ウェーブはんだ付け用フラックスとは何ですか?

ウェーブはんだ用フラックスプリント基板が溶融はんだ波に接触する前にプリント基板に塗布される化学薬品で、適切な濡れと金属間化合物の形成を促進しながら、はんだ付け可能な表面から金属酸化物を除去するのに役立ちます。フラックスは、活性化剤、ビヒクル、溶媒で構成されています。-各成分は、接合部が正しく形成されるか、または欠陥ログの別のエントリになるかどうかを決定する異なる熱化学的機能を実行します。

大気にさらされた金属表面には必ず酸化層が成長します。銅は酸化します。錫は酸化します。この成分は在庫室でそのチューブの中に 6 か月間放置されているため、-確実に酸化しています。酸化は継続的に起こり、地金が空気に触れた瞬間から始まり、高温になると酸化が加速します。

はんだは酸化物を濡らしません。きれいな金属を濡らします。

この根本的な非互換性が、フラックスが存在する理由全体を生み出します。仕様書にフラックスを追加するように指示されているからといって、フラックスを追加するわけではありません。これを追加するのは、化学的介入がなければ、SAC305 の 260 度の波がボード全体に転がり、まったく何も達成されないからです。はんだは団子になって広がりにくくなり、誰かが水銀を充填しようとしたようなスルーホールが現れます。-

オペレータが濡れの悪い接合部を見つめて、合金の汚染のせい、滞留時間のせい、窒素の流れのせい、{0}}明らかなこと以外はすべて責めているのを見てきました。まずフラックスの適用範囲を確認してください。湿潤障害の 90% は、接合領域に到達するフラックスが不十分であることが原因です。

ロジン-ベースのフラックスがウェーブはんだ付けで主流となっている理由は何世紀にも遡ります。有効成分-アビエチン酸、C19H29COOH-は、蒸留と精製によって松脂から抽出されます。これは高度な化学ではありません。古代の金属細工師は松ピッチを使用していました。最新の定式化は変数をより適切に制御するだけです。

アビエチン酸は約 172-175 度で融解し、都合よく従来の錫-共晶の 183 度よりも低くなります。タイミングが重要です。はんだ接触に先立つフラックスの活性化は、酸化物を剥離するのに十分な秒単位で、はんだが到着する前に洗浄された表面が再酸化しない程度の十分な秒数で行う必要があります。{6}}

活性化メカニズムには、カルボキシル基と金属酸化物の間の酸塩基反応が含まれます。{0}

RCOOH CuO → RCOO-Cu H2O

銅はロジンに溶ける塩に結合します。{0}反応生成物は溶融フラックスに溶解し、接合界面から運び去られます。きれいな金属が残ります。はんだが濡れます。

鉛フリー化により、このタイミングのすべてが変わりました。{0} SAC305 液相線は 217-220 度にあります。 35-40 度余分にあるということは、熱分解によってフラックスが役に立たなくなる前に、フラックスがより長く化学的に活性を維持する必要があることを意味します。 63/37 プロセス向けに設計された従来のロジン配合物は、鉛フリー温度ではパフォーマンスが低下することがよくあります。はんだが到着する前に酸化物除去能力を使い果たしてしまいます。{11}}

「クリーンではない」は「残留物がない」という意味ではありません。{0}}これは、理論的には、残留物が基板上に残されても信頼性の問題を引き起こさないことを意味します。

理論的には。

実際には、フラックスメーカーは、IPC-B-24 コムパターンに対して 85 度 /85% の相対湿度で SIR テストを実施し、制御された実験室条件下で残留物が 100 メガオームの絶縁抵抗を 168 時間維持することを実証しています。それが、自動車のエンジンルームや実際に汚染されている産業環境で製品が 10 年間耐えられるかどうかは、まったく別の問題です。

