流され、ツノが多発しています。ツノは基板面に対しほぼ垂直なので、コンベアスピードと噴流の落ちるスピードが良好な状態にあったことを裏付けています。

ここでは、ケースの基板への固定法について設計段階に戻り検討しなければなりません。このような固定の方法は、基板にストレスを与えるばかりでなく、振動を拾って緩むと、再び固定することはありません。はんだ割れ、導体破断などの事例もあります。作業者ははんだ付け部に目が行きがちですが、全体の状態を観察することで目視でも分かりますから、はんだ付け後の基板割れに注意されると良いでしょう。その他の条件は良好なので噴流はんだ付け条件をいじってはなりません。

〈参考〉

「ひねり」による固定方法のほかに、「かしめ」も同じように基板に与える影響はあります。いずれの固定方法も、一度ゆるむと二度と固定はできなくなるので、ゆるんだときに力がはんだ付け部にかからないような構造にしておかなければなりません。

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Q16 穴あきと、はんだボールとは関係があるのでしょうか?

ANSWER

1. 観察のポイントと発生のメカニズム

穴あきの原因にはいろいろな因子によるが因果関係があります。片面基板及び両面基板いずれの場合もあります。写真aは片面基板で上のフィレットからはんだボールが発生しています。はんだボールはランドの穴の中でも確認できます。この写真の穴あきは、むしろランド穴に対してリードが細すぎ、さらにクリンチしているのも原囚に挙げられます。この穴の内部に水分が存在していると、予熟ゾーンを過ぎても水分は蒸発しきれず、はんだバスの中で一気にガス化して、穴あきとなっています。

写真bは中央のフィレットから発生したはんだボ-ルです。これは穴あきではありません。写真cはこれを側面から撮影したもので、フィレットの中腹部にこれからまさに飛敗しかかった半球状の突起が4点確認できます(対策の項を参照)。フィレットは自らの噴

出で光沢がないのが特徴です。

一般には正常なフィレットは肌が滑らかであるのに対し、写真cのフィレットでは表面が滑らかではなく、がさついた状態となっています。これはアッセンブリが二次噴流面から離脱する時にも、穴の内壁から水蒸気が出て爆発し、フィレットになる溶融はんだを吹き飛ばした、その勢いで基板面にはんだボールとして付着したものです。

スルーホール内部から発生したガスはさまざまな創造物となり目を楽しませてくれます、写真dはドームとなった屋根部が欠損した姿、写真eは太鼓状にふくらんだ姿、写真fは風船がつぶれた姿を見せてます。基板の反対側がレジストで閉ざされていると起きやすくなります。

2.予想される不具合

水分がスルーホール内に存在していたことが原因になります。基板スルーホールの中は水分単独ではなく、洗浄不足による基板エッチング液の残留あるいはめっき液の残留があります。噴流はんだ付けで水分が一時的に蒸発することはありますが、スルーホール内に残留しているイオン物質がやがて吸湿すると、両面基板あるいは多層基板では、スルーホールの壁面を腐食し、導通不良の事故へ進展することがあります。

3.対 策

同じロットの基板の同じ穴径のスルーホールにやに入りはんだでコテ付けしてみます。この時、実体顕微鏡で観察しながらはんだ付けをします(できればビデオで撮影しますと良く分かります)。はんだが付いてもしばらくコテを当てた状態で観察すると、火山の噴火のようにガスが出て来るのが確認できます。このガスがはんだボールの発生の引き金となります。さっそく基板メーカーに改善を要求することになります。

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Q15 部品をクリンチしていますが、問題点を教えて下さい。

ANSWER

クリンチは部品を基板に固定することにより,はんだ付け時の部品のブレ防止と接合部の強度補強の目的で行われます。普通片面基板が主流ですが、両面基板でも噴流はんだ付け時のブレ防止のために行われます。部品配置ミスあるいは基板の流す方向を誤ると、写真aに示したように、ブリッジの発生原因になることがあります。写真bは同じ箇所を側面から見た状態で、溶融はんだは手前から奥へ向かって流れます。写真a、bの状態から溶融はんだの流れはクリンチ部で乱れ、フラックスの効果が半減するようです。この部分に限定してブリッジを防止するのであれば、フラックスの塗布量を増やせば改善できますが、写真cに示したように他の箇所で穴あきの原因になります。

写真cの場合の穴あきはランド穴が大き過ぎるのも原因ですが、基板の流す方向も原因に挙げられます。

写真では右から左へ流していますが、逆方向から流せばブリッジの発生確率は減少し、フィレットは形成しますが、写真dに示したようにフィレットのはんだ量が減少して割れの原因にもなります。

外観では分かりにくいのですが、断面図で検討した場合、クリンチしたりードが基板面から離れていると、図aに示したようには部品を支える箇所のはんだ量が少なくなり、使用環境の振動、ピートサイクルなどにより割れに敏感となります。

 

 

 

 

 

クリンチの時の力が強すぎると、はんだバスには入ってからの熱衝撃で、クリンチ下の導体破断が起きることがあるので、十分検討した上でクリンチ時の力を決定すべきです

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Q14 部品に限定して穴あきが起きています。どのような原因でしょうか?

1.観察のポイント

①写真aの3本のリードはいずれも先端にはんだが濡れていない。

②穴あきの箇所を観察すると、片面基板であることが分かる。

③穴あきの箇所を観察すると、リードの表面めっきが消失し地肌が露出し、しかも露出部はランドの面と高さがほぼ一一致している。

④右端のフィレットでは、リードに対し矢印の半分で一一部はんだがはじいている。

⑤そのためフィレット裾野が正常な曲線を描いていない。

⑥ピントはずれているが、右上のフィレットは良好な裾野を描いている。

⑦穴あきの筒所はランド穴がリードと比較して極端に大きいということはなく、ランド全面にはんだが良く濡れている。

以上のポイントが挙げられます。

さて、①については、同じ傾向ではんだが濡れていません。このことからリード側にはんだ付け不良を起こす要因があったものと推定できます。

②について、片面基板では一般には金型プレスで打ち抜いてランド穴をあけます。加工精度が落ちてくると、穴の内面はザクザクとなり、吸湿しやすくなります。

③に付いて、リードは表面にめっきがかかっています。これには溶融はんだめっきと電気めっきとがあります。前者の場合、噴流はんだ付けではじいたとしても、はんだの色をしていなければなりません。本写真では地肌が見えているので、後者の電気めっきだったことが分かります。

