Soldering Mission
次世代携帯などのネットワーク機器に欠かせない重要な基盤技術であるはんだ付けについて正しい
知識を知ってほしい。
とても楽しく、奥が深いことがわかると思います。
第1章 はんだ付けとは何か?
第2章 接続信頼性について
第3章 基板の実装について
第4章 はんだ付け方式・機器
第5章 はんだ付け後の洗浄・検査
第6章 環境/安全/規格について
第7章 鉛フリーはんだの動向
第8章 はんだ付けの将来動向
第9章 はんだ付け用語解説
第10章 各種データ(鉛フリー含む)
更新日

平成13年1月16日


鉛フリーはんだ特集
第1章 はんだ付け 語源 定義 特長 基礎・原理 重要性 3種の神器
第2章 信頼性 製品の寿命 信頼性確保の手順 不良種類と原因 はんだ量判定基準 ウイスカ マイグレーション はんだ喰われ
第3章 実装形態の歴史 挿入実装 表面実装 ベアチップ実装 実装工程 基板種類と特徴 部品種類と特徴 接着剤 実装装置



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第1章 はんだ付けとは何か?
             

ここでは、はんだ付けって
どんなものなのか?・・・
概要がわかると思います。
はんだ付けとは?
はんだの語源
はんだ付けの定義
はんだ付けの特長
基礎・原理
はんだ付けの重要性
はんだ付けの3種の神器
その他
備考
予告

第2章 接続信頼性について




1.1 はんだ付け(ソルダリング)とは



はんだ付けとは?
 最も古い金属材料を接合する技術で、起源は青銅器時代(紀元前3500年頃)とされている。Sn-Pb系はんだが発掘されたのはローマ遺跡で、おおよそ西暦300年頃のものと言われている。
・・・このように長い歴史があり、奥深いものである。

はんだの語源

はんだを構成している鉛と錫の、特に錫の産地で有名なマレーシアの盤陀島(バンダ島)に由来する説(有力といわれる)、ハンド(手)が転じたとの説・・・・・・等々あり、日本でなぜ「はんだ」と呼称されたかわかっていません。

はんだ付けの定義
 ISO規格では・・・
「母材の融点よりも低い融点をもつ金属を溶加材として用い、これを二つの母材間に溶かし込み、濡れ及び毛管現象によって母材になじませ、拡散現象を伴って、母材をできるだけ溶融しないで接合する方法。また溶加材の温度が450℃以上のものをロウ付け、450℃未満のものをはんだ付けとして区分している。

   はんだ付け・はんだは,各々英語で
   soldering・solder
  ドイツ語では
    weichloten・weichloteである。

はんだ付けの
・母材を融かさず低温で接合可能
・母材の材質変化及び寸法変化が小さい
・微小部や多くの個所の同時接合が可能
・導電性の継手が得られる
・その他・・・・・・・・・・

「休憩室」soldering-episode1
アポロ11号とソルダリング



1.2 はんだ付けの原理


はんだ付けの原理を司るキーワードは以下に示すものです。
1)表面張力2)濡れ3)接触角

表面張力
一般に表面の原子は内部の原子に比べて周囲の原子の半分が除かれた状態で存在する。ここで、その半分を除くために必要なエネルギーが過剰に存在することになる。そのエネルギーのことをいわゆる表面エネルギーといい、表面が等方的な場合には、単位面積当たりの表面エネルギーは単位長さ当たりに作用する張力(表面張力)と数値的に等しくなる。
 詳細説明はこちら・・・・・詳細(工事中)

ぬれ
はんだ付けの重要な条件は溶融ソルダが母材とよくなじむことで、これを「濡れ」と呼んでいる。

詳しくは・・・・・
ぬれ:固体表面間に作用するファンデル・ワールス力や
原子間の相互作用によって液体が付着し拡がる現象。はんだ付けの場合は、溶融はんだと接合部の固体表面との間に生じる特有の相互作用。即ち、はんだが流れ落ちても、その薄い層が母材を覆い、物理的なぬれと同時に接合界面に金属間化合物が生じたことを示している。wetting