-きれいなフラックスには固形分が 1{2}}5%- 含まれておらず、ほとんどが弱有機酸であり、ロジンや合成樹脂が含まれている可能性があります。この製剤は残留物の良性を保つために意図的に活性を犠牲にしています。コンポーネントの表面が新しくはんだ付け可能である場合には、このトレードオフが機能します。気候管理されていない倉庫に在庫を保管している深センのサプライヤーから酸化部品を調達する場合、この計画は見事に失敗します。-

私が協力したすべての委託メーカーは、きれいにはんだ付けが適切に行われない基板用に、-水溶性フラックスを常備しています。-公式プロセスのドキュメントでは、すべてに対して ORL0 no clean が指定されている場合があります。-生産現場の現実では、不良率が上昇すると化学薬品を切り替える必要があります。

水溶性フラックスには、ロジン配合物を穏やかに見せる活性レベルの有機酸-、アジピン酸、クエン酸、コハク酸-が含まれています。{0}}酸含有量が高くなると、酸化物が激しく攻撃されます。濡れはすぐに起こります。穴埋めが改善されます。関節が輝いて見えます。

残留物は製品を破壊するほどの腐食性もあります。

最終的にはそうではありません。理論的にはそうではありません。活発に腐食性。水溶性の残留物を通電した基板上に一晩放置し、トレース間で樹状突起が成長するのを観察します。-イオン汚染は、吸湿によって導電経路を作成します。電気化学的マイグレーションが続きます。コンポーネントが故障します。

水溶性プロセスでは洗浄が必要です。-通常は 140 °F の脱イオン水による水洗浄により、フラックス塩が損傷を引き起こす前に除去されます。すべてのボード。毎回。例外はありません。

洗浄ステップでは、費用のかかる設備、水処理、乾燥、イオン汚染試験が追加されます。{0}製造技術者はそれを嫌います。しかし、バレル長が長い厚い基板、鉛が著しく酸化した部品、または穴の充填に最大のフラックス活性が必要な状況では、依然として水溶性が確実に機能する唯一の化学物質です。-

IPC J-STD-004 では、これらを ORH タイプまたは INH タイプとして分類しています。「H」は高活性を意味します。この分類システムは、特に腐食の可能性について人々に警告するために存在します。

フォームフラックスは、フラックスに浸された多孔質の石を通して圧縮空気をバブリングさせることによって機能し、ボードの下面に接触する起立したフォームヘッドを作成します。このプロセスは 1970 年代から存在しています。シンプルで安価で、適切にメンテナンスされていれば信頼性が高くなります。

また、磁束が不均一に分布します。

底部の地形が不規則なボードが通過すると、フォームヘッドが潰れます。はんだ面に大きな部品を接着すると影ができます。フラックス消費量は周囲湿度によって変化します。運転を停止する前にタンクの水を抜くのを忘れると、多孔質の石が乾燥した残留物で詰まります。

私はシフト全体をフォームフラクサーの問題のトラブルシューティングに費やしました。石の詰まりは典型的なものです。-泡の高さの低下として現れます。オペレーターは空気圧を高めることで補償します。これにより不安定な泡が生じ、基板の輸送中に崩れ、斑点のあるカバレッジが発生し、ランダムなスキップはんだとして現れます。修正するには、水抜き、洗浄、場合によっては石を完全に交換する必要があります。その間、生産は停止します。

スプレーフラックスはノズルを通して液体フラックスを霧化し、プログラムされた場所に制御された量を正確に堆積させます。カバレッジの均一性が劇的に向上します。継続的に蒸発する泡のリザーバーを維持しないため、フラックスの消費量が減少します。プロセスパラメータ-スプレー量、トラバース速度、エアナイフ圧力-は、調整に予測どおりに反応します。

スプレーシステムのコストは高くなります。メンテナンススケジュールを調整せずに固形分の高いフラックスを使用すると、目詰まりします。しかし、資本支出を正当化できる生産量であれば、スプレーの方が泡よりも優れています。