④について、程度の差はあっでも、リードのめっき状態が悪かったと推定できます。

⑥について、右上のフィレットが良好であることから、使用したポストフラックは良好であったと推定できます。はんだ、フラックス、温度プロファイルなどは良好と言えるようです、

⑦について、基板のランドも正常と言えます。

2.発生のメカニズム

当該部品のリードはリン青銅で、これに下地銅めっきの錫系合金めっき(この項では以降すずめっき)がかけられていたいたものと推定できます。すずめっきの密着性が悪く、しかも、密着不良部のリン青銅の表面は銅の色はしていても、すでに変色してはんだとの濡れ性が悪い状態にありました。

アッセンブリにフラックスが塗布され、予熱ゾーンを経てはんだバスに侵入すると、溶融はんだ中で密着不良部からガスが発生します。このガスが溶融はんだ中でフラックスをリード部から離脱させ、すずめっきもリードから離脱しました。密着不良部は高さ的にランド面と同じレベルにあるので、はんだはリードに濡れることなく噴流はんだ付けは完了しました。

めっきの密着不良の例として写真b、c、dに示します。これはハイブリッドICの樹脂部を外したもので、写真bはセラミック基板側でリン青銅の地肌が露出し、写真cは樹脂側にめっきが剥がれた面を見せています。めっき不良の場合、写真c、dに示したように、はんだ付け時に簡単に剥れることがあります。これもめっき不良によるはんだ事故例です。部品は基仮に自動挿入されるので、実装ラインで気付くのは大変難しい状況にあります。

3.対 策

まず、未使用の部品に対してはんだウオッシャーを実施し、はんだ不濡れがあるかどうかの確認をとります。不濡れが確認できたら、部品メーカーに現物と写真を提示して改善させます。この場合、保管についての管理不備が指摘されることもあるので、日頃から部品の保管(保管環境と管理の記録)は徹底し、不備のないことを申し添えなければなりません。

不具合は数年後に発覚することがあるので、部品メーカーにあっても出荷製品の製造記録が必要になります。

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Q13 基板上、場所が限定して穴あきが発生しています。どのように観察したらよいでしょうか?

ANSWER

1.観察のポイント

①ランドの全面が良く濡れている。

②ランド穴径とリードの間隙は良好である。

③時計の20分方向にリードとランドにブリッジが発生している。

④同じ箇所に抵抗があり、③のブリッジの延長線上にこの抵抗のはんだ付け箇所が位置している。

⑤フラックス残渣の量は多い。

⑥左下に糸くずが存在している。

以上のポイントが挙げられます。

さて、①については、ランドの平面度は良好で、はんだの濡れの状態も良いことから、基板ランド面に穴あきの原因はありません。

②について、ランド穴が大きすぎると穴あきの原因になりますが、本の穴あきの箇所はむしろ良好と言えます。

③について、これは重要な観察ポイントになります。

④について、これも重要な観察ポイントとなります。前項の③との関係から、基板の流した方向は本写真の上から下になります。

⑤について、フラックス残渣の量が多いことは、はんだの切れが大変良いことになります。

⑥について、このゴミははんだ付け後に付着したものです。噴流はんだ槽の周辺の整理、整頓、清掃の基本管理にかけていることが想定できます。このようなことから、実装関係者の「はんだ付けの重要性」に対する認識が薄い、と判断される根拠となります。

観察のポイントに対しては以上になります。ここで穴あきの因子として、リードの表面状態が問題となります。本写真ではリード表面の状態は全く分かりません。ここで注意して検討すると、解析依頼のコメントとして、「場所が限定している」と言われている点です。このコメントは結論として、リードの表面状態は良好であったことを証明するものです。

それは、はんだ付けされる部品は最低リードが2本あるからです。リードの表面状態が悪いのが原因であるならば、もう一方のリード側でも穴あきが起こります。

その場合、依頼者は「場所に限定して」と言わず、「部品に限定して」とコメントするはずです。

実際には「場所に限定して」というコメントなので、観察ポイントの検証結果からし「配置に問題がある」ということがはっきりしてきます。「配置に問題がある」点を改めて見直すと、「ランドと抵抗のはんだ付け部が接近しすぎている」ことが分かります。穴あきはこの「接近しすぎている」のが、原因となっています。

2.発生のメカニズム

固形分の多いフラックスが基仮面に供給され、噴流はんだ付け装置に入りました。温度プロファイル、はんだ槽など全て正常です。予熱ゾーンからはんだバスに侵入し、ここでもはんだ付けは正常に進行しています。

まず、写真の上に位置している抵抗がはんだバスから抜け出ました。本写真のランドの上半分まで正常な進行状況です。ランドの右側の基板面はフラットで広い面積があるので、抵抗があるランド右側と比較してはんだの流れは速くなります。そのためランド右側では溶融はんだは動きが鈍くなってとどまりやすくなっています。

全体的にフラックスが多いために、ランド左側からはんだの切れが始まります。先に述べた「溶融はんだの流れが速く」、しかも「切れが良い」ことにより、はんだの流れをランド面上時計の20分方向に変える働きをします。この方向とランドと抵抗との位置閉係が一致しているので、時計の20分方向のはんだの流れは、抵抗のはんだ付け部に一層引き寄せられるようになります。引き寄せられながらはんだは移動しますが、多いフラックス分よってさらに切れが良くなり、これがランド上のはんだの流れを加速します。

このようにして抵抗の電極部にはんだが引き寄せられるようになりますが、この後、はんだバスから流れ落ちるはんだに引き寄せられ、ランドのフィレットになるはずのはんだは、はんだバスの中に流れ落ちてしまい穴あきになってしまいました。

3.対 策

基本的には回路設計のミスが原因しているので、部品のレイアウトを変更しない限り皆無にはなりません。

現状では次の点を検討します。

①基板の流す方向を変える。

②フラックスの塗布量、固形分を少なくする。

③二次噴流の落とすスピードを変える。

④回路設計者にフィードバックし、次同設計に役立てる。

残渣が多いことは、過去に部品或いは基板のはんだ付け部に欠陥があり、固形分の多いフラックスで解決したことが予想されます。

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Q12 なぜ、この基板にだけ穴あきが多発したのでしょうか?

