はんだペースト
はんだペースト

はんだペーストは、粉末状のはんだを粘着性のあるフラックスペーストに混ぜたもので、主に表面実装部品をプリント基板にはんだ付けするために使用されます。また、はんだペーストをスルーホールに印刷することで、ペースト部品をはんだ付けすることも可能です。粘着性のあるペーストは部品を一時的に固定し、その後基板を加熱してペーストを溶かし、電気的接続だけでなく機械的接合も形成します

用途

PCBに印刷されたはんだペースト

はんだペーストは通常​​、はんだペーストプリンター[ 1 ]によるステンシル印刷工程で使用されます。この工程では、ペーストをステンレス鋼またはポリエステル製のマスク上に塗布し、プリント回路基板上に所望のパターンを作成します。ペーストは、空気圧、ピン転写（ピンのグリッドをはんだペーストに浸してから基板に塗布する）、またはジェット印刷（インクジェットプリンターのようにノズルからペーストをパッド上に吐出する） によって塗布されます

ペースト印刷後、部品はピックアンドプレース機または手作業で配置されます。はんだ接合部自体を形成するだけでなく、ペーストキャリア／フラックスは、アセンブリが様々な製造工程を通過し、場合によっては工場内を移動する間、部品を保持するために十分な粘着性を備えていなければなりません。

リフローはんだ付け前にはんだペーストに置かれたAttinyマ​​イクロコントローラ

部品の配置の後にリフローはんだ付けのプロセスが続きます。

ペーストメーカーは、それぞれのペーストに適したリフロー温度プロファイルを提案します。主な要件は、爆発的な膨張（「はんだボール」の原因となる）を防ぎつつ、フラックスを活性化させるために、緩やかな温度上昇です。その後、はんだは溶融します。この領域での時間は、液相線超過時間と呼ばれます。この時間の後は、適度に急速な冷却期間が必要です。

良好なはんだ接合部を得るには、適切な量のはんだペーストを使用する必要があります。ペーストが多すぎるとショートが発生する可能性があり、少なすぎると電気的接続や物理的強度が低下する可能性があります。はんだペーストは通常​​、重量比で約90%の金属固形分を含みますが、はんだ接合部の体積は塗布されたはんだペーストの約半分しかありません。[ 2 ]これは、ペースト中にフラックスなどの非金属化合物が含まれていること、そしてペースト中に浮遊している金属粒子の密度が、最終的な固体合金と比較して低いことに起因します。

電子機器に使用されるすべてのフラックスと同様に、残留物が回路に有害となる可能性があり、残留物の安全性を測定するための規格 (J-std、JIS、IPC など) が存在します。

ほとんどの国では、「無洗浄」はんだペーストが最も一般的ですが、米国では水溶性ペースト（強制洗浄要件あり）が一般的です。

組成

顕微鏡で見たはんだペースト

はんだペーストは、基本的にフラックスペーストに懸濁した粉末状のはんだです。フラックスの粘着性により、はんだ付けリフロー工程ではんだが溶けるまで部品が所定の位置に保持されます。環境規制の結果、今日のはんだペーストを含むほとんどのはんだは鉛フリー合金 で作られています

分類

サイズ別

はんだペースト中の金属粒子のサイズと形状は、ペーストの印刷品質を決定します。はんだボールは球形です。これは表面の酸化を抑え、隣接する粒子との良好な接合部形成に役立ちます。不規則な粒子サイズはステンシルを詰まらせ、印刷欠陥を引き起こす傾向があるため、使用されません。高品質のはんだ接合部を形成するには、金属球のサイズが非常に規則的で、酸化レベルが低いことが非常に重要です

はんだペーストは、IPC規格J-STD 005に基づいて粒子サイズに基づいて分類されます。[ 3 ]下の表は、メッシュサイズと粒子サイズを比較したペーストの分類タイプを示しています。[ 4 ]一部のサプライヤーは独自の粒子サイズの記述を使用していますが、比較のためにヘンケル/ロックタイトの記述を示します。[ 5 ]

型式指定 [IPC] メッシュサイズ（1インチあたりの線数 ）最大サイズ（μm）（以下） 最大サイズ（μm）（1%未満大きい） 粒子サイズ（μm）（80%以上） 平均サイズ（μm） 最小サイズ（μm）（10%以下） ヘンケルパウダーの説明[ 5 ]
タイプ1 150 150～75 20
タイプ2 −200/+325 75 75～45 60 20
タイプ3 −325/+500 45 45～25 36 20 AGS
タイプ4 −400/+635 38 38～20 31 20 DAP
タイプ5 −500/+635 30 25 25～10 10 KBP
タイプ6 −635 20 15 15～5 5
タイプ7 15 11 11-2
タイプ8 11 10 8–2

