はんだ付け

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はんだ付け(はんだづけ、: soldering)とは、はんだによって金属をつぎあわすこと[1]。また、はんだでついだもの[1]半田付けとも、ハンダ付けとも表記される。

概説[編集]

はんだ付けは、はんだによって金属をつぎあわすことであり、下記のツリーで示されるように、ろう接(鑞接、ろうせつ、brazing and soldering )の一種ともされる。

同じように熱を加えて金属をつなげる溶接とは、溶接は「型を使わない鋳物」であり、母材の金属を違う形に変形させて1つにしたものなのに対し、ろう接は母材に染みこんだり(表面の色が変わる程度)溶かしたりはせずに、隙間を埋めることで密着させているだけで熱すればまたきれいに外れる(溶接は切断でもしないと外れない)という違いがある[2]。 ろう接は(溶接などと比べれば)あまり接合の強度が必要とされない用途に用いられる。

ろう接(brazing and soldering)
 ├ ろう付け (brazing)
 └ はんだ付け(soldering)

手作業で行う場合は、はんだごてを用いて作業することが一般的である。なお(やや特殊ではあるが)直火で加熱する方法もある。

ハンダ付けされる主な金属としては、真鍮トタンブリキなど)、およびそれらにニッケルなどをメッキしたものが挙げられる。

なお、金属にハンダが付着するためには表面の酸化膜がないことが条件のため、酸化被膜が強いアルミニウムステンレスは普通のフラックスでは無効で、ステンレスはそれでも専用のフラックスで接着可能だが、アルミニウムはハンダ自体も高熱で溶ける専用のものが必要で、普通のハンダでは接着できない。 またこれ以外の一般的にハンダ付けできるとされる金属でも、トタン板はヤニ系のペーストでは表面の亜鉛の膜のみで下の鉄につかず、塩酸か塩化亜鉛。鉄も軟鉄・鋼・工具鋼などはペーストではノリが悪くリン酸のフラックスを使った方が良い、逆にブリキは表面がスズのためハンダのノリがよくフラックスなしでもつくなど、フラックスの処置は対象物に応じて使い分ける[3]

はんだごてによる、電子回路のはんだ付け

接合された金属と金属の間に良好な導電性をもたらす(電気を良く通す)ので、しばしば電線端子コネクタプリント基板電子部品類 等々等々を接合するために、つまり電気回路電子回路をつくるために用いられている。

またハンダ付けは、ステンドグラスアクセサリー等を作るためにも用いられている。→#ステンドグラスのハンダ付け#他

なお、はんだを加熱した際に出る煙(ヒューム)は毒性があるので、作業中は部屋の換気をすることや、ファンなどで風をつくり煙を遠ざけるようにして吸わないように工夫することが薦められている。

はんだごてを用いた電子回路部品のはんだ付け[編集]

はんだごて
糸はんだ

はんだ付けの道具[編集]

はんだごてを用いた電気回路や電子回路の部品のはんだ付けには、基本的に、次のものが必要である。

  • はんだごて
  • 糸はんだ

はんだごては、適切な熱容量ワット数)のものを用いる。電子基板(電子回路)用は15W~20W程度[4]。15W~20Wのものひとつでとりあえず大丈夫であるが、もしも太い配線もハンダ付けする場合は30W程度のものも用意して、それらを用途に応じて使い分けると良い[4]。(近年は、ボタン等で作業中にワット数を変えられるコテもある。)

糸はんだとは、糸のような形状のハンダのことで、近年では「やに入り糸はんだ」(フラックスと呼ばれる薬品を芯の部分に入れた、糸状のはんだ)を用いることが一般的。直径0.8mm程度で良い[4]

