Home - Blog

コールドソルダー・ジョイント – ハンダ付けの決定版

コールドソルダー・ジョイント

コールドソルダー・ジョイント について、過去にコールドソルダージョイントに遭遇したことはありますか?どのようにして問題を解決しましたか?オンラインヘルプは利用しましたか?

ほとんどのエンジニアは、工業用PCBアセンブリの間に、または新しいトレンド(例えば、柔軟なPCBを使用する場合)でプロトタイプを作成するときに、冷たいはんだ接合部のために信頼性の低い電子機器を生産することに直面しなければならない。

PCB専門メーカーとして、WellPCBは過去にしばしば冷たいはんだジョイントについての心配を受けました。我々は、この特定のトピックについての詳細を調査し、これらの懸念のためにPCB設計者を心配することができる質問に答えようと思いました。

今回は、より良いPCBを開発するために役立つ冷たいはんだ接合部に関する情報をまとめました。 

https://youtu.be/G3wYIdPtYfc

1. 冷たいはんだの接合部

1.1 まず、はんだ付けとは?

はんだ付けとは、溶融した鉛と錫の合金を用いて電子部品をプリント基板に接続することで、プリント基板上に電気的・機械的な接続を形成するプロセスである。

回路の開発やトラブルシューティングの中心的な役割を果たすため、電気工学の基本的な技術です。

ハンダ付けは、ハンダステーションやハンダごて、ハンダ線(スズと鉛の合金)を使って行われることが多い。はんだ付けの際には、電源に接続された制御された発熱体に、金属(または関連する金属材料)の微妙な先端が取り付けられる。

時間の経過とともに、はんだごての先端は、はんだ線を溶かすことができる温度まで加熱され、溶融状態になり、はんだ接合部の形成を助ける。はんだ付けは、PCBに電気部品を実装するための技術である。

1.2 はんだ接合部について教えてください

はんだ接合部とは、電子部品をプリント基板上で相互に接続するための、特定のはんだ付け箇所のことである。理想的なはんだ接合部の断面は、下の画像1に示すように、滑らかで光沢のある凹状の溶融はんだが、はんだ付けされる素子のピンを登っていることです。

コールドソルダー・ジョイント

イメージ1:理想的なはんだ接合部

簡単な説明から推測できるように(あるいは経験から)、上手なはんだ付けは多くの練習を必要とする後天的な技術です。多くの人にとって、この技術は、プロジェクトや実験を繰り返しながら、時間をかけて完成させていくものです。 

この学習過程では、「……これを取り付けて」「……これを外して」という試行錯誤が繰り返されます。 

しかし、それでも失敗しないということはなく、練習する前よりも少しずつ上達していくものです。

つまり、部品をハンダ付けするたびに、前よりもうまくできるようになったり、失敗からよりよい方法を学んだりするチャンスがあるのです。

1.3 よくあるはんだ接合部の問題

ハンダ付けの際には、様々な失敗をする可能性があります。はんだ接合を行う際によくあるはんだ付けの失敗には、以下のようなものがあります。

       1. 乱れた接合部:溶融したはんだが凝固する前にはんだ接合部が乱れたときにできる。

       2. コールドジョイント:ハンダ付け後、ハンダが完全に溶けなかった場合のジョイント。

       3. 過熱接合:はんだ付けワイヤーを加熱しても溶融しない場合に発生する問題。この行為により、基板上のフラックスが過熱され、はんだ付けが複雑になります。

       4. 濡れ不足。 ピンと基板のどちらかに発生する問題です。これは、基板とピンの間でハンダの加熱が不均一になっていることを示しています。ピンのぬれ不足は、基板よりもピンを焼いたことを示します。一方、基板のぬれが不十分な場合は、ぬれ材の塗布量が少なすぎることが考えられます。

これらの問題については、他の前章で詳しく説明します。

1.4 さて、コールドソルダージョイントとは何でしょうか?