フラックス別

IPC規格J-STD-004「はんだ付け用フラックスの要求事項」によれば、はんだペーストはフラックスの種類に基づいて3つのタイプに分類されます

ロジン系フラックスは、松の木から抽出された天然のロジンから作られています。これらのフラックスは、はんだ付け工程後に、必要に応じて溶剤（クロロフルオロカーボンを含む可能性があります）または鹸化型フラックス除去剤を使用して洗浄することができます。

水溶性フラックスは有機物とグリコール塩基から構成されており、これらのフラックス用の洗浄剤は多種多様です。

無洗浄フラックスは、不活性フラックス残留物を極微量に抑えるように設計されています。無洗浄ペーストは、洗浄コストだけでなく、設備投資と床面積も削減します。ただし、これらのペーストは非常にクリーンな組立環境を必要とし、不活性リフロー環境が必要となる場合もあります。

J-STD-004BでROL0に分類されるハロゲンフリー無洗浄はんだペーストは、ハロゲン化物を添加しないリフロー残渣中の塩化物濃度が0.05%未満であり、空気または窒素リフローでの信頼性の高い鉛フリー表面実装アセンブリをサポートします。[ 6 ]

はんだペーストの特性

回路アセンブリにはんだペーストを使用する場合は、はんだペーストの さまざまなレオロジー特性をテストして理解する必要があります。

粘度
材料が流動する傾向に抵抗する度合い。特定のペーストの粘度はメーカーのカタログから入手できます。一定期間使用した後のはんだペーストの残存使用可能性を判断するために、社内試験が必要になる場合があります
チキソトロピック指数
はんだペーストはチキソトロピー性があり、せん断力（攪拌や塗布など）によって粘度が変化することを意味しています。チキソトロピック指数は、はんだペーストの静止時の粘度を、練り混ぜたペーストの粘度と比較した指標です。ペーストの配合によっては、適切な塗布のために適切な粘度を確保するために、使用前にペーストを攪拌することが非常に重要になる場合があります。はんだペーストがスキージによってステンシル上で動かされると、ペーストにかかる物理的な応力によって粘度が低下し、ステンシルの開口部からペーストが容易に流れ出ます。ペーストにかかる応力が取り除かれると、ペーストは粘度を回復し、回路基板上での流れを防ぎます
スランプ
塗布後に材料が広がる性質。理論的には、ペーストを回路基板に塗布した後、ペーストの側壁は完全にまっすぐになり、部品を配置するまでその状態が維持されます。ペーストのスランプ値が高い場合、ペーストの側壁が完全にまっすぐではないため、期待される挙動から逸脱する可能性があります。ペーストのスランプは最小限に抑える必要があります。スランプがあると、隣接する2つのランド間にはんだブリッジが形成され、短絡が発生するリスクがあります。
耐用年数
はんだペーストが印刷特性に影響を与えずにステンシル上に留まることができる時間。この値はペーストメーカーによって提供されています
タック
タックとは、部品実装機によって部品が実装された後、はんだペーストが部品を保持する特性です。したがって、タック寿命ははんだペーストの重要な特性です。タック寿命は、はんだペーストが大気にさらされてもタック特性に大きな変化がない時間の長さとして定義されます。タック寿命の長いはんだペーストは、ユーザーに一貫性のある堅牢な印刷プロセスを提供する可能性が高くなります
休止応答
休止応答（RTP）は、印刷回数と休止時間の関数として、はんだペーストの堆積量の差によって測定されます。休止後の印刷量に大きな変動があると、ショートやオープンなどの最終工程の欠陥が発生するため、許容されません。良質のはんだペーストは、休止後の印刷量の変動が少なくなります。しかし、他のはんだペーストでは、大きな変動が見られ、全体的に量が減少する傾向にある場合があります

保管

はんだペーストは輸送時は冷蔵し、密閉容器に入れて0～10℃で保管してください。使用時には 室温まで温めてください

最近、26.5℃で1年間、40℃で1ヶ月間安定した状態を保つ新しいはんだペーストが導入されました。[ 7 ]

はんだ粒子は、生の粉末の状態では空気にさらされると酸化されるため、露出を最小限に抑える必要があります。

評価

はんだペーストの評価が必要な主な理由は、すべての欠陥の50～90%が印刷の問題に起因するためです。したがって、ペーストの評価は非常に重要です

この手順は非常に徹底的でありながら、良質のはんだペーストと不良なはんだペーストを区別するために必要な試験の量を最小限に抑えます。複数のはんだペーストを評価する場合、この手順を用いることで、印刷品質の低さから不良なペーストを除外することができます。そして、最終候補はんだペーストに対して、はんだリフロー性能、はんだ接合部品質、信頼性試験などの追加試験を実施することができます。