なお「無鉛はんだ」を用いる場合、やに入り糸はんだではない糸はんだを用い、液状のフラックスを別途あらかじめ金属部分に塗布する方法もある。

なお、フラックスは液体タイプとペーストタイプのものがあり、液体タイプは酸を使用しているので流れがよく表面が汚れる心配もないが、使用後洗浄しないと錆びを生じるため、電気配線には厳禁である。(ペーストタイプにも酸を含むものはあるが、一般的に電気店などで売られているものは無酸性の腐食の心配がないものである。)[3]

とりあえず上記2つがあれば(一応、理屈の上では)はんだづけは可能であるが、入門書等では次のような道具も揃えておくことが薦められている。

  • こて台[4](作業と作業の合間にはんだごてを置いておくための台。こての先端の汚れを除去するためのスポンジがついているものが良い[4]。)
  • ピンセット[4](作業中に小型の部品をつかむために使う)
  • はんだ吸い取り器あるいははんだ吸い取り線[4](はんだ付けに失敗した時に基板に残った余分なはんだや失敗部品を取り除く時などに使う。)
  • ラジオペンチニッパー[4](端子を折り曲げたり、線材(電線)を切断したり被覆をむくのに使う。)

手順[編集]

はんだごてを用いた電子部品のはんだ付けの一般的な手順は次の通りである。

「予備加熱」の段階から「糸はんだ溶かしこみ」の段階へ移る瞬間。まだ糸はんだは溶け始めていない。
  1. クリーニング:接合する部品の金属部分や基板の(配線)パターンの油脂などを取り除く[4]
  2. 部品挿入:部品のリード線を、取り付け穴に合わせて折り曲げたうえで、穴に差し込む[4]
  3. 予備加熱:接合する部品と基板の金属部分の両方をはんだごてで加熱する[4](ただし、チップ部品の場合は電極に「こて先」を接触させてはならない)。
  4. 糸はんだ溶かしこみ:加熱させた部分にはんだごてを押しあてたまま、そこに糸はんだを軽く押し付けると、自然に溶ける[4]。(やに入りはんだの場合、解けた「やに」を先に接合部に垂らすようにすると接合が良好になる)。
  5. ハンダは水を流したように溶けるので[4]、はんだが適切な量になったら、ハンダとはんだごてを接合部分から静かに離し、動かさないようにしてちょっと待つ[4]。(息を吹きかけて冷却することを薦めている本もある。)
  6. 接合した部品の余分なリード線をニッパーで切断する(1~2mm程度だけ残す)[4]

以上の作業を、部品ごとに繰り返す[4]

「ハンダが固まりかけの状態で動かしてはいけない」というのは、この時に動かすと表面が白変した「白づけ」という状態になり、通電性が悪くなるうえ接着性も悪い状態になるためで、電気回路の場合、端子に穴に導線を通したり、端子に巻きつけてからハンダを流すのはこのためである[5]

なおリード線や線材には、あらかじめ「予備はんだ付け」をしておくと、はんだが流れやすくなり、うまく付く[4]

プリント基板におけるはんだ付けでは、部品のリード線と基板の銅箔面に自然にはんだが流れ込み、光沢を有する富士山のような形状(半田フィレットと呼ぶ)を作るとよいとされている。(このような形状を得やすい特性の部品やはんだを指して「濡れ性が良い」と称する。)

半導体素子など熱に弱い部品をはんだ付けする場合は、素子が過熱しすぎて壊れたりしないよう手早く、短い時間で行う必要があるが、逆に時間が短かすぎて加熱不足となっても「はんだ付け不良」となるので、「適度な時間」を感覚的に会得するために、ある程度の練習や経験が必要とされる。

はんだごてを用いた線材のはんだづけ[編集]

手順
Soldered new motor shield connector.jpg
  1. 配線用ビニール線の先端の被覆を2~3mmむいておく[4]
  2. 呼びハンダ:むいて出た銅線にハンダ付けをする[4]
  3. 呼びハンダ:はんだ付けする相手の端子側にも(穴がふさがらない程度に軽く)ハンダ付けをする[4]
  4. ビニール線の先端を、(端子に穴があれば)穴に通し(それによって位置固定して)双方を重ねてハンダごてで加熱する[4]
  5. さらに、糸はんだをあてて十分溶かしこむ[4]
  6. ハンダが線材と端子の穴の隙間に十分に流れ込んだら、こて(と糸ハンダ)を離し、しばらくしてハンダが固まり完了[4]