1.観察のポイント

①リードの大きさからしてランド穴が特に大きいということはない(写真a)。

②クリンチしたりードの背はフラックスの効果が薄れて滑らかな肌はしていない。

③矢印1の箇所はグリーンの色をしているが、これはこの部分のフィレットにレジストの色が反  射して写っているが、このはんだ表面は滑らかになっている。

④ランド面にははんだが良好に濡れている。

⑤矢印2の箇所はランドが突起してランド全体がめくれている。

2.発生のメカニズム

片面基板ではんだ付け前にすでにランドは現在の状態にめくれていました。参考として写真bに片面基板の金型打ち抜いた時のランドを示します。基板を金型で打ち抜く場合、打ち抜き頻度が多くなるとポンチが摩耗します。これは打ち抜き性が低下してほとんどのランド穴で写真cに示すめくれがが生じます。

 

この状態になると、打ち抜かれた穴の内壁は基板樹脂がザクザクの状態になっています。したがって、この基板の内壁は保管中に水分を吸着し、はんだ付け工程でさらにフラックスが塗布されるので、基板がはんだバスに入るとガスを多量に発生して、穴あきの原因の1つになります。

また、このようにランドがめくれていると、突起の状態になるので、はんだバスの中ではんだの流れは図aに示したように、ランドから遠ざかるように流れます。すなわち、内壁から発生するガスと溶融はんだの流れが変わることにより、穴あきが加速されます。

このランドのめくれは注意すると、肉眼でも気付くので容易に良否が判断できます。しかし、はんだレベラーがかかって、はんだがランドの表面にコートされていると、ランドのめくれが確認できにくくなります。写真cにははんだレペラーのランドを示しますが、凹凸は分かりにくくなっています。光源の角度を変化させて観察すると、ランドの穴の外周部でめくれているのが分かります。

溶融はんだ中ではこの突起部の銅の溶け込みが早く、基板ランドは銅で汚染されたはんだがコートされることになり、はんだ付け不良またははんだはじきの原因になります。

実体顕微鏡で観察すると、めくれ箇所は凸状になっているため、高さ調整で研磨した時に露出し銅の色が写真dで観察できます。

3.対 策

さっそく基板メーカーに改善してもらいます。金型のポンチの再研磨は基板メーカーが実施するのはまれで、普通金型屋さんが行います。基板メーカーはショツト数(打ち抜き枚数)と再研磨の関係を徹底させなければなりません。

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Q11 基板上のゴミ或いは噴流はんだ槽の異物がはんだ付け性に及ぼす影響を教えてください。

 

ANSWER

1.観察のポイント

はんだ付け時に存在するゴミの類は千差万物です。比較的多いのは次の通りです。

①基板の樹脂粉(ガラス繊維、樹脂破片)

②繊維クズ。(手袋、衣類、帽子、ウエス)

③紙の繊維。(ティッシュペーパー、書類、段ボール、)

④毛(筆、毛髪)

⑤高温はんだでリードにはんだ上げした時に付着した酸化物。

⑥被覆線の被覆材

写真aに示したようにはんだ付け時にリードに異物が引っかかって穴あきの原因になります。これは筆の毛ですが、この毛がリードから離脱していれば原因不明の穴あきになります。

緊急の電話が入って解析したのが写真bのリード抜けです。写真cに示したように手袋の繊維がリードに絡んではんだ付け不良になったものです。このように1本の繊維クズではんだ付け不良になる場合もありますが、写真dに示したようにフィレットに閉じこめられる場合があります。

写真eは、噴流はんだ槽で発生したドロスが固化したものが、リードに引っかかってフィレットの外観不良となっています。このドロスがさらに大きい場合は穴あきとなります。

2.生産性と信頼性に及ぼす影響

このように基板或いは部品に付着していたゴミの類、或いははんだバスに存在していた固形のゴミは初期はんだ付け不良となります。

フィレットの表面に付着しているだけでは、強度に対する不安はありませんが、フィレットの内部にも介在している場合は、はんだ割れの危険性をはらんでぃます。

3.対 策

基板表面にドロスの存在が確認でき、フィレットに小さな穴あきがあった場合は、スルーホールの内部にもドロスが残留してることもあるので、修正は噴流はんだのフィレットを溶融して吸い取り、異物を除去してから修正はんだ付けを行います。このように繊維クズの付着があった場合は、全て修正の対象となります。

写真fは、フッ素系活性剤のやに入りはんだの電圧印加耐湿性試験を実施した時、繊維クズで発生したマイグレーションです。

繊維には、化繊、植物繊維、羊毛などがありますが、植物性の繊維クズがパターン問にまたがっていた場合、絶縁不良の原因にもなります。それは植物繊維は全て水の通り道だからです。

外観では繊維クズが化繊なのか植物性なのかの判断はできません。判断できないものであれば日常の作業でゴミ撲滅を実施しなければなりません。少なくともゴミのレベルまで視野を広げて、整理、整頓、清掃の徹底が望まれます。噴流はんだ付けラインの清掃は汚れが確認された時点で実施します。

もちろん、コンベアが動いている時はゴミ、はんだクズ等があってはなりません。

参考までに、写真fの白色物質ははんだの腐食生成物です。

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Q10 チップ脇のはんだボールは、どのような悪さがあるのでしょうか?

ANSWER

1.観察のポイント

写真aは、チップ固定ボンドから発生したはんだボールを示します。チップの大きさと比較すると、大変小さいことが分かります。写真bは、ボンドから離れた位置に飛散したはんだボールを示します。

写真cは飛散したボールによって未はんだ部で濡れた写真です。写真dはこの写真の部分拡大ですが、はんだボールが発生した箇所を示します。

2.発生のメカニズム

チップ固定のボンドの溶剤が予熱が終了しても残留したままはんだバスに侵入します。この時アッセンブリから多量のガスが発生し、当該パッド部はガスによりドーム状になっています。ボンドから発生したガスははんだを微細にはじけさせ、これがボールとなってドームの空洞部に侵入します。この空洞部の上面にはポストフラックスが基板面についているので、ここにはんだボールが付着し、空洞のままはんだバスから基板が離脱して、はんだ付け完了後の基板のレジスド面にボールとして存在することになります。

写真cの場合ははんだボールがレジストではなく、パッドに付着したものです。ここで濡れているということは、パッドの表面温度がはんだ付け温度に達していたことを証明するものです。したがって、この未はんだ部は熱不足が原因ではないことを裏付けるものです。このように発想を変えるとパッドのはんだの斑点は温度センサーの役割があるということに気付きます。

3.予想される不具合

チップ脇にこのようなはんだボールが発生するということは、ボンド中に溶剤が液体として残留していることになります。

市場の使用環境で温度サイクルを拾うと、溶剤は簡単にボンドから蒸発しない場合があり、これが液体~気体、気体~夜体を繰り返すごとになります。図aはこの状態を示します。この時の状態変化は体積変化となって、膨張収縮を繰り返しチップ電極部からはんだ割れを起こす原因になります。