よくあるエラーと欠陥

回路基板アセンブリの欠陥の大部分は、はんだペーストの印刷工程の問題またははんだペーストの欠陥によって発生します。欠陥には多くの種類があり、たとえば、はんだが多すぎる、またははんだが溶けて多くのワイヤ（ブリッジ）に接続し、結果としてショートが発生するなどです。ペーストの量が不十分な場合、回路は不完全になります。ヘッド・イン・ピロー欠陥、つまりボール・グリッド・アレイ（BGA）球とはんだペースト堆積物の不完全な融合は、鉛フリーはんだ付けへの移行以来、頻度が増加している故障モードです。検査中に見逃されることが多いヘッド・イン・ピロー（HIP）欠陥は、BGA球とリフローされたペースト堆積物の界面のはんだ接合部に目に見える分離があり、頭が枕の上に置かれているように見えます。[ 8 ]電子機器メーカーは、アセンブリのコストのかかるやり直しを避けるために、印刷工程、特にペーストの特性についての経験が必要です。粘度やフラックスレベルなどのペーストの物理的特性は、社内テストを実行して定期的に監視する必要があります。

PCB（プリント基板）を製造する際、メーカーは多くの場合、SPI（はんだペースト検査）を使用してはんだペーストの堆積をテストします。SPIシステムは、部品を取り付けてはんだが溶ける前に、はんだパッドの体積を測定します。SPIシステムでは、各パッド上のはんだペーストの完全な体積プロファイルをキャプチャするために3Dイメージング（レーザー三角測量法や構造化光投影など）が使用されることが多いため、はんだ関連の欠陥の発生率を統計的に重要でない量まで減らすことができます。機械は測定値を事前定義された許容値と比較し、逸脱があればフラグを立てます。インラインシステムは、Delvitech（スイス）、Sinic-Tek（中国）、Koh Young（韓国）、GOEPEL electronic（ドイツ）、Cyber​​Optics（米国）、Parmi（韓国）、Test Research、Inc.（台湾）など、さまざまな企業によって製造されています。[ 9 ]オフラインシステムは、VisionMaster、Inc.（米国）やSinic-Tek（中国）など、さまざまな企業によって製造されています。

懸念事項

はんだペーストに関する主な懸念事項は次のとおりです。

  1. ステンシル上で長時間放置すると乾燥する可能性があります
  2. 有毒である可能性があります。
  3. コストが高く、無駄を最小限に抑える必要があります。

関連項目

参考文献

  1. ^ 「はんだペースト印刷機」ヤマハ発動機株式会社
  2. ^ 「スルーホールリフロー対応コネクタのはんだ量」（PDF） . Tyco Electronics Corporation . 2018年6月18日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） . 2016年8月29日閲覧。
  3. ^はんだペーストタスクグループ（1995年1月）「J-STD-005 はんだペーストの要件」バージニア州アーリントン：電子工業連盟（EIA）およびIPC。
  4. ^ Tarr, Martin (2006年10月3日). 「はんだペーストの基礎」 .エレクトロニクス業界向けオンライン大学院コース. 英国:ボルトン大学. 2010年11月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年10月3日閲覧。[1]
  5. ^ a b「技術データシート LOCTITE HF 212」（PDF）。ヘンケル。2016年6月
  6. ^ 「TDS DKP6 無洗浄鉛フリーはんだペースト」（PDF）DKL Metals 2025年12月8日閲覧。
  7. ^ Wilding, Ian (2016年2月8日). 「史上初の耐熱性はんだペーストを発表 ― はんだペースト配合における大きな進歩が市場のパラダイムを変える」ヘンケル・エレクトロニクスヘンケルのエレクトロニクスグループ。2016年3月2日時点のオリジナルよりアーカイブ（PDF） 。 2021年2月25日閲覧。
  8. ^ Alpha (2010-03-15) [2009年9月]. 「枕に頭が挟まる不具合の軽減 - 枕に頭が挟まる不具合：原因と潜在的な解決策」 . 3. 2013年12月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年6月18日閲覧。
  9. ^ロブレス・コンセ、マリサ (2015). 「Marktübersicht SPI-Systeme – Den最適な Lotpasten-Druckprozess im Visier」(PDF)。プロダクトロニック（ドイツ語）。2015 (7): 42–45 . 450pr0715. 2018 年 6 月 18 日にオリジナルからアーカイブ(PDF)されました。2018年6月18日に取得。

参考文献

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