フラックスとは: そもそもはんだはどのように機能するのでしょうか?

私は長年はんだ付けの仕事に携わっており、自分の能力に誇りを持っています。 私が最高のはんだ付け師であるとは言いませんが、少なくともスルーホールおよび「従来の」はんだ付けに関しては、この重要な作業スキルにはかなり優れています。 SMD に関してはまだあまり練習していません。 私は、ほぼどんな種類のワイヤや導体でも、電気的にも機械的にも健全な、強力で安定した優れた接合部を作ることができると確信しています。

しかし、私たちの多くと同じように、私も実用的なスキルとしてはんだ付けを学びました。 はんだとアイロンを組み合わせて結果を観察し、うまくいくものを繰り返し、うまくいかないものは避けます。 少し内部情報を追加するとスキルの向上に役立つと思われるので、はんだ接合部の内部で機械的および化学的に何が起こっているのかを学ぶことにしました。

他の金属加工方法と同様、はんだ付けにも厳密な定義があることは驚くことではありません。 はんだ付けは、溶加材を接合部に溶かすことによって金属を接合することです。 溶接とは異なり、溶加材 (はんだ) のみが溶けます。 接合される金属は通常、はんだよりもはるかに高い融点を持っています。 この点では、ろう付けははんだ付けに似ています。 ろう付けの金属フィラーははんだよりもはるかに高い温度で溶けますが、接合された金属はまだ溶けません。

はんだ自体の冶金学的詳細を完全に議論するには膨大な量が必要ですが、私たちの目的では非常に単純なものです。 はんだは、特定の温度で溶けるように設計された単なる合金です。 エレクトロニクス用途では、長年にわたってはんだの王様は、60% の錫と 40% の鉛の合金でした。 環境への懸念に対応した新しい規制により、さまざまな鉛フリー合金の開発が行われていますが、組成が何であれ、はんだの仕事は非常に単純です。 はんだは予測可能な温度で溶け、固化したときに機械的および電気的特性を維持する必要があります。 言い換えれば、はんだは、接合部に望ましくない電気特性を導入することなく接合部を物理的に保持するのに十分な強度を有する必要がある。

ただし、はんだは単に溶けて固まるだけではありません。 人々ははんだをある種の「金属接着剤」と考えているようです。これを液体として塗布し、固化させて接合部を固定します。 ただし、それは全体像の一部にすぎません。 はんだ付け接合が電気的および機械的に健全であるためには、はんだが接合される金属を濡らす必要があります。 はんだ付けの文脈では、濡れとは、溶けたはんだが銅のベース金属に部分的に溶解し、一部がはんだで一部が銅である領域を形成するプロセスです。 これにより金属間結合が形成され、これがはんだ付けの鍵となります。 ほとんどのはんだでは、溶融スズが銅基板に溶解し、接合を電気的および機械的に安定させる金属間結合を形成する主な溶媒です。

金属間化合物は良好なはんだ接合に必要ですが、多くのことと同じように、良いものが多すぎると悪影響を及ぼす可能性があります。 金属間化合物は脆くなる傾向があるため、金属間化合物層が厚すぎると、接合部が機械的に弱くなる可能性があります。 金属間化合物層内に空隙が存在し、機械的不安定性が増すこともあります。

フラックスが高品質のはんだ接合にとって重要であることは誰もが知っています。 しかし、フラックスとは一体何でしょうか。また、はんだメーカーはなぜフラックスをわざわざワイヤーはんだの芯に詰め込むのでしょうか?

フラックスの重要性は、はんだの宿敵である金属酸化物と戦うその能力によるものです。 金属酸化物ははんだ接合には適していません。金属酸化物コーティングがあると、はんだは接合部を適切に濡らしません。 フラックスは金属酸化物を除去し、接合部のはんだ付け中に除去するように設計されています。 金属を事前に洗浄しても効果はありません。はんだが流れるまでに、大気中の酸素によって金属酸化物層が再構築され、はんだの濡れが損なわれてしまいます。

電子はんだには通常、ロジンからなるフラックスが使用されています。 ロジンは松の木から得られる天然産物で、特に米国産ロジンの原料となるロブロリーマツやロングリーフマツが挙げられます。 室温では多かれ少なかれ不活性ですが、液状になると強酸性となり、融点ははんだよりわずかに低いという利点があります。 したがって、電子はんだのロジンコアははんだよりも先に溶けて、接合部やその周囲に流れ込みます。 酸性の液体は金属酸化物と反応し、きれいな金属を露出させて、はんだを濡らすことができます。 酸性液体フラックスは金属酸化物を金属塩と水に変換しますが、これらは通常、フラックスが固化するときにフラックス内に閉じ込められます。 この時点では反応生成物は一般に無害ですが、プロセスによっては使用済みのフラックスを除去する必要がある場合もあります。