チップ脇のはんだボールが確認できた場合、チップ部品の電極部が酸化されて、はんだの濡れ性が劣っている場合は、はんだ付け界面が不十分な接合になっているので、はんだ割れに影響が出やすく、要注意となります。

4.対策

はんだボール対策としては、チップ固定ボンドの硬化条件を見直します。また、基板のガス抜き穴を増やして、はんだバス中でガスが発生して部品間でドーム化(ガスによる空洞化)が起きないようにすることも大切です。

 

 

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Q9 修正はんだ付けしたトランジスタのリードで導通不良が発生しました。原因とメカニズムを教えてください。

ANSWER

1.観察のポイント

アッセンブリ全体の写真aを見ると、フライバックトランスの周辺で基板表面が発熱で色が濃くなっているのが分かります。濃くなっている面積は広くアッセンブリ全体が発熱状態になっていました。

噴流はんだ付けの状態をチェックすると、写真bに示したように、全体的にはんだ付け性は良好ですが、はんだ量が少ないのが特徴で、しかもクリンチとは関係なくはんだ量が少なくなっています。それが原因ではんだ割れの状態が確認できます。これははんだ付け性を優先し、活性力のあるフラックスを用いてはんだ付けしたことになります。この結果、はんだの切れが良くなりはんだ量が減少したものです。

写真cはトランジスタの放熱板ですが、この白い接着剤の跡を見ると接着剤の量も少ないのが分かります。これは放熱板とトランジスタとの接着不良で放熱効果が低下し、はんだ付け部が熱を持つことになります。はんだ付け部加熱を持つと、はんだ自体の強度は小さくなります。部品と放熱板が基板面にしっかり固定されていない場合は放熱板の重量も加算され、フィレットは重量に耐えられなくなり、亀裂が発生してさらに発熱し、はんだ付け部が溶融することになります。

この結果、写真dに示したような導通不良が発生し、細部では写真eに示したようにはんだが再溶融した状態が確認できます。参考までに撮影の状態を写真fに示します。

ここで問題になるのが、フライバックトランスのはんだ付け部です。この箇所にはハトメはされていません。写真g,hに示したように、フライバックトランスのはんだ付け部では欠陥は確認できません。噴流はんだ付けでははんだ量は少なくなっているので、フィレットの高さとはんだ量を確保するために盛りはんだが行われ、現状のフィレットになっています。

 

 

 

 

 

 

この点について、さらに写真eを観察すると、リードの光端は写真iに示したように、噴流はんだ付け時にはんだが濡れていたことが分かります さらにリードは確認できる側面全体が噴流はんだ付けで良く濡れています。これは、はんだ付けに対するリードの表面に欠陥が無かったことを断定するものです。

しかし、やに入りはんだのはんだ付けでは、リードの側面は先端から最下部の溶融箇所まではじいています。噴流はんだ付けのはんだが修正のはんだ付けで融合した形跡はありません。

2.発生のメカニズム

したがって、なぜフライパックトランスでよくてトランジスタで悪かったのかですが、これには2つの問題点があります、使用したやに入りはんだにフッ素系の活性剤が入っていたことにより、初期はんだ付けが大変良好であったこと。次に、トランジスタのはんだ付け箇所はフライバックトランスと比較して熱容量が小さいため、コテにはんだを差した瞬間、はんだが溶融したこと、などが挙げられます。

フラックスは化学反応により酸化物を除去しますが、言葉で「化学反応」と言っても、この語句には温度と時間の因子が含まれています。これはトランジスタのはんだ付けでは化学反応の時間が足りなく、リードに熱が十分供給されなかったことになります。

一方、フライバックトランスのはんだ付けでは熱容量が大きいので、作業者はコテを当てている時間が長く、リードにも十分熱が供給され、その結果はんだ付けが確実に行われたことになります。

はんだ付けは、コテを当ててはんだが付けばよい、というのではなく、基本的な原理を理解して初めて信頼性の高い接合が得られます。本不具合は、生産性が信頼性を犠牲にした結果ということになります。

3.原 因

①.トランジスタの放熱板の接着不備。

②.作業者の認識不足による修正はんだ付け時の熱不足。

4.対 策

いずれの場合も作業基準を作成して徹底させることが大切です。今回の事故は、はんだ付け性が良すぎるやに入りはんだを使用し、その結果、熱不足を招いてはんだ付け不良に至っています。一般には考えられない事故ですが、作業者はこの点についての問題意識はありませんから、当然事故の発生件数は多くなります。

これは単に実装ライン作業者の認識不足によるものではなく、メーカーにおいてもはんだ付け性が良すぎれば当然起こり得る事故なので、メーカーが事前に注意の伝達をすべき内容と言えます。

実装ラインにおいては、このようなタイプのやに入りはんだを使用するに際し、実作業のあり方を見直し、作業のポイント、注意点さらに正常と不良の確認についての講習とはんだ付けの基本について再指導することが望まれます。

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Q8 なぜ、チューナの端子ではんだ割れが起きたのでしようか?

 

 

ANSWER

1.観察のポイント

①ランドに片側穴あきが生じ、はんだ量が少ない。

②ランド表面の濡れは良好だが、ランド外側のレジスト付近は銅が露出している。

③端子に腐食が確認できる。

④端子の腐食部以外ははんだが良く濡れている。

⑤この写真では右上の端子の順に赤錆が発生している。

2.原因と発生のメカニズム

使用しているポストフラックスははんだ付け性の良いのを使用しています。これは端子の腐食部以外の濡れが良いことと、ランド表面が滑らかな面を見せていることが理由です。実装ラインでは基板の表面状態及びリードの酸化或いは腐食などにより、はんだ不良が発生していたにもかかわらず、はんだ付け性の良いフラックスで対処してきたことに起因しています。

フラックスが塗布され子熱ゾーンを通り、はんだバスに侵入しますと、腐食部分から多量のガスが発生します。付き性の良いフラックスなので、腐食部の隙間を縫ってはんだが濡れています。端子の斜め左手分けはんだが付いてフイレットが形成されているので、この内部には腐食はないと推定できます。しかし斜め右半分は端子が腐食しているので、はんだバスに浸漬中この腐食部は溶融はんだで覆われていても盛んにガスを放出します。本端子部がはんだバスから抜ける特にガスを噴出していたため、ガスがはんだを押しのけ、さらに切れの良いフラックスを使用していたことにより、端子の正常な箇所の溶融はんだが引いた結果、写真に示す穴あきになってしまいました。

