ソルダーペーストの動作原理は？

なぜこれらの小さなチップが小銭のようにカタカタせずに携帯電話のマザーボードに貼り付けられたままなのか疑問に思ったことがあるなら、はんだペーストがあなたの答えです。これは、人々が評価している以上の効果を発揮する素材の 1 つです。

これはいったい何なのでしょうか？

はんだペーストの中心は、灰色のわずかにザラザラした混合物です。金属で作られた非常に精密な歯磨き粉のようなものだと考えてください。はんだ合金の微細な球体-通常は直径 20 ～ 50 ミクロン-が粘着性のフラックス媒体に懸濁されています。ほとんどの製剤では粉末が重量の約 85 ～ 90% を占めます。

合金そのもの？そこが物事が面白くなるところであり、正直に言うと、ここで何時間でも話せます。従来の錫-鉛 (SnPb) は、何十年もの間業界で愛用されてきました。共晶 63/37 SnPb は、ペースト状範囲がゼロで正確に 183 度で溶解します。クリーンで、予測可能で、一緒に働くのが楽しい。その後 2006 年に RoHS が施行され、エレクトロニクス業界は SAC305 (錫 96.5%、銀 3%、銅 0.5%) のような鉛フリーの代替品に向けて争奪戦を繰り広げました。これには約 217 度の高いリフロー温度が必要です。{9}}

しかし正直に言うと、ここでの主役は金属部分ではありません。

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フラックスは重労働をこなします

ここで私が完全に理解するまでに時間がかかりすぎた点があります。それは、はんだは金属にくっつかないということです。にくっついていますクリーン金属。そして、高温のきれいな金属は、基本的に屋外には存在しません。

銅は酸化します。速い。加熱するとすぐに、その光沢のある表面は酸化銅の形成を開始しますが、酸化銅ははんだ付けにはまったく適していません。酸化スズははんだボール自体上に形成されます。すべてのものは絶えず錆び、腐食し、酸化しようとしています-あなたが呼びたいものは何でも構いません。

これがフラックスの収入源です。

フラックスの化学組成にはさまざまなものがありますが、-非清浄、水溶性、-ロジン弱活性化（RMA）-ではありませんが、それらはすべてこれらの基本的な機能を果たします。どちらを選択するかは、アプリケーションと、後でボードをクリーニングするかどうかによって異なります。見た目はひどいものの、電気的には無害な残留物が残る場合もあります。他のものは腐食性が高く、絶対に洗い流す必要があります。

リフローの旅

おもらし: 真実の瞬間

濡れることが本当に重要なので、ここでは濡れについて詳しく説明したいと思います。

はんだが溶けてフラックスが酸化物を除去する役割を果たしたとき、液体金属は球状になるのではなく、表面全体に広がる必要があります。これは、はんだとベース金属の間の原子間引力によって起こります。純粋な元素金属の表面は高い表面エネルギーを持っています-欲しい何かと結びつくこと。酸化した表面には利用可能なエネルギーがありません。

濡れが良好であるということは、はんだとパッド表面の間の接触角が低いことを意味します。-はんだは広く広がり、穏やかなメニスカスを形成し、コンポーネントのリード線に流れ込みます。濡れが悪いと、はんだが塊となってそこに留まり、ほとんど何も触れていないように見えます。

業界は実際にこれを評価します。 IPC 標準は、「許容範囲」、「目標」、「欠陥」がどのようなものかを定義します。予想以上に厳しいものです。

問題が起こる場所

墓石は古典的なものです。小さな受動部品の一方の端は他方の端よりも濡れが良いため、はんだが溶けると、表面張力によって片側がより強く引っ張られます。コンポーネントは墓石のように直立しています。パッドのデザインやペースト量のバランスが取れていない場合、0402 と 0201 で常に発生します。

ボイド。関節内に空気が溜まってしまう。熱伝導性と電気伝導性が低下し、機械的強度が低下します。多くの場合、はんだが固化する前に逃げることができないフラックスのガス放出が原因と考えられます。

はんだボール。小さな球状のはんだが基板の周りに散らばっており、何にも付着していません。通常は、予熱時に溶剤が完全に蒸発しなかった場合のリフロー中のペーストの飛散、またはステンシル印刷中のペースト量が多すぎることが原因です。

