はんだフラックス冶金学的接合における隠れた化学触媒として機能します。{0}この反応性化合物は卑金属から酸化膜を剥ぎ取り、同時に表面張力を低下させて最適なはんだ濡れを促進します。 IPC J-STD-004B 分類システムは、フラックスをロジン (RO)、樹脂 (RE)、有機 (OR)、および無機 (IN) の 4 つの組成ファミリーに分類し、それぞれの活性レベルを低 (L)、中程度 (M)、または高 (H) として指定し、ハロゲン化物含有量指標 (0 は 0) と組み合わせます。<0.05% or 1 for detectable halides). Getting this wrong doesn't just mean ugly joints-it means boards that fail in the field, corrosion that eats through traces over months, and the kind of reliability nightmares that keep production engineers up at night.
Flux が実際に行うこと (そしてそれが思っている以上に重要である理由)
酸化については次のとおりです。酸化は急速に起こります。本当に速いです。銅が高温の空気に触れた瞬間、あなたは負け戦を戦っていることになります。酸化層は加熱後数秒以内に形成され、溶けたはんだは酸化した表面にはまったく結合しません。それはただ丸まってそこに座って、あなたを嘲笑するだけです。
Flux は 2 つの角度からこの問題に取り組みます。まず、有効成分が-松脂由来のアビエチン酸であっても、合成有機酸であっても-）既存の酸化物を化学的に溶解します。次に、フラックスは新しく洗浄した金属の上に保護ブランケットを形成し、実際にはんだが流れる短い時間帯に酸素が表面を再汚染するのを防ぎます。-
湿潤現象はフラックスが有効に機能する場所です。通常、表面張力により、溶融したはんだは接触面積を最小限に抑え、広がるのではなく球を形成します。フラックス化合物はこの張力を劇的に軽減し、合金が毎秒 0.1 ～ 0.2 メートルに近い速度でパッドとコンポーネントのリードを横切って流れることを可能にします。それなしで？デウェッティング、はんだブリッジ、不完全な接合が発生し、目視検査には合格しますが、熱サイクル下では不合格となります。
ロジン-ベースの配合
松の樹脂は、おじいさんが真空管をはんだ付けする前から、エレクトロニクス業界でよく使われてきたフラックス ベースです。{0}長寿命には理由があります。-ロジンは、そのままの状態で非常によく機能します。
R、RMA、および RA の指定は、最終的に業界が IPC を通じて標準化した軍用仕様に遡ります。 Plain Rosin (R) は活性化が最小限であり、少し前に洗浄された新品の表面にのみ適しています。 Rosin Mildly Activated (RMA) は、一般的な量産基板の軽い酸化に対処するために、少量の活性化剤-通常は有機ハロゲン化物-を添加します。ロジン活性化 (RA) は、ひどく酸化した表面やはんだ付けが難しい表面に強力な威力を発揮します。{6}
ここで事態は複雑になります。 RMA 残留物は、技術的には多くの用途で「そのまま放置」として認定されますが、その指定は常にある程度楽観的でした。--残留物はわずかに吸湿性があります。制御された屋内環境で家庭用電化製品を使用している場合は、おそらく問題ありません。その同じボードを湿度 80% の海岸沿いの施設に置くと、突然それらの「良性」残留物が空気中から湿気を奪い始め、導電経路が形成され、腐食が加速されます。
RA フラックス残留物は絶対に除去する必要があります。例外はありません。 RA を酸化物を効果的に切断する活性剤は、冷却後も攻撃性を維持します。そのまま放置すると、時間の経過とともに銅配線やコンポーネントの端子が攻撃されます。ほとんどの RA 残留物は 90% 以上の濃度のイソプロピル アルコールで処理できますが、コンポーネントの下に頑固に蓄積した場合は、より積極的なものが必要になる場合があります。
ロジンフラックスの IPC 分類は、ROL0 (ロジン、低活性、ハロゲン化物なし) から ROH1 (ロジン、高活性、ハロゲン化物あり) まで続きます。 ROL0 フラックスは、最も厳しい信頼性要件を満たしています。-航空宇宙、埋め込み型医療機器など、現場での故障が費用がかかるだけでなく、壊滅的な被害をもたらす可能性のあるあらゆるものを考えてください。
いいえ-クリーン: 約束と現実
正直、名前は少し誤解を招きやすいです。 「最小限の清掃」または「通常は清掃の必要がありません。-」-のほうが正確ですが、それはあまり印象に残りません。