この結果、写真dに示したような導通不良が発生し、細部では写真eに示したようにはんたが再溶融した状態が確認できます。参考までに撮影の状態を写真fに示します。

ここで問題になるのが、フライバックトランスのはんた付け部です。この箇所にはハトメはされていません。写真g、hに示したように、フライバックトランスのはんた付け部では欠陥は確認できません。噴流はんた付けでははんだ量は少なくなっているので、フィレットの高さとはんた量を確保するために盛りはんだが行われ、現状のフィレットになっています。

市場に出てからチューナのプレス成形時の残留応力が徐々に開放され、写真に示される部位で割れに至ったものです。

3.対 策

①チューナの端子部は比較的大きいので、基板に挿入寸る際は必ず目視チェックします。

②腐食の発生しているチューナーが確認できた場行は、メーカに改善要求を出します。

③自社の部品保管の管理を強化します。

④噴流はんだ付けのフイレットのチェックを厳しくし、修正の際は拡大鏡の視野の中で、はんだを吸い取り、腐食部をカッターナイフで除去してから再はんだ付けを行います。

⑤基本としてU腐食部を除去しないで追いはんだをして、はんだをかぶせてはなりません。市場に出てから発熱し、フィレットが溶融したり、燃えたり、はんだ割れの原因になったりします。

⑤このような箇所は外観が正常であっても再度コテ付けを行うとフィレットの強度は向上します。

〈参考:端子腐食部がフィレット内に存在していた場合〉

腐食生成物には、水分、イオン物質が存在しています。はんだ付け時に腐食部にフラックスが来ますが除去できなくなると、フラックスは腐食部にとどまったままはんだが覆います。やがてフィレット内部でフラックス中の活性剤が腐食生成物と結びついて腐食を促進しガスも発生して徐々に腐食部が拡大します。このようにして接合部の面積が減少すると、電気抵抗は面積に反比例して大きくなるので、抵抗が大きくなった分ジュール熱でより発熱し再溶融、はんだ割れなどの事故に進展します。

この時、使用するやに入りはんだが活性の高いフラックスの場合は顕著に出やすくなります。

部品、基板のはんだ付け部を日頃から管理すれば、事故は未然に防ぐことができますが、管理を怠っていると、このように悪い方に結果が進行することになります。

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Q7 はんだ付け前にリードを曲げていますが大丈夫でしょうか?

ANSWER
1.観察のポイント

①リード表面の色調及び傷。

②フラックス残渣の位置。

③フラックス残渣の色。

④フラックス残渣の形状。

⑤他の箇所のはんだ付けの状態

以上のポイントが挙げられます。

写真aは基板と部品のサイズが合わないため、リードを曲げて挿入した状態です。丁寧にしかも正確に曲げたことが伺えます。(リード表面に必要外の工具の当たり傷はない)

写真bははんだ割れを起こしたフィレットの外観です。写真cは曲げた部分の拡大ですが、ここにポストフラックスの残渣が確認できます。基仮面のフラックス残渣とリードに付着しているフラックス残渣は、位置関係からもともと一体だったことは容易に想像できます。それがリード側と基板側とに分かれたことになります。

普通熱形響かありますと、フラックス残直は色が濃くなり褐色を呈してきます。本フラックス残渣の色調では使用環境の熱影響を受けた形跡はありません。

基板側のフラックス残渣の破面を見ますと、割れた時のままの状態を保っています。このことはポストフラックス中のIPAが蒸発していたことになります。 IPAが残留していればこのような鋭い破面は見られず、フラックス残渣の破断箇所はだれてしまいます。

写真cではリード線に付着しているフラックス残直にはっきりした亀裂が確認できません。フラックスが付いている部分を急激に曲げますとフラックス残渣に亀裂が入ります。それがないことはゆっくり時間をかけて力が作用したことになります。フラックス残渣が基板側とリード側に分断されていることは、はんだ付け直後はフラックスは一体だったはずです。この隙間だけリードが動いたことになります。このフラックスの亀裂はとりもなおさず、はんだ付け後当該部品のリードで力が作用したことを証明するものです。

リードの表面ははんだ付け性に支障を来すほど酸化はされていません。写真ではリードの上部に褐色系統の斑点が見えますが、これは部品表面の塗料の色が写っているためです。

噴流はんだ付けの状態は写真dに示したようにランドの外周で不濡れを起こしはんだはじきも確認できます。この点を考慮すると、基板保管の問題も懸念されますが、基板の作りは少々雑であることが分かります。このように不濡れとはんだはじきがあったにもかかわらず、はんだ割れやはんだ剥がれがこのフィレットで発生しなかったのは、基板、はんだ、フラックス、装置、保管等の因子はなかったと判断できます。

使用環境の因子が原因ですと、はんだ量の少ないフィレットに集中することが想定できます。本アッセンブリでは、ほかのフィレットにも同様のはんだはじきが発生していますが、割れは起きておりません。

写真では分かりにくいですが写真dの中央のレジスト部表面のフラックス残渣に黒い微小異物が確認できます。これは発泡槽の管理不備によるものです。

写真eにランド外周部の不濡れを示します。写真fのフィレットに赤い色の異物が確認できます。

これははんだ付け前の部品のリードに赤い色の異物が付着していたことによります。同様に写真eのりードにも緑色の異物が付着していました。

実装ラインで部品を入れているケースの中に部品といっしょにこれらの異物が混入していたことが推定できます。

不具合と直接関係はありませんが、前出の発泡槽の汚れ及びフィレット上の異物の状況を検討しますと、本不具合アッセンブリを生産した当時の静止はんだバスのラインの管理は必ずしも良いとは言えません。

2.発生のメカニズム

実装ラインでは手慣れた作業でリード線を曲げて(或いはすでに曲げてある)基板に挿入し、普通通り作業を行っております。噴流はんだ付けも異常なく完了しました。

市場で徐々にリードの曲げ部の残留応力が開放して、割れに至っております。

3.対 策

基板に示したようには面積的にゆとりがありますので、部品の配置変更を行ってリードを曲げないで基板に挿入できるようにしなければなりません。

また、止む得ず曲げなければならない場合は、当該リードのような直角に曲げるのではなく、緩やかに曲げて残留応力を押さえるようにします。噴流はんだ付け後はやに入りはんだで再はんだ付けを行って強度を確保します。