接触角
固体表面に液滴を置くと、その物質固有の性質によって一定の形状になる。この時、液体と固体とが接する点における液体表面と固体/液体の界面とのなす角度を接触角(Contact angle)と称し、濡れ性(Wettability)を表す尺度にされている。当然角度が小さい方が濡れが良いこととなる。
 詳細説明はこちら・・・・詳細(工事中)

溶融・凝固
2元合金平衡状態図



1.3 はんだ付けの重要性


プリント基板実装に不可欠
多数個所の同時接合が可能
低温での接合のため、部品等への熱的損傷が小さい
導電性の接合部が得られる
補修、再接合が容易
低コスト・・・・・等の理由で多用されている。

はんだ付け以外の接合
電子工業の歴史の中で接合方法の根幹ははんだ付けであって、その優位性を覆す方法は生まれていない。それどころか、近年ますますマイクロエレクトニクスが発展すると同時にその地位はゆるぎないものとなっている。例えていえば、構造材料における鉄鋼のような位置付けとなっている。やはりその根底には他を寄せ付けない総合的に圧倒的な経済性が挙げられる。

はんだ付け新時代へ
鉛フリーはんだが求められています





1.4 はんだ付けの3種の神器


はんだ金属(鏡)
代表的で最も広く使用されているのがSn-Pb系、特にSn-37Pb(Sn-Pb系状態図↓)。ソルダの融点、はんだ喰われ、接合部の強さその他の物理的、化学的性質が特に問題となる場合には、第3元素を添加したり、Sn,Pb,Au,Inなどを主成分とする合金が用いられてきた。最近鉛が問題視されつつあり、Pbを含まないソルダへの移行が進んでいる。

被はんだ付け部材料(剣)
いわゆる母材である。一般的に銅であることが多く、各種めっきしたものも多い。ソルダと濡れれば金属結合し、必ず金属間化合物がその境界層に生成される。もし生成されなければ結合は完結せず、接合しない。

フラックス(玉)
(ソルダと母材を接合するためになくてはならない重要なもの。もともとラテン語で”流れ”を意味する語である。ソルダリングの基本原理である溶融したソルダのぬれは、溶融したソルダが清浄な母材と接触して初めて起こるもので、両者の間に酸化膜や油脂があるとねれが著しく阻害される。一般に金属の表面は常に酸化膜で覆われており、それらを除去しても空気中では直ちに酸化してしまう。よって溶融したソルダと母材の表面を還元するとともに再酸化を防ぐ必要もある。その働きをするのがフラックスである。

3種の神器の時間反応経過
ソルダが母材と接合するまでをフラックスを追加してゆっくり説明しよう。
1)まずフラックスの軟化・溶融そして活性化
2)ソルダおよび母材の酸化皮膜と反応し、これを除去する。
3)ソルダが溶融し酸化膜のない母材とぬれる。
4)その後接触時間の長さにより反応層(金属間化合物)形成や各種欠陥が発生しやすくなる。
よって、低温短時間のソルダリングが好まれる。

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第2章 接続信頼性について
             
ここで、はんだ付けにおいて
最も重要・大切な接続信頼
性がどんなものなのか?・・・
概要がわかると思います。
信頼性とは
製品の寿命
信頼性確保の手順
はんだ付け不良の種類とその原因
はんだ量判定基準
Whisker(ウイスカ或いはホイスカ)
Migration(マイグレーション)
はんだ喰われ
予告

第3章 使用する各種データ





2.1 信頼性とは

信頼性とは、製品が与えられた条件で目標の期間中、要求された機能を果たすことのできる性質である。特にはんだ接続における信頼性は1)接合部の断線、2)接合部のショートが起こらないこと、以上2つのことを満足することである。ところがこれが難しい。



2.2 製品の寿命

製品の寿命は一般に故障率λの変化を表したバスタブ曲線に従うとされている。この曲線は3つの領域に大別され、1)初期故障期間2)偶発故障期間3)磨耗故障期間である。ここで、初期故障は製品の設計ミス、製造ミス、材料不良などが主な主な原因である。偶発故障は故障率が最も下がった状態で推移する期間で、製品の本来の目標を表している。最後に磨耗故障は最初に設定した製品の寿命そのものである。この領域までもっていくことが優れた寿命設計・信頼性設計と言える。