はんだごてを用いた表面実装部品のはんだ付け[編集]

最近では、ICなど表面実装電子部品も増えており、また高性能な電子部品ではフラットパッケージ形状になっていることが多い[4]。そしてそれをハンダ付けするには次のようなことに気をつけると良い。

道具[編集]

表面実装の部品をハンダ付けする場合の道具も基本的には「#はんだごてを用いた電子回路部品のはんだ付け」の節で説明した道具と同じである[4]が、それに加えて次のようなものがあると良い。

  • 基板用フラックス洗浄剤[4]
  • 拡大鏡(ルーペ)。拡大率が10倍程度のもの[4]。写真のフィルムチェック用のものでよい[4]

フラットパッケージICのハンダ付け手順[編集]

  1. 予備ハンダ付け[4](自作基板の場合、ICのランド(設置位置のパターン)に事前にハンダ付けする。[4]
  2. ICの仮止め[4]。(対角線状の2箇所を軽くハンダ付けし、ルーペで位置の確認や修正を行う[4]。)
  3. フラックス塗布、および全ピンのハンダ付け[4]
  4. ピン間の余分なハンダの除去(=短絡、ブリッジの除去)[4]。(基板を縦にして、ピン側を下にして、こて先を掃除した上で再度ハンダを溶かすと、自然と余分なハンダがコテ先に移る。[4]
  5. 余分なフラックスの洗浄除去[4](洗浄剤をハケや綿棒で塗り、綿棒でこすり落とす[4]。)

チップ部品のハンダ付け手順[編集]

チップ部品をピンセットで扱い、ハンダ付けする。
  1. 取り付けるランドの片側にまず予備ハンダ付け[4]
  2. 部品をピンセットで鋏みつつ、上で予備ハンダしたランドに「チョン」と付ける[4](これでとりあえず固定される)。
  3. 反対側のランドと部品を、きちんとハンダ付けする[4]
  4. 「チョン」付けした側に戻り、そちらも、きちんとハンダ付けし、完了[4]


工場でのプリント基板のはんだ付け[編集]