〈参考〉「写真の構図について」

写真fはフィレットが斜めに写っています。このような写し方は悪い例です。写真撮影を行う場合、構図が悪いと見る人によっては写真から引き出すたくさんの情報を見落とすことにもなりかねません。見やすい写真を撮るには画面の中央に観察する箇所が写るように配置します。

次に、写真が出来上がった時に基板面が水平になるようにカメラのアングルを決めます。そのことにより、例えばリードが曲がって挿入されたかどうかが分かるというものです。

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Q6 チップのはんだ付け部で未はんだが発生しました。原因と対策を教えて下さい。

1.観察のポイント

1.1 熱不足について

未はんだは、溶融はんだがパッド(ランド)に接触しない現象です。写真aに示したように、未はんだ箇所を上から観察すると、パッドの銅が露出してはんだは付いていません。チップ固定のボンドがはみ出てパッドにかぶっています。

ボンドからは、溶剤がガス化して出ます。

リード先端にはフラックスが残留しているのが確認できます。写真bに示したように、側面から観察すると一部はんだがリード上部に付いています。

矢印の箇所には、気泡が確認できます。

1.2 基板に対するはんだの当たりが弱い

写真cに示した未はんだは基板搬送コンベアの爪の付近に搭載され、周辺には部品が存在していません。野原の一軒家のような配置にあるので、部品配列にかかわる問題はなく、ガスがたまりやすいこともなく、大きな部品の影でもありません。

写真dに示したようにこの未はんだの箇所ではリードがわずかに浮いて、フラックス残渣が多く存在しています。リードにははんだは濡れていません。基板に噴流はんだが接触していれば、フラックスは押しのけられているはずですし、当然リードには一部でもはんだが濡れているべきです。このことから、噴流はんだが接触しにくい状態にあったことが推定できます。

2.発生のメカニズム

ポストフラックスは固形分(一般にはロジン)と溶剤分(IPA)で構成されています。ロジン分は活性剤と比較し熱伝導が悪い性質があります。溶剤は蒸発しますが、蒸発は沸点以下の湿度では表面から起こり、沸点以上の温度で初めて内部から蒸発が起こります。

アッセンブリが予熱ゾーンに侵入すると、フラックスは表面から蒸発が起こるので、表面層は固形分が多くなって、熱を遮断する作用があります。フラックス中のIPAが蒸発しきれずに、はんだバスに侵入すると、一気にガス化か起こり、多量のガスが空間を作って溶融はんだのパッドヘの接触を阻害し、熱の伝達も阻害します。

IPAは沸点83℃で約160カロリーの気化熱を必要とします。熱伝達の悪い状態の中、さらにIPAの蒸発でパッドから熱を奪い、フラックスが多くなると一層熱不足になります。

IPAの冷却についての例ですが、病院で注射を打った後、看護婦さんからIPAを含んだ脱脂綿を渡されて揉みます(IPAは殺菌作用がある)。この時、スーつとして冷やされるのを誰もが体験しています。実は同じ現象が基板のパッド部でも起き、はんだ付け部の温度を下げる結果になります。

本アッセンブリ全体を見ると、はとんど支障なくはんだ付けされています。未はんだはこの周辺に限定して4点確認されている点を考慮すると、熱不足と噴流はんだの接触不十分の相乗作用で未はんだに至ったことが推定できます。

基板に対するはんだの当たりが弱かった点については、実装ラインで次の点をチェックしなければなりません。

①噴流の高さが低い。(一次噴流のノズルのつまり)一次噴流は予熱作用があります。

②搬送の爪が高くセットされていたかどうか。

③搬送爪に異物が付着していたために、基板が上がる状態になっていなかったか。

④部品の配列により溶融はんだがパッド面に到達しない。

3.原 因

考えられる原因としては次の事柄が挙げられます。

①熱不足。

②はんだの当たりがが弱い。(発生ガスによる空洞化、基板の傾き、基板の反りなど)
③前記①②の総合作用
4.対 策

噴流はんだ付けで注意することは多量のガスが発生するということです。主な発生源はフラックス中のIPA、固形分、チップ固定のボンド、基板スルーホール、基板の打ち抜き穴、基板表面、はんだ寸け部の酸化、及び汚れなどが挙げられます。

そこで、はんだバスに入るまでいかにガス分を抜くことができるかがポイントになりますが、発生ガスを皆無にすることはできません。

対策としては回路設計、フラックス、噴流装置の管理の徹底、とに分けられます。まず、回路設計の見直しは、部品の大きさ、高さ、部品間スペースなどがあり、部品の密集箇所でのガス抜き穴の検討など、実装現場の設計に対するフィードバックは大切になります。

管理の見直しは、チップ固定ボンドを打つ位置、量、とそれらのバラツキ、予熱(コンベア速度、設定温度)条件の検討、一次噴流の高さの見直し、同ノズルの穴の掃除の徹底などが挙げられます。

はんだの基板への当たりは次のようにチェックします。

2次噴流の落とすスピードを速くします。基板面と噴流面とに傾きがなければ、基板面全体からフラックスが洗い流されて噴流面から落ちます。

一方、噴流面に対して基板が傾いて搬送されると、浮いている側の基板面からはフラックスは流れ落ちないか、流れ落ちても、少ないかのいずれかです。この場合、全面からフラックスが流れ落ちるように、基板搬送コンベアの爪の高さを調整します。

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Q5 ハトメした箇所のはんだ付けは、割れに強いのでしょうか?

1.観察のポイント

写真a、bに示したように、ハトメはフライバックトランスのように発熱し強度も要求される箇所に使用されます。

ハトメを行えば、はんだ割れは起きないという保証はありません。

写真c、dはハトメ部ではんだ割れを起こした状態を示します。使用環境は家庭内で静置状態で使用され、特に落下あるいは強い衝撃はありません。それでもはんだ付け部で割れは確認できます。

割れの状態も、写真dではハトメ金属に添って亀裂が横に走り、写真eに示したようにフイレットの矢印の箇所から放射線上に少なくとも4つの割れが確認できます。

2.原 因

ハトメのはんだ付け部の割れの原因は、ハトメ工程で発生した残留応力の開放によります。いずれの写真の割れでは導通不良には至っていません。 しかし、仮にハトメ金属の表面が酸化及び腐食があったにもかかわらず、作業者が気付かなければ、はんだ付け時に侵入したフラックスが酸化物に付着残留し不具合に至らないとも限りません。