新しい超音波霧化システムは、フラックスを空気補助スプレーよりも細かい液滴に細分化するため、狭い空間への浸透が向上します。{0}}それが特定の基板設計にとって重要かどうかは、形状に完全に依存します。

鉛フリーはんだは、スズ鉛のように穴を埋めることはできません。{0}

物理学には、表面張力と濡れ速度が関係します。 SAC305 は、63/37 よりも高い表面張力を示します (470 mN/m に対して約 500 mN/m)。溶融合金は狭いバレル内に流れ込むのを抵抗します。毛細管上昇が低下します。上面のフィレットは薄く出現するか、まったく存在しません。

磁束は部分的に補償することができます。活性の高い配合物は、酸化物の除去を改善することで実効表面張力を低下させ、毛細管作用を改善します。延長された予熱により、波が接触する前にフラックス揮発性物質が完全に蒸発し、重要な瞬間の残留活性剤濃度が最大化されます。コンベア速度が遅いと接触時間が長くなり、はんだが上方に吸い上げられる機会が増えます。

しかし、限界もあります。

0.093 インチより厚く、アスペクト比が 8:1 を超える基板は、強力なフラックス化学反応にも挑戦します。バレルの長さは、利用可能な滞留時間内で毛細管現象が達成できる長さを単純に超えています。コンポーネントに熱ダメージが及ぶ恐れがあるまで接触時間を増やすか、避けられないプロセス制限として不完全な充填を受け入れるかのどちらかです。

一部のメーカーは、問題のある接合部を選択的にはんだ付けすることでこの問題に対処しています。パッドの形状を再設計する人もいます。鉛フリー合金を使用した高-アスペクト比-バレル用のフラックス-のみの解決策は誰も見つけていません。-物理学がそれを許しません。

揮発性有機化合物の規制により、業界全体でフラックスの再配合が強制されました。従来のアルコール-ベースのフラックスは、塗布および予熱中にイソプロパノールの蒸気を放出し、大気品質要件が厳しい管轄区域では環境コンプライアンス問題を引き起こすのに十分です。{2}

VOC-フリーの配合では、キャリア溶媒として水を使用します。彼らは働いています。動作も異なります。

水はイソプロパノールよりもゆっくりと蒸発します。予熱ゾーンでは、同等の溶媒除去を達成するために延長またはより高い温度が必要です。乾燥が遅いと、フラックスが不規則な表面にどのように分布するかに影響します。キャリア蒸発速度の違いにより、熱暴露後に残るものが変化するため、残留物の特性が変化します。

アルコール-ベースのフラックスから-VOCフリーのフラックスに切り替えることは、単なる置き換えではありません。-プロセスの再認定は必須です。そうでないと言う人は、実際に高信頼性製品への移行を試みたことがありません。-

Solders

IPC のフラックス分類スキームは、古い軍用 QQ-S-571 規格を、組成 (ロジンの RO、樹脂の RE、有機の OR、無機の IN) と活性レベル (低/中/高の L/M/H) およびハロゲン化物含有量 (0 または 1) を組み合わせた指定子のマトリックスに置き換えました。

したがって、ROL0 は、ロジン-ベース、低活性、ハロゲン化物-を含まないフラックスを示します。 ORM1 は、有機組成、中程度の活性、ハロゲン化物が存在することを意味します。

このシステムは、メーカー間で製品を比較するのに役立ちます。特定のフラックスがアプリケーションで機能するかどうかはわかりません。異なるサプライヤーからの 2 つの ROL0 フラックスは、実質的に異なる濡れ性能を示す可能性があります。これは、分類が全体的なプロセス能力ではなく、特定のテストパラメータ-銅ミラー、SIR、腐食-を測定するためです。

