PCBのはんだ付けの種類とアセンブリプロセス

最初に研究室で働き始めたときのことをまだ覚えています。金属でコーティングされた接点にリード線をはんだ付けすることが時々ありました。そのときは半導体材料を扱っていましたが、同じ材料はPCBのはんだ付けにも使用できます。大切なのは、PCB製造プロセスに適合する適切な混合物を選択することです。

PCB製造プロセスには、ベア基板の製造からアセンブリ、パッケージングに至るまで、複数のステップがあります。PCBアセンブリの一環で部品のマウントに使用されるPCB用はんだには、さまざまな種類があります。はんだの種類によって、機械的特性、安全性、廃棄に関して考慮する事項が異なるため、アセンブリを計画する際によく検討する必要があります。鉛フリーの電子機器への移行により、鉛ベースのはんだの使用は非常に少なくなってきています。

鉛ベースにするか鉛フリーにするかという議論には、インターネット上でたくさんの意見があるのでここでは立ち入りません。この記事では、さまざまな種類のPCBのはんだ付けについて、さまざまな材料とプロセスを見ていきます。

PCBのはんだ付けに必要な材料

さまざまな種類のはんだが入手可能ですが、設計や実装の経験が浅い場合は、最適な種類のはんだを選択するのは難しい作業に思えるかもしれません。はんだは、溶融した柔らかい合金が冷えるにつれて融合する共晶を形成するため、金属接点間の電気接続に使用されます。はんだ付けされたPCBを構成する合金によって、凝固後の機械の強度や必要な溶解温度、はんだ付け中に発生する煙は異なります。PCBのはんだ付け材料の種類は、コア材料、金属成分、はんだ付け用フラックスの種類によって区別されます。

金属含有量

鉛のはんだ合金は柔らかいはんだとして知られており、電子機器業界の黎明期に活躍しました。融点は約180～190 °Cで、保存期間は約2年です。一般的な鉛ベースのはんだ合金は次のとおりです。

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

その他のSn/Pb比には、50/50、30/70、および10/90があります。錫は合金の融点を下げ、また鉛は錫ウィスカーの成長を抑制するため、主にベースメタルとして使用されます。錫濃度が高いほど、半田接合部のせん断強度と引張強度が高くなります。62/36/2 Sn/Pb/Agの銀成分は、より低い接触抵抗と耐食性を提供します。他の種類の半田（インジウム、亜鉛合金など）もありますが、これらはPCB製造プロセスと互換性がないため、PCBには使用されないことに注意してください。

電子機器における鉛の使用を制限する有害物質使用制限指令（RoHS）が欧州議会で可決されて以来、鉛フリーはんだの人気が高まっています。鉛フリーはんだの問題は、錫ウィスカが発生しやすいことです。これらの錫ウィスカの形成を防ぎ、湿気や腐食から保護するために、絶縁保護コーティングがよく使用されます。

やに入りはんだは単一のリールとして販売されており、コアの中に還元剤が含まれています。この還元剤（後述）は金属接点上の酸化膜を除去し、電気接点の高い導電性を保ちます。手はんだ付けの場合は、コアに含まれる材料の種類も考慮する必要があります。

はんだのコア材料

はんだまたははんだペーストのスプールには、はんだ付け中に金属接点にフラックスを付けるため、次の材料のいずれかが含まれています。

• 有機酸フラックス：酸ベースのフラックスは、はんだ付け時に金属接点から酸化物をよく除去します。このフラックスは水溶性であり、腐食を防ぐため、はんだ付け後に残留物を洗浄する必要があります。
• ロジンフラックス：ロジンは針葉樹から得られる固体の樹脂です。ロジンフラックスの残留物は腐食を引き起こさないため、有機酸フラックスの残留物を除去するのが難しい場合に使用されます。
• ソリッドコア：一部のはんだ線にはソリッドコアがあり、フラックスが含まれていないため、フラックスを手で塗布する必要があります。このタイプのはんだは、フラックスが入手できる場合の手はんだ付けに便利です。

PCBのはんだ付けプロセス

現在、PCBで最も一般的なタイプのはんだは、鉛フリー（Sn-Cu）ロジンコアはんだです。実装業者が1回きりの基板を扱うか独自の基板を組み立てない限り、PCBAのはんだ付けは手動では行われず、プロセスは自動化されています。

• ウェーブはんだ付けLスルーホールコンポーネントに使用
• リフローはんだ付け：リフロー炉でSMTコンポーネントに使用されます。
• 局所はんだ付け：スルーホールコンポーネントが高熱によって損傷する可能性がある場合、またはウェーブおよびリフロー方式に適さない場合に使用されます。

まず、酸化を軽減し、溶融はんだの流れを均一にするために、フラックス/ペーストを基板上の金属接点に塗布します。これで、PCB上のはんだ付けの接合が強化されます。おそらく、ほとんどの設計者が、鉛フリーのはんだペーストとリード線で部品を組み立てる必要があると想定しているでしょうが、これは厳密な要件ではありません。はんだ付けの専門家らによると、これらの材料を混合することは珍しいことではありませんが、最終的に形成される合金の機械的特性は、鉛ベースの合金と鉛フリーの合金の中間に位置する可能性があるそうです。

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