3.対 策

一般に市場でのはんだ割れをみると、噴流はんだ付けが最も多く、次にリフローソルダリングで、やに入りはんだによるコテ付けは少ない接合方法です。前二者はアッセンブリが全体加熱で、溶融はんだが凝固するまで徐冷されるため、フイレットの組織が脆弱になるのに対し、コテ付けはほとんど瞬間的に凝固するために組織が緻密になっているからです。はんだ付け経験者であれば、噴流はんだ付けより100℃以上高い温度で作業をしても、コテを抜いたと同じくらいにはんだが凝固するのを経験しています。

はんだ付けの基本を習得し、噴流はんだ付け後さらに盛りはんだを行って、フイレットの高さと量を確保すれば強度は十分得られます。ただし、回路設計でランド面積が小さな場合はこの限りでありません。

残留応力については、ハトメ後で噴流はんだ付けする前に、残留応力を除去する熱処理を行えば(旧MIL-F-28809)起きませんが、実際にはどこも行っていません。それははんだ割れが起きていても導通不良には至らないからと.思われます。

確実にハトメ部をはんだ付けするのであれば、噴流はんだ付け後やに入りはんだで再度はんだ付けを行えば信頼性は高くなります。

ハトメにより金属破片が発生することがあるので、基板面に限らず作業場の整理、整頓、清掃は常に心掛けねばなりません。

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Q4 基板の部品側にはんだボールが多発しています。フラックスが原因と思っていますが、他のメーカーのフラックスを検討すべきでしようか?

ANSWER

1.観察のポイント

まずアッセンブリを観察します。

①写真aに示したように、フラックスが基板の部品面に上がっている。

②はんだ上がりは良好。

③写真bに示したように飛散したはんだボールにはフラックスが付着していない。

④フラックスそのものの飛散は確認できない。

続いて未使用の基板を観察します。

①写真Cに示したように、スルーホールの内面は凹凸が著しい。

②しかし、内壁のはんだ表面の光沢は良好。

③基板の穴加工面は写真dに示したように凹凸があり、ガラスエポキシの白色粉が付着している。

2.発生のメカニズム

基板メーカーの穴あけ加工用工具が摩耗し、穴の内壁は凹凸が著しく、しかも基板樹脂粉が付着しています。この後基板のスルーホールに銅めっき工程に移行しますが、めっき液の中で穴のこの凹凸部にめっき液が浸透します。めっき処理後はんだレベラーの工程に入ります。はんだレベラーの工程ではフラックスを使用しますが、このフラックスのはんだ付け性は良好で、写真cに示したように内壁は滑らかなはんだの肌を見せていま予。以上の工程の中で、水分が侵入します。

実装ラインでは、この基板に部品が搭載され、基板にフラックスが塗布されて噴流はんだ装置に入ります。予熱ゾーンに基板が移動すると基板に吸着された水分は蒸発を開始しますが、短時間では蒸は完了できず、蒸気を放出しながら噴流はんだバスに基板が侵入します。そこで蒸気は一気に激しく噴出、スルーホール部品側からはんだを激しく音を立てて飛散させます。写真aに示すはんだボールとして確認されます。

フラックス中の水分が原因で飛散した場合は、基板の部品面にフラックスの飛散もありますが、実際には確認されていないので、はんだボールの飛故はフラックスとは関係ありません。したがって、仮にフラックスを変更しても基板を改善しない限り、はんだボールの飛散はなくなりません。

3.予想される不具合と信頼性試験

基板エッチング液、めっき液及びはんだコートで使用したフラックスが残留して、スルーホール内に閉じこめられているので、吸湿すれば腐食し、基板内の導通不良の原因になります。

40℃90%以上の湿度中少なくとも96時間加湿試験を行い、スルーホール内の腐食の有無を観察します。試験基板は実装前の生基板及び噴流はんだ付けしたアッセンブリ、アッセンブリは部品を搭載したものとしないもの2種類を実施します。

4.対 策

今回の原因は基板の穴あけ加工に起因しているので、基板メーカーに現状を説明し改善してもらうことが重要です。この際、信頼性試験結果を参照し、腐食による導通不良の原因になる恐れがあることを説明すると良いでしょう。

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Q3 フラックス残渣で噴流はんだ付けの温度が適正か、どうかが分かるのでしようか?

ANSWER

全てのフラックスに適用できるとは限りませんが、写真a、b2枚の写真を比較すれば目安として分かります。

1.観察のポイントと発生のメカニズム

適正な抜態では、フィレットの失言に残渣が油滴状に残留しています。例えは、はんだバスから基板が抜ける時に溶融はんだは左右のフィレットに分かれますが、この時、フィレットになる部分の溶融はんだはフラックスがなければ大気に露出しますが、レジスト面或いは部品面にあったフラックスが速やかに移動して、溶融はんだを切りながらフィレットの表面を覆って大気を遮断します。このフラックスが皮膜状或いは油滴状になって表面に付着し、次に溶融はんだが接近してもはねのける作用をするのです。

ところがフラックスの量が少ない場合(もともと少なかったか、適正量あったが温度が高くて噴流 面から逃げてしまったかのいずれか)フラックスの動きは悪くなり、接動する溶融はんだに突き破られ、フラックスのないはんだ面が露出してブリッジになります。

写真bの左側では、状態は流動性のあるフラックスとしての働きが失われる段階になっています。フリッジはなくてもこの状態はフラックスの表面が青くなって油状のフラックスの状子は見当たらなくなります。この青色の箇所はIPAで拭くと綺麗なはんだ面が現れるので、はんだの腐食、変色ではありません。

アッセンブリでは部分的にこの色が出ます。その箇所は部分的に温度が高くなっていたか、或いは 部分的にフラックスの量が少なかったかのいずれかになります。

捨てランドのように大きなフィレットを形成する特に、近接するフィレットと溶融はんだの引き合いをします。

もともと、一定の厚みのフラックスであっても、その下の溶融はんだが各々のランドに戻る時、フラックスも一緒に引き寄せます。中間的存在だったフラックスは、その量を減らし青い色に変わります。

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Q2 大きなランドの脇の小さなランドで、はんだ量が少なくなるのはなぜでしようか?