センサーの微細なはんだ付け

工場でのプリント基板のはんだ付けの方法には、大きく分けてフロー方式リフロー方式がある。

フロー方式(Flow方式)
はんだ槽に溶かしておいたはんだの表層にプリント基板の下面を浸すことによって、はんだ付けを行う方法。主に脚付き部品(手差しライン含む)に使用するが、表面実装部品を両面実装する場合にも使われる。この場合は部品が落ちないようにあらかじめディスペンサを使用して基板に接着剤塗布を行い、仮固定しておく。
はんだ槽のタイプには、はんだ液面を動かさない静止槽(DIP方式)と、はんだ液面に波を立てる噴流式(フロー方式)はんだ槽とがある。
噴流式は83年頃からの登場。
現在ではフロー方式の噴流はんだ槽もDIP槽と呼ぶ場合が一般的。
リフロー炉
リフロー方式(Reflow方式)
プリント基板上にはんだペースト(はんだの粉末にフラックスを加えて、適当な粘度にしたもの)を印刷し、その上に部品を載せてから熱を加えてはんだを溶かす方法。SMT(表面実装技術)と呼ばれ、表面実装型の部品に用いる。部品の小型化・高密度実装化の進展に伴い、この方式が主流となり、改良が行われている。アルミ電解コンデンサなどの部品も、小型化・耐熱化が図られ、リフロー方式に対応するようになっている。加熱方法には、赤外線式や熱風式などがある。
実際の手順は以下のように行われる。
  1. 部品の接合する予定部分にはんだペーストを塗布する。通常は、穴の空いたステンレス製の型紙(メタルマスクステンシル)上で、スキージ(へら)を使ってはんだペーストをしごくことにより、必要箇所に一定の厚さで転写を行う。これを自動で行う装置がクリームはんだ印刷機である(ガリ版印刷やスクリーン印刷と同じ方式である)。
  2. 塗布された部分に部品を実装する。通常は、NC制御のチップマウンタ(表面実装機、部品装着機)で行う。基本的には微小チップ部品から実装を行い、QFP等の大型部品は最後に実装する。
  3. プリヒート=リフロー炉の中で、基板と部品を予熱する(一般的には150℃から170℃程度)。予熱の目的は部品への急激な熱衝撃の緩和、フラックスの活性化促進、有機溶剤の気化などがある。
  4. 本加熱=はんだが溶ける温度まで、短時間高温にする(一般的には220℃から260℃)。はんだの成分組成により溶融温度が異なるが、鉛フリーはんだの場合高温にする必要がある。高温になると金属表面の酸化が進行し濡れ性が悪くなる。また、耐熱保証温度が低く鉛フリー工法には適さない部品もあるので、事前に確認が必要である。
  5. 冷却=自然冷却が一般的だが、部品への熱ストレス時間を短縮する為にも急激に冷却することが推奨されている。特に鉛フリーはんだを使用する場合は引け巣発生防止のためクーラーでの急冷が必要。
これらのほとんどが自動化化されている。
特に集積度が高く多くのピンを持つICでは、リードレスタイプのパッケージが多用されている。BGA (Ball Grid Array)と呼ばれる、IC側にボール状のはんだがあらかじめ形成されたパッケージが使われることがあるが、この場合も基本的にはリフロー方式で行われる。

電気・電子回路のはんだ付けに関する用語[編集]

イモはんだ
はんだごての温度が高すぎる為はんだが酸化したり、温度が低すぎるなどの原因でうまく接合できずにはんだがデコボコになっている状態のこと。形状や練度の低い技術者を、やイモっぽい事を揶揄して、このように呼ぶ。強度や導通が不十分ではんだ割れしやすく、良くないはんだ付けの代名詞となっている。
目玉
はんだの量が少ない、もしくは、ランドと部品足に均等に加熱出来ていないために基板の銅箔部分のみにはんだがつくこと。部品の足にはんだがつかず、見た目が目玉のように見えるためこのように呼ぶ。
ブリッジ
目玉とは逆にはんだの量が多く、コテ先が摩耗して太くなった状態で加熱するために、周囲のランドや部品足なども加熱してしまったり、加熱時間が長くなると起きる不良。多くつけすぎたはんだや長すぎるリード線が不必要な部分にまたがりショートしている状態。橋が架かっているように見えるためこのように呼ぶ。ミスとして起こるものの他に、配線作業を簡単にするため、意図的にブリッジを作る場合もある。
天ぷらはんだ
接合する部分の汚れや、ランド表面が酸化した状態、フラックス量が少ないなどにより、はんだが表面だけに付着して接合が十分にできないこと。接合部分からはがれる様を天ぷらの衣に喩えてこのように呼ぶ。
追いはんだ
上記のようにはんだ付けが不十分な状態である場合に、新しいはんだを追加し、再加熱、再接合を行うこと。
呼びはんだ(予備ハンダ)
呼び水同様に「はんだを誘うための」はんだ。
ケチハンダ
ハンダ使用量を抑えるために、ハンダ溶融槽の温度設定を高くしたことで、ハンダの盛りつけ量が少なくなり、重量のある部品や発熱する部品の、足の部分のハンダが割れてしまったり、ランドが剥がれてしまうような状態で、経年変化や輸送時の衝撃によって、不具合が発生する。下図の左側の写真の状態。いわゆる叩くと一時的に治る。という場合はこの状態が多い。東芝製テレビに多く、修理技術者は、メーカーが東芝製であることを聞いたときに、ハンダとハンダゴテを持って取り敢えず向かう。とか、逆さにすれば治る。という業界ネタでもあった。