 さて、ここまで来れば「冷たいはんだ付け」とは何かがお分かりになるのではないでしょうか。冷たいはんだ接合部とは、すでに述べたように、はんだ付けの際に、はんだが完全に溶けずに流れてしまい、理想的なはんだ接合部を形成できなかった場合に起こることが多いはんだ接合部のトラブルです。

コールドソルダージョイントは、ピンや基板のフレックス部分に凸状に実装され、くすんで見えることが多い。また、画像2のように粗い形状になることもあります。

コールドソルダー・ジョイント

イメージ2:コールドソルダージョイント

冷たいはんだ接合部は、はんだ付け前にはんだ線をきちんと加熱しなかった場合に発生することが多い。また、はんだが固まる前に、基板やはんだ付けされたピンに手を加えてしまった場合にも発生することがあります。 

次の章では、冷えたはんだ接合部の発見と修理方法について詳しく説明します。また、コールドソルダージョイントの発生を最小限に抑えるための方法も紹介します。

2. 冷たいはんだ付けの検出と試験

2.1 なぜ冷たいはんだ付けの検査をする必要があるのか?

大規模な電気プロジェクトに携わっている人ほど、冷たいはんだ接合部のテストの重要性を理解している人はいないでしょう。

私が一人で電気工事をしているときに遭遇した、悩ましいステージを紹介しましょう。この話は、皆さんの日常の仕事にも当てはまるのではないでしょうか。それは次のようなものだ。

私は、大規模な産業プロジェクトの電気モジュールを作っています。私の役割は、より大規模なプロジェクトのための基本的なハードウェアコンポーネントの1つを開発することです。私はすでにソフトウェアと電気部品を(通常のブレッドボードで)テストし、マイクロコントローラーにアップロードして、はんだ付けの準備をしています。

私は「商売道具」を集めて、できるだけ早く全体をはんだ付けしようと、ひたすら作業を続けました。約30分後、プロジェクト全体の作業が終了しました。私の方ではすべて順調に見えた(と言うべきか)。

そこで、電源を入れてモニターを開始した。ところが、どうでしょう?私の回路は動作しません。”・・・そうか、抵抗器がうまくいっていないのかもしれない。” もっと早くから疑っていたのに」という思いが頭をよぎるのです。

そこで、抵抗器を別のものに交換してみる。しかし、やはりうまくいかない。マルチメーターを用意して、各部品の評価を始めました。そして、はんだの接合部が1箇所冷えていることに気づき、それを修正した。

装置は動作したが、その後、予想外の値を示すようになった。気を取り直して、レンズを使って新たな回路検査を行う。その後、別の冷たいはんだ接合部を発見し(さらに1時間ほど後)、それを修正した。

今度はなんとか収束させることができた(時には予定よりも遅れてしまうかもしれない、長くて退屈な経験の後に)。

見えますか?これが、「冷たいハンダ付け」をチェックする必要がある理由です。冷たいはんだ接合部を評価しなければ、電子機器の不良を引き起こす危険性があるのです。ここでは、回路の冷えたはんだ付けを確認するためのテストをいくつか紹介します。

2.2 テスト1: 冷たいはんだ接合部を目視で確認する

回路開発の際には、まず目視で冷たいはんだの状態を確認し、修正することが大切です。理想的なはんだ接合部とはどのようなものか、第1章で説明しました。主に、くすんでいたり、白っぽかったり、凸状になっていたり、変形していたりします。

コールドソルダー・ジョイント

これだけ見ると「常識」のように見えますよね。さらに、なぜ私がこれを紹介したのか、不思議に思われるかもしれません。目で見ているだけではわからないことがあります。 

虫眼鏡を持ってきて、ハンダの接合部を見て、凸型になっているか、ハンダが隙間を埋めているかを確認する必要があるかもしれません。光が接合部を通過している様子は見えないはずだ。

レンズを使えば、はんだの加熱が不十分だった接合部を発見できることもあります。よく見るとざらざらしていることが多い。

また、接合部が怪しいと思ったら、接合部に取り付けられている部品を傾けてみて、部品が外れないかどうか確認してみましょう。万一そのようなことがあったら、次の章で説明する方法で修理してください。

また、はんだが他の接合部に流出して回路がショートしないようにすることも重要です。

2.3 テスト2: マルチメータを使って冷たいはんだ付けジョイントを確認する

マルチメータを使って冷たいはんだ接合部をテストする場合、冷たいはんだ接合部を確立するために使用できる2つの手段があります。これらは以下の通りです。

2.3.1 抵抗値(オーム)を使ったテスト

まず、マルチメータのスイッチを入れて抵抗を測定します。  多くの場合、オーム(Ω)の記号で表示されます。  マルチメーターの種類によっては、インジケーターを回転させるか、いくつかのコントロールダイヤルを押して切り替えます。この実験では、約1Kオームの抵抗を使います。