ANSWER

■  1.観察のポイント

写真aは大きなランドと小さなランドがちようど綱引きをしている状態です。大きなフィレットには噴流はんだ槽で発生した酸化物が挟まっていて(写真b、c)、フィレット表面のフラックス残置は少ないのが特徴です(不良解析ではこのような問題個所で異物が確認された場合、基板の前面をくまなく探すことが大切です。どこかしらに必ずと言ってよいほど存在しているものです)。

この箇所はフラックスが多ければはんだは切れて、フィレットの異物も存在していなかったことが予想されます。図に描いたように2つのフィレットは、はんだバスから出る瞬間は1つのフィレットの形態をとっています。さらにはんだバスから出ると、2つのフィレットの間に存在しているはんだは、両方のフィレットから引っ張られることになりますが、当然大きなフィレットの方が強い力で引きます。そして、次にはんだバスから最後に離れる箇所、すなわちリードの先端から余分なはんだははんだバスに戻ります。この時、フラックスの量が少なくなるとツノが発生します。このようにして、写真dの小さなフィレットのはんだが少なくなります。

写真eの場合、クリンチ側で穴あきが発生しています。この箇所はほぼ同じ大きさなので引く力のバランスは保たれています。フラックス残渣も少なくありません。では、なぜ力の均衡が崩れたのでしょうか。

2.発生のメカニズム

写真fは、クリンチしているランド穴の内部を観察したものです。穴の内部にフラックス残渣が多量に残留しているのが確認できます。このフラックスははんだ付け時にガスを噴出していました。この力でランドの上にある溶融はんだは穴から押し出される状態になっています。 しかも、クリンチしたりードの先端は、捨てランドの方向に向いているので、はんだは捨てランド側に移動しやすくなっています。はんだバスからアッセンブリが出る時に、捨てランドは溶融はんだを引く状態になっています。この時、穴の内壁のフラックスがガスを多量に噴出し、はんだを外に押しやります。すなわち、捨てランドが溶融はんだを引き、クリンチの後方からガスがはんだを押し出して穴あきとなりました。

本来ならブリッジが発生してもおかしくないのですが、この周辺はフラックスが多かったことにより、はんだの切れが良くブリッジに至りませんでした。写真eも大きなフィレットに引かれてはんだ量が少なくなったものです。

大きなランドが小さなランドのはんだを引き寄せる力を応用したのが「捨てランド」になります。

捨てランドはSOPやQFPの噴流はんだ付けに限らず、やに入りはんだの流しはんだ(引きずりはんだ)にも広く採用されています。しかしせっかくの捨てランドも以上のような認識がありませんと、写真gのように効果がなくブリッジが発生することになります。

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Q1 はんだ付け後、基板面にカスが付着しています。原因と影響を教えて下さい

■ここからはディップはんだ付け編となります。

ANSWER

噴流はんだ付け後の基板表面を観察すると、はんだ以外の物質が付着しているのに気付きます。発生源は次の通りです。

①基板表面に存在していた異物、はんだレベラーに多い。

②部品のリードの酸化及びリードに付着していた物質。

③はんだバスで発生した酸化物。

カスの付着の位置での見分け方。

①の場合はフィレット脇の基板表面と一部フィレットに存在。

②の場合はフィレット表面と一部フィレット脇の基板表面に存在。

③の場合は基板表面の不確定な位置に存在。

1.観察のポイントと発生のメカニズム

写真aにはんだ付け前の基板表面の異物の付着の状態を示します。目視でも注意して見れば判別できます。これを噴流はんだ付けしたのが写真bになります。写真a位置と比較して、カスはほとんど移動していません。写真bでは部品リードの酸化により、はんだがはじいているのが確認できます。はんだ付け前の基板ランドの表面にカスが存在していたものをはんだ付けしますと、写真Cの状態になります。この写真ではカスの部分で不濡れが生じ、はんだボールが残留しています。

一般にはんだ付け部に汚れが存在すると、基板がはんだバスに入った時に、汚れの箇所から激しくガスが発生します。その箇所にはポストフラックス、カス、ガスの三者が存在し、フラックス分とカスとにより粘性が高くなり、はんだの流れが停滞するので、本来はんだバスに戻るべきはんだが、この箇所にひっかかり、ボールとして残留します。

写真cではこのフィレットに限定しているので、基板ランド表面に欠陥があったと判断できますが、はんだバスの管理が悪く、はんだバス表面に酸化物が大量に存在し、はんだバス内を酸化物が循環しているような場合は、cに似た形態の付着物を確認することがあります。

 

 

写真dは、はんだバスの管理が悪くて発生したものです。突発的に発生することがあります。部品のリードのはんだめっきが酸化されている場合は写真eのようになります。はんだ付け前のリ一ドの酸化が著しいことが分かります。両面基板だと、スルーホール内にこのカスがひっかかり、はんだ付け不良こなることがあります。 写真fはリード線に付着していた異物です。

写真gはリード線に付着していたコーティング材が、はんだ付け後フィレットに付着したものです。このような付着の仕方は、噴流はんだ付けより静止はんだバスの方が顕著に出るので、静止はんだバスで実装されている場合は、部品、基板、はんだバスの管理を徹底しなければなりません。

 

2.対 策

受入れ検査を徹底し、どのような表面状態になっでいるがを認識します。その結果によっではメーカーに改善をお願いします。そのためにも、社内の保管を徹底し、リードの信頼性を確保することが大切です。

なお、リードの変色(酸化などが原因)とはんだ付け性との関係をはんだウオッシヤー法で確認するとともに、拡大写真をとり限度見本を作成します。

この限度見本は、部品メーカーに対しできちんと対応できるようにするためと、作業者へのはんた付け性の持つ重要性を認識させるために必要です。

2.1 事前に行うリードのはんだ付け性の確認方法(はんだウオッシヤー法)

アッセンブリのはんだ付けに使用する部品は、事前にはんだ付け性を確認しでおくことが生産性及び信頼性の面がらも大切になります。必要な装置として、①実体顕微鏡、②はんだポットとポストフラックス(噴流はんだ装置があれば使用)…噴流はんだ付けで使用する部品が対象、③IPA(プラックス残渣の洗浄用)、変色したりードにフラックスを塗布しで、ディップはんだ付けを行います、判断基準を写真hに示します。

2.2 限度見本の作成とはんだ付け作業者に知識の充実

はんだウオッシャー後、はんだでリード表面が濡れない箇所がある場合は、メーカーに改善要求をしなければなりませんので、はんだウオッシヤーしたものしないものについて、写真で記録を取る必要があります。これは現場のはんだ付け作業者に認識してもらわねばなりませんので、限度見本の写真の作成と、教育のために使用します。作業者に理解しでもらうには、次の事柄を説明します。

①なぜこのような状態になったのが。②悪い状態のリードを使用する事によりどのようなはんだ付け不良が発生するのが。③修正でどれだけの手間暇がががるのが。④誤っで市場に出た場合どのような事故に発展するのか。

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