ステンドグラスのハンダ付け[編集]

ステンドグラスの制作法は何種類かあるが、たとえば金属部分に「テープ」(カッパーテープ、コパーテープ)を用いる方法や「ケイム」(=鉛製で断面がH型の材料)を用いる方法があり、銅テープの場合次のような工程になる。

 型紙づくり→ガラス切り→ガラスのまわりを銅のテープで巻く→銅と銅のはんだ付け→「ブラックパティーナ」という薬品でハンダ部分を黒く変色させる

「ケイム」を用いる場合、(工房ごとに手順は多少異なるが)たとえば次のような工程になる。

 型紙づくり→ガラス切り→ガラスとガラスをケイムでつなぐようにして面を組んでゆく→組み終えた部分の「ケイム」をはんだ付け→ケイムとガラスの隙間をパテで埋める→ケイム部を硫酸銅で変色→補強材の取り付けとはんだづけ

銅テープを使うにしてもケイムを使うにしても、途中で「はんだ付け」をする工程が入るのである。

道具や材料[編集]

道具や材料としては、ハンダゴテ、液体フラックス、フラックス用筆、ペーストフラックス、棒はんだ(はんだ棒)、 ピンセット、安全メガネが必要である。

ステンドグラスのはんだ付けに用いるはんだごては、一般に、80W~100W程度のものを用いる。銅テープを用いる方法の場合は80W程度のはんだごてで大丈夫で、ケイムの場合は100W程度あったほうがよい。こてを2種類持つ人もいる。また、こてを一本で済ませるために「100Wのこて+コントローラ(可変調節器)」を選ぶ人もいる。

ステンドグラスに用いられるハンダ棒は直径3mm x 長さ40cm程度の、の比率が6:4の合金が一般的。「ステンドグラス用」などと表記されて販売されている。

ステンドグラスのハンダ付けのコテはワット数が大きく、ハンダがはぜることはしばしばあるので、眼の保護のために安全メガネを着用することが望ましい。

銅テープの場合の作業手順[編集]

  1. 点どめ。ガラスがズレないように、まずガラスでできた図形の頂点と頂点、図形と図形の接触点などにあたる部分をとめる。
    1. ガラスをずらさないように(ペースト・フラックスは避け)液体フラックスを点状につける。
    2. はんだごての上でハンダ棒を少量溶かし、こて先に雫状にぶら下げ、その雫を銅テープに触れさせると、はんだ付けされる。
  2. 外周部付近のはんだメッキ(外周部の枠とケンカしないように、メッキ状にハンダ付けする)
  3. 本ハンダ。銅テープの表面とその周囲1cmほどのガラス表面にもペーストフラックスを塗布。コテ先でハンダを融かし、そのハンダをテープ上に、まるで「置く」ようにして、ハンダを盛る。ステンドグラスのはんだづけは、横から断面を見た時に蒲鉾型に盛り上がっているのが良いとされ、そのほうが物理的に強度がある。

[編集]


脚注[編集]

[脚注の使い方]
  1. ^ a b 広辞苑第六版「半田づけ」
  2. ^ モデラーの基礎知識 やさしいハンダ付け<3>」伊藤剛『鉄道模型趣味』№.588、機芸出版社、1994年8月号、p.62-63
  3. ^ a b モデラーの基礎知識 やさしいハンダ付け<1>」伊藤剛『鉄道模型趣味』№.585、機芸出版社、1994年6月号、p.30-31。
  4. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao 後閑哲也『電子工作の素』技術評論社、2007年 pp.223-232。
  5. ^ モデラーの基礎知識 やさしいハンダ付け<2>」伊藤剛『鉄道模型趣味』№.586、機芸出版社、1994年7月号、p.92-93

関連項目[編集]

外部リンク[編集]