頭を-枕に-してください。 BGA ボールは柔らかくなりますが、ペースト堆積物と完全には融合しません。接続されているように見えますが、実際には接続されていません。信頼性としてはひどい。

ステンシルは人々が認める以上に重要です

実は、印刷についても触れておきたいと思います。ペーストは何らかの方法でパッドに付着する必要があります。SMT 製造では、各パッドに対応する開口部を備えた-レーザー カット-された金属シートをステンシル印刷します。スキージはペーストを開口部から押し出します。コンセプトはシンプルですが、実際には非常に注意が必要です。

開口部の設計は、ペーストがステンシルからどのようにリリースされるかに影響します。ステンシルの厚さに比べて開口部が小さすぎると、剥離が不十分になります。-アスペクト比 (幅対厚さ) と面積比 (開口面積対側壁面積) は慎重に計算されます。. 0.66 最小面積比が一般的な経験則です。

ペーストのレオロジーも重要です。材料は擬似塑性である必要があります。-スキージで剪断すると流動しますが、一度堆積すると形状を保持します。粘度が間違っていると、スランプ（ペーストが隣接するパッドに広がる）または付着不足が発生します。

鉛フリーの現実-

 

SAC合金

SAC 合金は、従来の錫鉛よりも加工が困難です。{0}融点が高いほど、コンポーネントへの熱応力が大きくなります。濡れる動作はそれほど寛容ではありません。金属間化合物層の成長は異なります。信頼性の故障モードが変化しました。

しかし、それが今の世界です。 RoHSはなくなるわけではありません。メーカーは鉛フリー プロセスの最適化に 20 年を費やしており、最新の SAC 配合は適度に堅牢です。-ただ違うだけです。

低温-の代替品には、約 138 度で溶ける-ビスマス- ベースの合金があり、-熱に敏感なアセンブリやエネルギーコストの削減に役立ちます-。彼らは機械的脆弱性という独自の課題をもたらしますが、それはまったく別の話です。

実際に良い関節を作るものとは

電気的導通。機械的強度。 -熱サイクル、振動、湿気にさらされた場合でも長期的な信頼性を発揮します。

金属間化合物層は、結合が起こったことを証明するには十分な厚さですが、脆くならない程度には十分に薄いです。フィレット形状により応力が効果的に分散されます。熱経路を損なう空隙がありません。付着力を弱める汚れがありません。

正直なところ、誰も認めたくありませんが、美的要素もあります。美しいはんだ接合-光沢があり（SAC を使用すると艶消し）、一貫性があり、滑らか-であることは、通常、優れたプロセスと相関関係があります。醜い関節は、たとえ技術的に合格したとしても、問題があることを示していることがよくあります。

窒素雰囲気

一部の生産ラインでは、空気ではなく窒素下でリフローします。酸素レベルが低いということは、プロセス中の酸化が少ないことを意味し、弱いフラックス配合でも良好な濡れを実現できることを意味します。残留物が少なくなります。より光沢のある関節。

トレードオフはコストと複雑さです。窒素は無料ではありません。ただし、難しいアセンブリの場合、または穏やかでクリーンでないフラックスを使用する場合は、制御された雰囲気が違いを生む可能性があります。-

はんだペーストが機能するのは、必要な場所にはんだを供給し、部品を一時的に所定の位置に保持し、{0}}そのフラックス成分を通じて-金属{2}}と-の接合が実際に起こる化学条件を作り出すためです。粉末は接合材料を供給します。フラックスは濡れに対する障壁を取り除きます。リフロープロセスは、すべてを実現するための熱エネルギーを提供します。

これは調整された化学的および物理的プロセスであり、エレクトロニクス業界全体で 1 日に数十億回、約 4 分間で発生します。そして、それが正しく機能しているときは、まったく気付かないのです。-これがまさにそうあるべきです。

場合によっては、最も重要なマテリアルが、まったく考えてもいなかったものになることがあります。はんだペーストはこんな感じです。あなたが所有するすべてのデバイスで、目に見えない形で数え切れないほど繰り返しその役割を果たします。