次に、マルチメーターの片方の端子を、もう片方の端子に直接接続します。ここでは、抵抗値が0オームであることを読み取れればよい。このステップでは、マルチメーターが正しく機能することを確認します。

これが確認できたら、メーターの端子の一端をジョイントに、もう一端を部品を介して別の端に接続します。レジスターを使用していない電気部品の場合、ゼロが表示されるはずです。ゼロを超える測定値は、接合部が冷えていることを示している可能性がある。

2.3.2 導通を利用したテスト

テスト2.3.1で使用したマルチメーターを使用して、マルチメーターの測定値を切り替え、導通を測定します。マルチメーターの両端を接続し、マルチメーターのビープ音で導通を確認します。

導通を利用したテスト

画像3:導通表示ラベルを貼った写真

満足したら、マルチメーターの両端を回路の両端に接続して作業を繰り返します。マルチメーターがビープ音を発していれば、すべてが正常である可能性があります。それ以外の場合は、はんだ接合部が冷えていることによる不連続性を示しています。

2.4 肝に銘じておくべきこと:はんだ付けの失敗は前進につながる

冷たいハンダ付けを検査する装置はありません。上で探ったテストはすべて試行錯誤に基づいています。この事実があるからこそ、これを行う際には失敗をしてはいけないのです。電子機器で失敗しないようにナイーブになりすぎると、結局は失敗してしまう。

勇気を持って、何かあったら(3章の方法で)修正していく気持ちでやってください。

そして、失敗を重ねることで、少しずつ上達していきます。初心者がミスをするように、プロもミスをします。

違いは、ミスの種類と、ミスを解決するのにかかる時間だけです。では、なぜ恐れる必要があるのでしょうか?

3. 冷たいはんだ接合部の修復

冷たいはんだ接合部は、はんだ付け時のはんだの加熱が不十分なために、乱れた冷たいはんだ接合部や単なる冷たいはんだ接合部として発生することが多い。まず、その原因を説明します。

3.1 乱れた冷えたはんだ接合部

冷たいはんだ接合部のトラブルは、主にこのようなものがあります。これは、溶融したはんだが正しく実装される前に、部品や基板を動かしてしまった場合に発生する。

凹んだ形をしており、ハンダの中のピンが傾いているのが特徴です。よく見ると、ざらざらしていて、少し凍っているようにも見えます。

このタイプの接合部は、よく溶けたはんだで作られていることもあるので、一概に冷たいはんだ接合部とは言えません。しかし、一般的な冷たいハンダの接合部には非常によく似ている。

これは、電子機器を実装する前に、はんだが適切に冷却されなかったことが原因です。

3.1.1 邪魔な冷たいはんだ付けの解決法

前述したように、このタイプのコールドソルダージョイントは、はんだ付けの際に基板や素子を乱してしまうことで発生します。  そのため、これを解決するためには、地道にハンダ付け作業をしながら作業を進めていく必要があります。

これを成功させるには、ハンダ付けの際に地面に安定して設置できる専用のテーブルが必要かもしれません。限られたスペースで作業する場合は、はんだ付け用の万力を購入して、はんだ付けステーションの近くの頑丈な壁に取り付けることができます。

コールドソルダー・ジョイント

3.2 冷たいはんだの接合部

前章では、はんだ材料の加熱が不十分なために生じるはんだ接合部を「冷たいはんだ接合部」と定義しました。このような問題は、部品を基板に固定することができずに、はんだ接合部の近くにダマができてしまうことですぐにわかります。

このような問題があると、接合部の接合性が非常に悪くなり、はんだ接合部に取り付けられた部品が割れたり、分離したりすることがあります。

冷たいはんだの接合部

冷たいはんだ接合部は、ソルダーガンに十分な電力が供給されていない場合によく起こります。また、ソルダーガンの先端が汚れている場合にも起こります。 

3.2.1 冷たいはんだ付けの問題を解決する方法

はんだ付けステーションを使っている技術者にとって、はんだ付けの際に発生する冷え性の原因は、ソルダーガンのこて先に溜まった汚れしか考えられません。  この問題は、はんだ接合部の過熱にもつながる可能性があります。 

したがって、はんだ接合部の冷たさを解決するための最初のステップは、はんだごての先端を適切に清掃することです。

次に、はんだ付けワイヤーを加熱するために、ソルダーガンに適切な電力を供給する必要があります。他には、はんだステーションやヒーターのレギュレーターを適切に調整するだけでよい場合もあります。