2.3 
信頼性確保の手順

1)まず、過去の経験・知識に基づいて、目標に対する材料、構造、プロセスの信頼性評価・寿命設計を行う。ここでは特に製品の実際のストレスの種類、大きさ及び頻度を正確に把握して寿命設計することが非常に重要。市場不良はこの段階でのミスが非常に多い。

2)次は寿命の確認である。寿命を満足するだけでなく、破壊するもで試験を継続し、接合寿命としてどの程度マージンがあるか、最も速く破壊する箇所がどこかを把握し、その部分の寿命を向上させ、製品全体の接続信頼性を向上させること。
つまりウィークポイントの把握と設計へのフィードバックである。

3)製造での品質ばらつきに対する品質管理を行い、製品欠陥を除去。ソルダリング欠陥とその除去のための管理及び検査方法を確立。エージング試験による初期欠陥の除去(スクリーニング)。

4)実稼動モニタによる不良の監視を行い、早期発見による市場不良の事前対策が最後の砦として重要。→加速実稼動検査




2.4 ソルダリング不良の種類とその原因

主なソルダリング不良を図に示す。

(1)ぬれ不良(2)ソルダ過剰(3)ソルダ不足(4)ブリッジ
(5)ソルダ飛び散り(6)ディウェティング(7)ウィッキング
(8)チップ立ち(9)ボイド(10)つらら

なお、各実装法における不良の種類とその原因及びソルダ量の基準等
詳細は以下に写真添付で説明する。

【挿入実装】
ソルダリング不良とその原因
ソルダ量判定基準
     
【表面実装】

ソルダリング不良とその原因
・ソルダ量判定基準チップ部品リード付きIC部品)

【端子】
ソルダリング不良とその原因(省略)
ソルダ量判定基準





2.5 Whisker(ウイスカ或いはホイスカ)

ウイスカ(Whisker)については電子工業界において
錫めっきからの錫ウイスカがかつて大問題になりました。
錫めっきされたリレー式電話交換機のコネクタから発生、
成長した錫ウイスカが起こした短絡事故がその端緒です。

下の図は3216積層チップ部品の外部電極Snめっき表面
から発生したSnウイスカです。ウイスカ長さは約20μm。
条件:50℃x85%RHx2000Hr






2.6 Migration(マイグレーション)

電子機器のプリント配線板回路に電圧が印加された場合に
電子部品の陽極金属がイオンとなって溶出し、
これが陰極で金属となって析出する電気分解・析出反応です。

マイグレーション発生機構
電気化学的反応によるものであり、電解質を介した電極間に直流電圧が
印加されると、電極金属がイオンとなって溶出することに起因している。
その発生は水の吸着・金属イオンの溶出・拡散と還元過程(デンドライト成長)
から構成される。


マイグレーションの起こりやすさ

通常の電気化学列(Fe>Ni>Sn>Pb>Cu>Ag>Pd>Pt>Au)とは違って、
Ag>Pb>Cu>SnでFe、Pd、Ptなどは起こりにくい。特に抽出された
Cl-,Br-、SO42-及びNH4+濃度が高い系では絶縁破壊時間短い。


序列を決めている原因
1)電気化学列          
2)電極反応に与えるpHの影響
3)電極反応の反応速度の程度


マイグレーションの発生進展の原因
1)直流電圧印加                                
2)導体金属の種類                              
3)絶縁層(材料・構成・構造の違い)                    
4)プロセス:異物の混入、イオン性残渣、クラック発生、洗浄の度合い 
5)環境:温度、湿度、イオン性成分(大気中の硫黄・窒素酸化物)   


各現象
1)特に抽出されたCl-,Br-、SO42-及びNH4+濃度が高い系では絶縁破壊時間短い
2)難燃性フェノール基板は非難燃性フェノール基板に比べマイグレーションが非常に
少ない難燃性のものは水の飽和量が多い                      

抑制方法
その発生成長の抑制と外因による成長の抑制の2つ。

成長の抑制
1)イオン性不純物の除去                     
  温水洗で温度45℃~90℃で30秒程度             
2)イオン補足体の添加                      
  樹脂にイオン吸着無機物質を含有させる難燃材に用いられる
BrイオンがAgイオンを補足し、難溶性のAgBrを生成させる

外因による成長抑制とその他抑制
1) コーティング材~吸湿防止対策としてエステル化エポキシ+メラミン樹脂塗料が一般的 
2)有機酸系フラックスが効果ある?                                 