-CFC ベースの洗浄溶剤に対するモントリオール議定書の制限に対応して、1980 年代後半にはクリーンなフラックスは登場しませんでした。-エレクトロニクス業界は、クロロフルオロカーボンを使用した蒸気脱脂を中心としたプロセス全体のフローを構築していましたが、そのオプションは突然消滅しました。メーカーは、代替の洗浄方法を見つけるのではなく、フラックス化学者に、基板に残る配合を開発するよう促しました。
基本的なアプローチでは、固形分を大幅に削減します。{0}場合によっては 1-2%、従来のロジン フラックスでは 15-25% まで低くなり、はんだ付けの熱プロファイル中に完全に消費されるように設計された活性剤と組み合わせます。すべてがうまくいけば、問題を引き起こすことのない、薄く不活性な非導電性の残留物が残ります。
すべてがうまくいかないときは？それは別の話です。
-クリーンなフラックスは熱プロファイルの影響を大きく受けません。活性化剤が完全に分解するには、特定の温度に特定の時間到達する必要があります。熱が不十分だと反応性化合物が残ります。これは、加熱プロファイルがリフローオーブンほど制御されない、選択的はんだ付けや手作業によるリワークの場合に特に問題になります。
高信頼性の製造には汚い秘密があります。-多くのショップでは、とにかくきれいではないフラックスを洗浄しています。-航空宇宙および軍事委員会に対する IPC-A-610 クラス 3 要件により、重要な用途には事実上義務付けられています。理由は簡単です-なぜリスクを冒すのでしょうか?配線間隔が狭い高密度基板と BGA などのスタンドオフの低いコンポーネントは、フラックス残留物が湿気を閉じ込めて電気化学的移行を引き起こす完璧な環境を作り出します。
-また、洗浄が必要と判断した場合でも、きれいな残留物を除去するのが難しいことで知られています。低活性配合により、放置しておいても「安全」であり、また、一般的な洗浄溶剤に対しても頑強に耐性があります。-強力な化学薬品-アセトン、ヘキサン、または独自のブレンド-が必要になりますが、これらには取り扱いや環境上の懸念が伴います。
水溶性フラックス: 威力と結果
ロジンがメス、ノークリーンがバターナイフだとすれば、水溶性フラックスはチェーンソーです。{0}{1}仕事は早く終わりますが、自分が取り組んでいることを尊重したほうがよいでしょう。
クエン酸、乳酸、またはアジピン酸をベースとした水溶性フラックス中の有機酸活性化剤--通常はグリコール-で、優れた酸化物除去性能と湿潤性能を発揮します。-ひどく酸化した表面、はんだ付けが難しいメタライゼーション、または高温により酸化が促進される鉛フリー プロセスでは、水溶性の方が他のオプションよりも大幅に優れていることがよくあります。-
裏側では、徹底した迅速な清掃が義務付けられています。水溶性残留物は吸湿性が高く、濡れると腐食性が高くなります。-湿気の多い環境でボード上に一晩放置すると、朝までに目に見える腐食が見られるでしょう。クリーニングウィンドウは、日ではなく時間で測定されます。
洗浄自体は簡単で、スプレーまたは浸漬システムでは、脱イオン水に低刺激の界面活性剤を加えたものを使用します。{0}超音波撹拌は、コンポーネントの下から残留物を取り除くのに役立ちます。重要な要素は徹底的さです。部分的な洗浄では、完全に除去せずに汚染物質が届きにくい領域に再分布するため、実際には状況が悪化する可能性があります。
見落とされがちな考慮事項の 1 つは、水溶性フラックス残留物は湿っている間は導電性であるということです。{{1}これは、電気試験の前に、洗浄後に完全に乾燥する必要があることを意味します。 -ブラインド ビアや底部終端コンポーネントを備えた高密度基板-は、乾燥しにくい場所に湿気を保持する可能性があるため、乾燥サイクルの延長や真空ベーキングが必要になります。{6}{6}{7}}
鉛-無料ですべてが（ほぼ）変わります
2006 年の RoHS 施行により、業界全体でフラックス化学の根本的な再考が必要になりました。従来の錫-鉛共晶（63/37 または 60/40）は 183 度で溶けます。 SAC305-主要な鉛フリー合金-が適切に流動するには 217～220 度が必要です。この 35 ～ 40 度の差は、はんだ付けプロセスのあらゆる側面に影響します。
温度が高くなると酸化速度が速くなり、それに追いつくためにより活性なフラックス配合が必要になります。しかし、温度が高くなるとフラックスがより速く燃えてしまい、はんだ付け中の保護ウィンドウが減少します。
フラックスメーカーは、より高い熱需要に合わせて最適化された再配合で対応しましたが、誤差の許容範囲は大幅に縮小しました。
