夢工房企画:飛んでね爺さん

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なぜ付かないのこのはんだ

なぜこのはんだ付かないの
なぜ温度管理が重要なのか。  <半田の豆知識>
つづく、、、、、、、、、


なぜ温度管理が重要なのか。  <半田の豆知識>

温度管理は、ハンダづけをするにあたり、最も強く要求される事柄の一つです。ハンダづけには、「金属を濡れ・拡散させるための高温」と「フラックスを活性化させる高温」が必要です。

前者の温度は Pb-Sn系ハンダの場合、合金の融点の 200℃弱以上、後者はヤニ入りハンダの場合 170℃以上です。これを踏まえ、ハンダが完全に液体化し、母材に十分濡れ、適正な拡散が起こり、機械的強度も最大とするための 最適温度250℃±10℃です。ハンダと接合部をこの温度に持っていくためには、 こて先温度は 350℃程度必要となります。

これより低いと、ハンダが十分に濡れず(広がらず)、フラックスも十分に効きません。これより高いと、フラックスの分解・蒸発、ハンダの酸化が起こり NGです。これらは、イモはんだ、ハンダはじき、つの、つらら、ザラつきなどトラブルの大元となるのはもちろん、機械的にも好ましくなくなります。

温度と拡散 拡散は温度が高いほどスピードが速く、ハンダづけ時間が同じならば高温の方が合金層は厚くなります。この合金層は、厚い方が良いような気がしますが、Sn系ハンダと Cu母材間に生成される合金は、“もろい”金属間化合物です。もろい層が厚くなると、接合部の強度は低下します。なので、ハンダづけの温度は必要以上に高くしないことが要求されます。また、拡散は時間と共に進むので、適正温度でも、ハンダづけが長時間になると同じ結果になりますので、250℃という温度に加え、適正温度を保つという条件も必要です。

ハンダづけ、取り外しを繰り返すのは、合金層を厚くしていることになり、強度の観点から見ると NGなんです。

温度と機械的強度 拡散の状態や、結晶の状態などから、ハンダづけの接合強度は 250℃付近で行ったとき最大となり、これ以外では強度はガクンと落ちます。また、ハンダづけ後、急冷すると、結晶の粒子が小さくなり、強度が上がります。ゆっくり冷やすと、結晶粒子が大きくなり、機械強度は低下するようです。

高温と「食われ」 高温であればあるほど、コテ先がハンダに「食われ」やすくなります。食われは固体の食塩が液体の水に溶けてしまうのと同じ現象なので、食塩は水の温度が高いほど溶けやすいことを考えると納得です。高温になると、また状況が悪化するので特に注意する必要があります。

見た目で判断する 温度
ハンダごての温度、ハンダづけが適正な温度で行われたかは「見た目」でおおよそ分かります。とにかく慣れが必要です。

フラックスの煙
低温・・・・・・・・・細く、いつまでも立ち昇る
          ハンダは広がりが悪く、フラックスも全体に溶けきれていない

適温(350℃)・・5~10秒立ち昇る
          ハンダは艶(場合によっては紫がかった艶)がある。
          フラックスは黄色で、薄くハンダ表面を覆う。

高温・・・・・・・・・激しい煙、5秒以下で無くなる   
  ハンダ表面は白く濁る。フラックスは黒く焦げる。
          ハンダづけ時間が長くなると、表面にはシワがより、酸化膜が浮く。


温度制御の方法
ハンダごてを普通に AC100Vにつなぎ、放っておくと、こて先温度はどんどん上昇(といっても限界はあるが)し、適正温度より高めになってしまいます。
セラミックヒータのこては温度上昇が緩やかなのですが、ニクロムヒータはどんどん上がります。そのため、ハンダづけ直前に、こて先クリーナで冷やして、適正温度にする必要があるのですが、加減がなかなか難しい。
温度をコントロールする方法としては、簡易的なものから、温度制御器を使うもの、あるいは温度制御器まで一体となった高級なハンダごてを使うなど、いろいろあります。ちょっとこだわる向きには、温度制御コントローラ をお勧めする。