2.7 はんだ喰われ

なべに入れた塩を攪拌しながら暖めて溶かすには、かなりの温度まで上げなければ
いけない。しかし水には簡単に室温で溶けてしまう。このように、それ自体の融点に
上げなくとも液体中に入れると固体が液体に変化していく。この現象を溶解といい、
はんだの場合に、特別にはんだ喰われとも言われる。

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第3章 基板の実装について
ここでは、基板の実装形態の選定と、それに合った実装工程、それらに関する最低限の 知識について簡単に説明する。
実装形態の歴史
挿入実装
表面実装
ベアチップ実装
実装工程
基板の種類と特徴
接着剤
実装装置(挿入/装着機・印刷機・外観検査装置)
予告

第4章 





3.1 実装形態の歴史

基板(プリント回路板)の実装形態は大きく 1)挿入実装2)表面実装3)ベアチップ実装
 に分類される。実装形態の歴史は部品及びソルダリング方式の歴史でもある。それは、
製品が重厚長大から軽薄短小へと変貌する歴史そのものである。基板実装の歴史は、
1960年以前から始まり、現在に至っている。つまり、第一世代は実装形態が端子からげ
や挿入実装、部品は真空管、ソルダリング方式はこてでその材料はもちろん糸はんだで
あり、最終製品はラジオや白黒テレビであった。
現在まで5つの実装形態の大きな世代に分類されると言われる。
       第一(1960以前)、第二(1960年代)、第三(1970年代)、第四(1980年代)、第五(1990年代)
<実装形態>端子からげ →挿入実装→自動挿入実装  →表面実装→複合実装(ファインピッチ実装)
<部品>  真空管 →トランジスタ →DIP、IC  →QFP、チップ部品    →ベアチップ、膜形成素子
<方式> こて→静止はんだ槽  → 噴流はんだ槽→ダブルWave、赤外リフロ、レーザ  →エアリフロ
<商品>ラジオ、白黒テレビ→カラーテレビ→VTR、電卓、ラジカセ→ウォークマン→ノートPC、携帯電話




3.2 挿入実装

リード付き部品をプリント配線板の孔に挿入し、部品リードとプリント配線板の孔周囲の
接続パッドとをソルダリングした実装形態で、フローソルダリングが基本となる。

主な対象部品は1)アキシャルリード部品(横長実装部品で2本のリードが部品の両端に
直線上に付いた部品で実装効率は低い)、2)ラジアルリード部品(縦長実装部品で薄型
商品には不向き、予め2,3本のリードが部品の片側に付いた部品)、3)DIP部品(多数の
リードが部品の、両端についたもの)その他異形リード部品がある。
挿入部品概観はこちら
特徴としては1)強度的にも信頼性の高い接合が得られること、2)部品はリードが直接加熱
されるだけで熱の影響が少ないこと、3)人手(こて)により組み立てられることが多いこと、
そして4)最近の表面実装等に比べ2,3倍実装密度が低いことである。




3.3 表面実装

プリント配線板の表面に設けられた接続パッド上にソルダペーストを塗布し、
その上に角形チップの電極やQFP部品のリードを装着してソルダリングした
実装形態で、リフローソルダリングが基本となる。

主な対象部品は1)角形チップ部品、円筒形チップ部品抵抗、コンデンサ、トランジスタ)
2)2方向リード付き部品(SOP、SOJ)、3)4方向リード付き部品(QFP、PLCC)、その他
チップ部品概観はこちら    半導体パッケージはこちら
特徴としては1)商品の軽薄短小化、多機能化(実装密度高い)、2)回路の高周波化、
高速デジタル化(リード間ピッチ小さいのでノイズ抑制可能)、3)製造コストの低減(部品
コストは上昇するもトータルコストは低減する)




3.4 ベアチップ実装

SOP、QFP部品などのパッケージ化半導体素子に使用される半導体ベアチップを
パッケージ化せずにそのままプリント回路板に実装する形態である。その方式には
ワイヤボンディング、TAB、フリップチップがある。