熱さを確認した後、再度ハンダを加熱して実装します。

他のケースでは、プラスチックの移行時間が短いSN96ハンダのような鉛フリーハンダの購入を検討することを選ぶかもしれません。このようにすれば、はんだ付けの際に不完全燃焼を起こす可能性が低くなります。

残りの章では、はんだ付けの問題点である接合抵抗とその影響について説明し、はんだ接合部の冷たさを回避するための推奨方法を説明します。

4. コールドソルダー・ジョイントの問題

4.1 冷たいはんだの接合部と抵抗

第2章では、冷たいはんだ付けを検出するためのテストとして、抵抗値のテストを取り上げました。しかし、抵抗値が冷えたはんだ接合部に影響を与える理由や影響の可能性については言及しませんでした。

さて、ここで重要なことは、すべての接合部は回路内の電力に対してある程度の抵抗を示しますが、はんだ付けに使用される鉛と錫の合金はんだ物質の不完全燃焼が原因であるということです。

しかし、はんだ付けの際に使用される鉛と錫の合金が不完全燃焼を起こすため、冷たいはんだの接合部は、電荷の流れに対する抵抗が大きくなることがある。

この問題はすぐには解決しません。  しかし、時間の経過とともに消費電力が増加し、長時間の使用では冷たいはんだ接合部が過熱して機器の故障につながることもあります。

接合部と抵抗

4.2 冷たいはんだ接合部の抵抗の影響

冷たいはんだ接合部による高抵抗は、電子機器にとってはある種の「時限爆弾」です。時には、その影響はすぐに現れ、簡単に気づくことができ、修正も容易である。しかし、時には、その影響が簡単には現れず、不良品を生み出し続ける可能性もあります。

ここでは、はんだ接合部の冷たさに起因する影響をいくつか紹介します。

回路が不完全になる。 この問題は、冷たいはんだの接合部が部品と回路を接続できない場合に発生します。この問題は望ましいものではありませんが、この問題があるデバイスは動作しないため、早期に発見して修正するのが最も簡単です。

また、極端なケースでは、回路内で接続された他の抵抗器の抵抗値と結合して、誤った測定値を示すことがあります。このような場合には、すでに説明したテスト方法と解決策を適用して、この問題を修正することができます。

過熱回路。 過熱回路は、いくつかの異なる寒冷回路が相互に接続されている場合に発生します。これは、最も検出が難しい冷接点抵抗の問題です。ほとんどの場合、この問題のある回路は、テスト段階では機能し、工業用に製造されることもあります。

問題は、この回路が長時間使用されると、過熱して電子機器の回路を破壊し、結果的に機器の誤動作を引き起こすことです。

第2章で説明したように、コールドジョイントによる抵抗の問題を検出するには、マルチメーターを使って検出するのが一番良い方法です。

実践すべき7つのはんだ付け方法

ここでは、電子機器のプロジェクトにおいて、はんだ付けの際の冷たい接合部の発生を防ぐための7つのゴールデン・プラクティスを紹介します。

1.適切なツールを用意する。具体的には、良いはんだごてを用意しましょう。はんだごては、はんだを加熱する役割を担っています。そのため、はんだ付けの際に使用する熱量を調節できる、理想的なはんだごてを購入することが重要です。

コールドソルダー・ジョイント

 2. はんだ付けの際には、最小限の量のはんだを使用してください。

       3. はんだごての先端を定期的に手入れする。

       4. ハンダ付けの際、ヒーターやソルダーガンに電力を供給できる信頼できる電源があること。

       5. 可能であれば,鉛フリーのはんだ線(材料)を使用してください。

       6. 溶けたはんだが冷めるまで、常に十分な時間を確保してください。急いではんだ付けしないでください。

       7. ハンダ付けの際には、決して慌てないでください。既に技術者として活躍されている方にはあまり必要のないことだと思いますが、初心者の方の多くは慌ててしまうことで、はんだ付けの際に冷えてしまいます。

まとめ

私はこれまで一貫して、はんだ付けのプロセスに勇気を持つ必要があることを強調してきました。それは、はんだ付けが冷たくなる主な原因だからです。このように、何度も何度も失敗を繰り返しながら、少しずつ上達していくことが必要なのです。

はんだ付けについてもっと知りたい方は、ぜひ当社のホームページをご覧ください。

万が一、信頼性の高いプロフェッショナルなプリント基板の印刷が必要になった場合には、お気軽に当社のウェブサイト上で請求書またはお問い合わせをしてください。

Services