鉛フリーはんだは、有鉛はんだよりも濡れが遅くなります。{0} Sn63/Pb37 ではうまく機能したはんだポットの温度、接触時間、予熱プロファイルでは、鉛フリー合金ではコールドジョイントが発生し、穴の充填が不十分になります。-フラックス活性は、錫-銀-冶金の固有の濡れ限界を補うためにさらに重要になります。
IPC-J-STD-001 要件も簡単ではありませんでした。クラス 3 のアセンブリでも、鉛フリーの接合部は錫ウィスカの成長や熱機械疲労の影響を受けやすいため、同じ信頼性が依然として求められます。{{6}おそらくそれ以上の信頼性が求められます。{8}}ミッション{9}}クリティカルな鉛フリー-アセンブリ用のフラックスを選択するには、即時のはんだ付け性能と長期的な残留物の挙動の両方に細心の注意を払う必要があります。
実用的な選択基準
表面状態の評価
実際にハンダ付けすることから始めます。最近製造されたコンポーネントを備えた新鮮な OSP- 完成ボードですか?穏やかな ROL0 フラックスでも機能する可能性があります。コンポーネントのリードに目に見える変色がある古い在庫はありませんか?もっと噛み応えのあるものが必要になります。 ENIG および浸漬銀の表面は、一般に裸の銅または錫仕上げよりもはんだ付けが容易であり、これがフラックス活性要件に影響します。
洗浄能力
清掃インフラについて正直に考えてください。インライン水性クリーナーがなく、追加する予定もない場合、優れた湿潤性にもかかわらず、水溶性フラックスはおそらく答えではありません。-プロセスでコンフォーマル コーティングの接着のためにはんだ後の洗浄が必要な場合、きれいなフラックスがないため余分な洗浄の問題が発生します。これは、より簡単に洗浄できる配合を使用することで回避できます。{4}
最終使用環境-
空調管理されたオフィスで動作する家電製品には、40,000 フィートの製鉄所や航空電子機器の産業用制御装置とは大きく異なる信頼性要件があります。{0}} IPC クラスが存在するのには正当な理由があります。クラス 1 ではより広い範囲が許可されます。クラス 3 では、保守的な選択が求められます。
プロセス制御機能
-クリーンなフラックスには、ロジンや水溶性の代替品よりも厳密な熱プロファイル制御は必要ありません。-手はんだ付けおよび選択的はんだ付け作業は、リフロー プロセスよりも本質的にばらつきが大きくなります。プロセス制御が制限されている場合は、たとえ洗浄ステップを追加することになっても、より寛容なフラックス化学薬品を使用することでリスクが軽減されます。
実際に遭遇する残留物の問題
白い残留物の形成通常、フラックスの活性化が不十分であるか、洗浄が不完全であることを示します。化合物ははんだ付け中に完全には反応せず、未反応の活性剤が残り、その後水分を吸収して目に見えるようになります。通常、機械的に撹拌しながら強力な溶剤を使用するとこの問題は解決しますが、繰り返し発生する白い残留物の問題は、単純な洗浄の失敗ではなくプロセスの問題を示しています。
樹状突起の成長怖いのは。イオン性汚染物質と水分と印加電圧は、電気化学的移動に等しくなります。-導電性金属フィラメントが配線間でショートを引き起こすまで成長します。これは時間に依存する障害であり、フィールド サービスでは数か月または数年は発生しない可能性があります。-根本的な原因は、ほとんどの場合、活性フラックス残留物の洗浄が不十分であることです。
コーティングの密着不良絶縁保護コーティングが基板の下の汚染により基板から剥がれるときに起こります。 「クリーンでない」残留物であってもコーティングの接着を妨げる可能性があるため、航空宇宙仕様では通常、コンフォーマル コーティングが必要な場合、フラックスの種類に関係なく洗浄が義務付けられています。
コンポーネントの下の腐食機能障害が発生するまで目に見えないため、特に危険です。低スタンドオフコンポーネントの下に閉じ込められた強力なフラックス残留物が、時間の経過とともに終端やパッドを攻撃します。{1}症状が現れる頃には、被害は広範囲に及んでいます。
IPC 分類システム
J-STD-004B 指定を理解すると、かなりの混乱を避けることができます。 4 文字のコードは、知っておく必要があるすべてをエンコードしています。
最初の 2 文字は組成を識別します。RO はロジン、RE は合成樹脂、OR は有機酸、IN は無機化合物を表します。
次の文字は活動レベルを示します。L は低、M は中、H は高です。
最後の数字はハロゲン化物含有量を示します。0 は検出限界未満を意味します (<0.05%), 1 means detectable halides present.