3.5 実装工程

挿入実装の工程は1)部品挿入工程2)ソルダリング工程3)洗浄工程4)リードカット工程5)後付け工程、  
ここで重要なのが3)洗浄工程である。無洗浄の場合はこの工程はないが、そうでない場合、大切である。
洗浄の目的は@フラックスによる腐食、マイグレーション防止、Aプリント回路板の電気的試験を行う場合の
テスターピンの接触不良の防止、Bソルダボール付着によるノイズ障害や回路障害の防止である。
表面実装の工程は一般に従来の挿入実装との混載実装形態であることが多い。基本の3つの形態は、   
@片面表面実装リード付部品混載A両面表面実装リード付部品混載B両面表面実装部品である。
ベアチップ実装の工程は、ワイヤボンディング・テープキャリア・フリップチップそれぞれ固有の工程を有する。
ここでは割愛する。



3.6 基板の種類と特徴

基板は導体回路を含む層の数によって3つに分類される。

1)片面プリント基板〜文字通り片面だけのもので主としてTV、VTR、ステレオに使用される。
材料としては紙基材・フェノール樹脂が使われる。表面処理としては銅箔表面の防錆保護・
部品実装のはんだ付け性を高めるためプリフラックスを塗布する。
2)両面プリント基板〜表裏に形成した配線をリード線・はと目で接続する場合と、めっきにより
導体化させ接続する場合とに分類される。ビデオ、自動車、パソコン等多方面に使用される。
材料としては主としてガラス・エポキシ樹脂が使われる。表面処理としてはプリフラックス処理、
ソルダめっき処理、ソルダレベラー処理、化学防錆処理、無電解ニッケル、金処理などが行われる。
3)多層プリント配線板〜基板材料の内部導体回路と表裏導体回路を合わせて3層以上に導
体回路を形成。大型コンピュータで50層以上も!多層板の各層の導体回路の接続はスルーホール
めっきを用いている。材料は主としてガラス・エポキシ樹脂だが、高多層配線板ではガラス・ポリイミド
樹脂、ガラス・BT樹脂の耐熱樹脂が使われる。

基板表面処理の仕様
表面処理の種類 表面の仕様 特徴
ソルダコート 共晶ソルダ1〜40μm 接続信頼性良
ソルダばらつき大きい
化学防錆 銅錯体皮膜1μm以下 耐熱性不足、片面へ
プリフラックス ロジン系樹脂皮膜数μm 狭ピッチ実装に実用化
無電解ニッケル・金 ニッケル数μm
金    0.03〜0.1μm
無洗浄実装に適も高コスト



3.7 接着剤

フローソルダリングは、リード付き部品の挿入実装とチップ部品の表面実装との混載実装ができ、
大量生産に適しているため、広く採用されている。しかし、表面実装にはチップ部品の固定用として
接着剤を必要とする。接着剤は@チップ部品が装着時から硬化まで動かないこと、Aランドにはみ
だしてもソルダリングに影響を与えないこと(粘度が高いこと)、B硬化後も260℃のソルダ槽中で
部品を落下させない接着強度を有すること、C取り扱いやすいこと、D短時間で硬化することなどの
条件を満足しなければならない。                                       
接着剤の種類としては、
@紫外線照射・加熱併用硬化タイプのアクリル系と       
A熱硬化タイプのエポキシ
        
があり、一般にエポキシ系の方が接着強度は強い。しかしエポキシ系は高温にしても軟化しないため
部品の取り外しや修正が行いにくい欠点がある。



3.8 実装装置



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第4章 はんだ付け方式・機器
ここでは、基板の実装形態に合ったはんだ付け方式の選定に関する最低限の知識について簡単に説明します。
フローソルダリング
リフローソルダリング1(一括リフロー)
リフローソルダリング2(局所リフロー)
赤外線リフロー炉
VPSリフロー炉
ホットエアリフロー炉
窒素雰囲気リフロー炉
予告