分類は初期スクリーニングに使用します。生産に関する決定には、独自の認定テストを信頼してください。

ハロゲン化物活性化剤-通常、塩化ジエチルアンモニウムなどの塩化物または臭化物化合物-は、湿潤速度を大幅に向上させます。これらは有機酸の代替物よりも速く酸化物を攻撃します。酸化したコンポーネントや裸の銅 OSP 仕上げの場合、ハロゲン化物活性化フラックスが、許容可能なプロセス歩留まりと継続的な再加工との間に違いを生むことがよくあります。{4}}

残留物はイオン性のままです。湿気にさらされると、ハロゲン化物残留物が湿気を吸収して導電性になります。電気化学的マイグレーションが加速します。信頼性エンジニアは、組み立て後の数年後の樹枝状成長に起因する現場の故障を記録します。

-信頼性の高い用途-航空宇宙、医療、軍事-では、活動の分類に関係なく、フラックスを含むハロゲン化物-を完全に禁止することがよくあります。製品の寿命が数十年に及ぶことはなく、動作環境が高湿度と連続電力を組み合わせることはほとんどないため、家庭用電化製品はハロゲン化物を許容します。

この選択には、リスクを明確に受け入れることが含まれます。ハロゲン化物は、長期的な腐食の可能性を犠牲にして製造性を向上させます。-ハロゲン化物（L1、M1 指定子）を含むクリーンな配合物は、残留物がボード上に永久に残るように設計されているため、特に精査する必要はありません。{3}}

液体フラックスは、指定された固形分含有量でサプライヤーから届きます。-スプレーノークリーンの場合はおそらく 2%、フォームロジンの場合は 15% です-。使用中に溶剤が蒸発します。密度が上がります。単位体積あたりの活動が増加します。

監視しないと、固形分 2% から始まったフラックスは 3% または 4% に向かって徐々に増加します。誰もスプレー設定を変更していないため、塗布量は一定のままです。基板には、プロセスで認定された量よりも大幅に多くの活性物質が供給されます。残留レベルは予想を超えています。 SIR への準拠が疑問視されます。

すべてのウェーブはんだ付け作業では、毎日フラックス密度を測定する必要があります。屈折計も機能しますが、専用の磁束密度計はより高い精度を提供します。測定には 30 秒かかります。別の方法は、顧客認定監査中に、プロセスが 6 か月前に仕様から逸脱していたことを発見することです。

ロジン-ベースのフラックスには、酸化重合しやすい共役二重結合を持つ化合物が含まれています。温かい状態で保管し、光にさらし、容器を密封せずに放置します。-フラックスが劣化します。粘度が増加します。濡れ性能が低下します。先月うまくいったことが今日はうまくいきません。

メーカーは 15 ～ 25 度の間で保管することを指定しています。彼らはそれを意味します。

私は、フラックスドラムが予熱排気ダクトの隣に保管されているかどうかを誰かがチェックするまで、数週間にわたってファントムはんだ付けの欠陥をトラブルシューティングしている生産ラインを見てきました。フラックスは保管中に本質的に調理されていました。同じロット番号の新鮮な材料は通常どおり実行されます。

フラックスの選択には、残留物の問題に対するアクティビティのバランスをとること、特定のコンポーネントのはんだ付け性と基板の仕上げに化学薬品を適合させること、そして実際の製造試験を通じて性能を検証することが含まれます。データシートの仕様は出発点を提供するものであり、保証するものではありません。この分類システムは、成功の予測ではなく、選択肢について議論するための語彙を提供します。

-はんだが金属を濡らすように酸化物を除去する-という基本的な仕事は、松のピッチが青銅の結合に役立つことを古代の職人が発見して以来変わっていません。最新の配合は、鉛フリー温度、環境規制、高密度形状、製品寿命を延ばす信頼性要件など、現代の制約に合わせて最適化されています。-

はんだ付けに失敗した場合は、まずフラックスを確認してください。カバレッジを確認し、活性化を確認し、化学的性質が実際にプロセス条件と一致するかどうかを確認してください。答えは通常、誰も認めたがらないほど簡単です。