したがって、ROL0 はロジン-ベース、低活性、ハロゲン化物-フリーフラックス-で最も良性の分類です。 ORM1 は有機-酸-ベースで、中程度の-ハロゲン化物との活性フラックス-が非常に強力で、洗浄の考慮が必要です。
活動レベルは、清掃要件とほぼ相関しています。通常、L0 および L1 フラックスは、クラス 1 および 2 のアプリケーションの場合、-そのまま-として適格となります。 M0 と M1 は境界線にあります。{10}ある状況では未クリーニングが許容されますが、他の状況ではクリーニングすることが推奨されます。 H-レベルのフラックスは、組成に関係なく、ほとんどの場合洗浄が必要です。
顧客の仕様はこれらの分類を直接参照する場合があります。 「ROL0 または REL0 フラックスのみを使用する」などのステートメントでは、利用可能な製品の 90% が排除されますが、最大限の長期信頼性が保証されます。-
保管および取り扱い上の注意
フラックスには使用期限があります。特にフラックスをペーストします。活性化剤は室温でもロジンまたは樹脂担体とゆっくりと反応し、活性が徐々に低下します。ほとんどのメーカーは、冷蔵での保存期間を 6 ～ 12 か月と指定していますが、室温ではそれより短くなります。
湿気にさらされると、特に水溶性フラックス配合物が劣化します。{0}使用しないときは容器を密閉してください。汚れたブラシやアプリケーターからの汚染により、性能に影響を与えたり残留物を残したりする粒子やイオン化合物が混入する可能性があります。
フラックスペンは便利ですが、独特の癖があります。フェルトチップは使用するたびに乾燥する可能性があるため、貼り付ける前に下塗りが必要です。共有アプリケーターを介したフラックスタイプ間の相互汚染は、驚くほど一般的であり、驚くほど問題があります。-
温度は粘度と拡散挙動に影響を与えます。冷蔵保管からの冷フラックスが適切に流れない可能性があります。冷蔵製品は使用前に室温に平衡化させてください-ペーストフラックスの場合は通常 1 時間ほどかかります。
フラックスヒュームについて誰も教えてくれないこと
ロジンフラックスの煙は職業上の危険性として認識されています。はんだ付け中に放出されるアビエチン酸の蒸気は、一部の人に呼吸器感作を引き起こし、曝露をやめた後も持続する可能性のある職業性喘息につながります。はんだ付けステーションでの局所排気換気は、生産環境ではオプションではありません。
愛好家は、はんだ付けはたまにしか行わず、露出は最小限であると思われるため、これを無視することがよくあります。時々使用する場合にはおそらく問題ありませんが、定期的にはんだ付けを行う場合は、呼吸ゾーンから煙を遠ざけるために、少なくとも小型ファンを設置する必要があります。 -ろ過機能を備えた専用のヒューム抽出器の方が優れています。
水溶性フラックスヒュームは、有機酸が含まれているため、特に刺激性が高い場合があります。{0}クリーンでない製剤の中には、ヒュームの発生が少ないと謳っているものもありますが、これは製品によって大きく異なります。
適切なフラックスを使用すると、はんだ付けが簡単になります。フラックスが間違っているとそれが不可能になります。その間にあるものはすべて学習経験です。-現場で障害が発生し始めると、場合によっては高価な学習経験になります。フラックス特性を特定のプロセス、コンポーネント、および最終用途の要件に合わせるために事前に時間をかけて行うことで、製品が顧客の手に渡り、なぜ完璧に見えた接合部が突然故障するのかを説明しようとするまで気付かないような問題を防ぐことができます。-