第5章 







第5章 はんだ付け後の洗浄・検査 
             
ここでは、

洗浄の方法
洗浄度の確認方法
外観検査
内部検査
劣化要因と環境ストレスでの故障モードと劣化機構
機械的信頼性
金属間化合物と信頼性
電気・化学的信頼性
予告

第6章 







第6章 環境/安全/規格について 
             
ここでは、
 それらに関する最低限の知識について簡単に説明します。

鉛の有害性
ソルダの有害性
フラックスヒュームの有害性
有機溶剤中毒予防規則
排水水質基準
ソルダリング国内規格
ソルダリング国際規格
予告

第7章 







第7章 鉛フリーはんだの動向 
             
ここでは、
 それらに関する最低限の知識について簡単に説明します。

第1章 鉛の有害性・・・その根拠
第2章 鉛フリー化を加速させるもの
第3章 外部環境/内部環境
第4章 真の目的と優先順位
第5章 セットメーカの鉛フリー化情報
第6章 鉛フリーはんだ関連評価まとめ
第7章 鉛フリーはんだ評価の今後の課題
第8章 評価基準
第9章 データ(JEITA/JWS評価含む
予告

第8章 








第8章 はんだ付けの将来 
             
ここでは、
 それらに関する最低限の知識について簡単に説明します。

予告

第9章 







第9章 はんだ付け用語
             
ここでは、はんだ付けで
必要な用語について
簡単に説明します。

はんだ関連
フラックス関連
基板・母材・はんだ付け方法関連
信頼性評価・はんだ付け欠陥関連
予告

第10章 





9.1 基本用語・はんだ関連
液相線 金属間化合物 固溶体 内部応力
応力破壊 クラック 再結晶温度 ぬれ
拡散 クリープ 錫ペスト 熱疲労破壊
共晶 喰われ せん断強さ はんだペースト

液相線(liquidus)
合金は温度を上げていくと液体と固体との共存範囲を経て完全に
液体になる。この完全に液体になる温度を測定し、この温度を合金
の組成変化に対して図示するとある線を描く。この線のことをいう。

拡散(diffusion)
異なる濃度を持つAとBとの固体物質を密接に接触して置いた時、
それらの物体間では濃度平衡状態になろうとして物質間の原子間
の原子移動が起こることを拡散という。拡散は物質の濃度差が
大きく、温度が高い方ほどよく進行する。特に温度の2乗に比例する。
はんだ付けにおいては母材のCuからCu原子がはんだ合金中に
拡散し、はんだ合金中のSn原子と反応しCu-Snの金属間化合物
を作る。これは脆く、接合強度を劣化させるので要注意である。

クリープ(creep)
長い間これに力を加えて引っ張っていると、次第に伸びてくる。
このような比較的長期にわたって起こる変形現象のこと。

くわれ(leaching)
例えば、銀めっきをした表面とか、銀ランド上ではんだ付けをする時、
はんだとそのAgとで合金化が起こるため、表面上のAg成分はとけた
はんだによってくわれるという結果になる。これを防ぐ方法はAgの
入った基板上のAgとの間における濃度差を幾分なりとも少なくする
といったことを行う。

固溶体(solid solution)

再結晶温度(recrystallizaion temperature)
材料の中にある程度の内部応力があると、その応力が促進効果を
発揮して結晶は巨大なサイズとなることがある。一度応力によって
小さくなった結晶粒はその材料の融点の約1/2に加熱されると
大きな結晶となってくる。




9.2 フラックス関連
イオン残さ WWWロジン プリフラックス
RA クロム酸銀テスト 銅鏡試験 ポストフラックス
RMA 樹脂系フラックス ハロゲン レジンフラックス
活性剤 ロジンフラックス 非腐食性フラックス ロジン




9.3 基板・母材・はんだ付け方法関連
紙フェノール基板 スルーホール ディップソルダリング PCB リードフレーム
ガラエポ 赤外線はんだ付け 熱風リフロー炉 PWB レジスト
スクリーン印刷法 赤外線リフロー炉 はんだマスク ランド ワイヤボンディング
ステンシル ソルダリング メタライジング リード 積層銅板
SMC SMD SMT - -




9.4 信頼性評価関連
ウイスカ JISくし型基板 つらら はんだボール マンハッタン現象
加速試験 水溶液抵抗 はじき 拡がり試験 目視検査
きれ 絶縁特性 飛び散り ブリッジ -
クラック セルフアライメント 剥離試験 マイグレーション -




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