ハンダのつき安さと濡れ濡れ
濡れは、ハンダづけにおける重要なプロセスの一つで、ハンダが金属表面になじむ事をいいます。
濡れやすさというのは、いわばハンダの広がりやすさ、なじみやすさのことです。ハンダのノリが良いとか悪いとかは、この濡れやすさのことをいっているんですね。

濡れやすいとか濡れにくいとかは、定量的には、液体のハンダが母材に接触したときの角度で計ります。この角度は、ハンダとフラックス、ハンダと母材、母材とフラックス、それぞれの界面張力が影響し合って決まります。


付き易い材質⇔付き難い材質
すず・金・銀・銅・黄銅・鉛・ニッケル・亜鉛・鋼・ステンレス・クロム・アルミニウム

ハンダづけの対象は、銅以外にも、すず、金、銀等のメッキ部品など様々なものがあります。金属によってハンダづけのしやすさ ~濡れやすさ~は変わってきます。濡れ角を決定する界面張力のうち「ハンダ-母材」に働く界面張力が、金属により違うのと、酸化膜の強度が違うためです。具体的には左の表のような感じになります。

すず、金、銀はハンダと親和性が高いです。部品のリード線などのメッキに使われる理由も分かりますね。経験的にも、ニッケル、亜鉛、ステンレス、クロムメッキなどが施されているもの(例えばナットをケースにハンダ付けしたい、など)はハンダづけがしづらいです。

アルミ板をハンダづけしようとしたことはありませんか? 一寸ついたように見えても、全くついていず、結局表面をフラックスで汚して終わり。それもそのはず、アルミは普通の方法では極めてつきにくいんですね。材料・温度とも全く異質のものなのです。


食われ
「食われ」は、対象金属が、液体のハンダに溶け込んでしまう現象です。固体の食塩(母材)が、液体の水(ハンダ)に溶けるのと同じイメージです。食われは、メッキや極細銅線、こて先(特に銅の下金が露出してしまっているもの)などいろいろな所で発生します。これが案外困ったもので、特にメッキ部品のハンダづけに信頼性を要求する時には注意しなければなりません。例えば、ステンレスの下地に、銀メッキが施してあるような場合、銀がハンダに食われると、ハンダづけ性の悪い下地が露出し、ハンダづけができなくなる、あるいは剥がれやすくなるなどの状態になってしまいます。この対策のために部品のメッキを2重にする場合もあるようです。ハンダづけを行う側としては、メッキと同じ金属を少量添加したハンダを使ったり、ハンダづけ温度を必要以上に上げないなどの対策があります。

やに入りハンダとハンダ付け
やに入りハンダには、線状のハンダの中央に固体のフラックスが入っています。単芯のものと多芯のものがあり、ハンダ線をカッターなどでつぶれないように切断し、切り口を見るとその様子が観察できます。ハンダ付けのときは、このフラックスが蒸発しないうちにハンダ付けを完了する必要があります。
フラックスが蒸発してしまうと、コテを離すときに「ヒゲ」になったり、金属表面が十分に洗浄されず、「いもはんだ」・「天ぷらハンダ」の原因に なります。

最後に思う事
半田ごてでハンダを溶かして線をくっつけると、一言でいうのはいともたやすいことです。実際、知識がそれほど無い、私のような素人でも一応の作業はできてしまいます。

しかし詳しく探ってみると、ハンダづけはそんな単純なものではないようです。強度を求めるには様々なノウハウが存在する、大変奥の深い世界なのです。

これはまさに職人芸の世界といえるでしょう。<デジタルの時代にアナログで温度管理をする訳ですから慣れと経験の世界ではないでしょうか。

2005年から始めましたが、知識面~実技面ともまだまだです。
皆様にはデーター等の収集にご協力を宜しくお願い致します。

ご質問・ご意見はbs1@sopia.or.jp又はFAX・0299-69-6444にてお受けします。プログ<夢工房 とんでるじいさんのプログ>で検索質問も出来ます
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お疲れさんでした。最後まで読んで理解出来ましたか
夢工房  高田自動車工業所 高田平三
  1. 2009/11/14(土) 05:17:39|
  2. はんだ関係
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  4. | コメント:0
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