PCB Blog - マザーボードのはんだ付けについて

エレクトロニクスの分野で重要なコンポーネントは、マザーボードの機能を確保する上で基本的な役割を果たすはんだ付けプロセスです。マザーボードの機能は、コンデンサ、抵抗器、トランジスタ、集積回路など、さまざまな電子部品を接続する高品質のはんだ付けに大きく依存しています。はんだ付け工程は、これらの部品を確実に固定するだけでなく、電気信号の伝送も保証します。この記事では、マザーボード製造におけるはんだ付けの重要性、使用されるはんだの種類、はんだ付け技術、プロセス中に直面する一般的な課題について見ていきます。

マザーボード組立におけるはんだ付けの重要性

マザーボードは、コンピューターの心臓部にあるプリント基板（PCB）で、すべてのコンポーネントの主要な通信ハブとして機能します。マザーボードがシームレスに機能するためには、電子部品がPCBに適切に接続され、信頼性の高い回路を形成する必要があります。ここではんだ付けの出番となる。

はんだは溶融可能な金属合金で、はんだを溶かし、冷やして固い接続を形成することで、異なる金属表面を接合するために使用されます。マザーボードの組み立てにおいて、はんだは部品とPCB間の機械的・電気的接続を形成します。信頼性の高いはんだ接合部がなければ、マザーボードは不安定な接続、信号伝送の低下、完全な故障などの問題に直面する可能性があります。

電子機器製造の黎明期には、使いやすく、融点が低く、接合力が強いという理由から、鉛を主成分とするはんだが一般的に使用されていました。しかし、環境問題への関心の高まりと有害物質使用制限指令（RoHS指令）の発効により、ほとんどの製造工程で鉛フリーはんだが標準となりました。

マザーボード製造に使用されるはんだの種類

はんだにはさまざまな組成と種類があり、それぞれが特定の用途に適したユニークな特性を持っています。マザーボード製造に使用されるはんだには、主に2つの種類があります。

鉛系はんだ

鉛ベースのはんだは長年にわたり業界標準であり、一般的に錫（Sn）と鉛（Pb）の混合物から構成されています。最も一般的な合金はSn63%、Pb37%（Sn63Pb37）で、融点は約183℃です。また、鉛ベースのはんだは濡れ性に優れているため、金属表面を容易に覆い、強固で信頼性の高いはんだ接合を形成することができる。

しかし、環境や健康への懸念から、電子機器製造における鉛の使用は大幅に削減されている。鉛は有毒物質であり、作業員や環境にリスクをもたらすため、鉛フリーはんだへの移行が進んでいます。

鉛フリーはんだ

RoHS指令に後押しされ、現在ではほとんどの最新マザーボードで鉛フリーはんだが使用されています。最も一般的な鉛フリーはんだ合金は、錫、銀、銅（SAC）で構成されています。代表的な配合はSAC305で、錫96.5%、銀3%、銅0.5%を含んでいます。鉛フリーはんだの融点は鉛入りはんだよりも高く、通常217℃～220℃です。

鉛フリーはんだは環境にやさしい反面、製造工程ではいくつかの課題がある。より高いはんだ付け温度が必要となり、部品やプリント基板にストレスを与える可能性があります。さらに、鉛フリーはんだはボイドやクラックが発生しやすく、マザーボードの長期信頼性に影響を与える可能性があります。

マザーボード組立のはんだ付け技術

はんだ付けは、高度な技術を必要とする精密なプロセスです。マザーボードのはんだ付けに使用されるいくつかの技術には、それぞれ長所と短所があります。

手動はんだ付け

手動はんだ付けは通常、小さな修理やマザーボードに個々の部品を追加する場合に使用されます。はんだ付け作業者は、はんだごてではんだを手動で溶かし、はんだが流れて部品のピンとPCBが接続されるようにします。手はんだ付けは柔軟な方法ですが、部品の過熱や弱いはんだ接合部を避けるため、技術と正確さが要求されます。

ウェーブはんだ付け

ウェーブはんだ付けは、マザーボード生産で一般的に使用される大量生産プロセスです。このプロセスでは、PCB全体が溶融はんだの波の中を通過します。基板が通過する際、はんだは露出した金属部分に付着し、部品ピンとPCBとの接続を形成します。ウェーブはんだ付けは、スルーホール部品には非常に効率的ですが、はんだブリッジやその他の欠陥が発生する可能性があるため、表面実装部品には理想的でない場合があります。

リフローはんだ付け

リフローはんだ付けは、現代のマザーボード製造において最も広く使用されている技術であり、特に表面実装部品に適しています。この方法では、まずはんだペースト（粉末はんだとフラックスの混合物）をPCBのパッドに塗布し、その上に部品を配置します。その後、アセンブリ全体を加熱し、リフロー炉ではんだを溶かして固体接続を形成します。リフローはんだ付けでは、加熱プロセスを正確に制御できるため、熱による部品の損傷リスクを低減できます。

リフローはんだ付けは、高密度でピッチの狭いマザーボードに特に適しており、コンパクトなスペースで信頼性の高い接続を実現します。

マザーボードはんだ付けの課題

はんだ付け技術の進歩にもかかわらず、マザーボードのはんだ付けは依然として課題に直面しています。はんだ付けプロセスにおける一般的な問題には、次のようなものがあります。

はんだブリッジ

はんだブリッジとは、余分なはんだが隣接する部品のピン間に不要な接続を作り出すことです。これにより回路がショートし、部品やマザーボード全体の故障につながる可能性があります。はんだブリッジは、ファインピッチの部品を扱う場合によく見られ、この問題を避けるためには、はんだ付けプロセスを正確に制御する必要があります。

コールドソルダージョイント

コールド・ウェルドとは、はんだが完全に溶融していないか、部品ピンとPCBに十分に付着していないために接続が弱くなっている状態のことです。これは断続的な故障や完全な断線につながる可能性があります。冷間はんだ接合は通常、はんだ付けプロセス中の不十分な熱、不適切なフラックスの塗布、またははんだ付け面の汚染が原因で発生します。

はんだボイド

ボイドとは、機械的および電気的接続を弱めるはんだ接合部内のエアポケットのことです。マザーボード製造では、はんだペーストが均一に塗布されていなかったり、加熱プロファイルが最適化されていなかったりすると、リフローはんだ付け時にボイドが発生することがあります。ボイドは、特に高周波用途において、マザーボードの信頼性に影響を与える可能性があります。

部品の損傷

鉛フリーはんだ付けに必要な高温は、繊細な部品やプリント基板自体を損傷する可能性があります。過加熱は、PCB層の剥離、反り、集積回路の損傷につながる可能性があります。メーカーは、これらの問題を防ぐために、はんだ付けの温度を注意深く監視し、管理する必要があります。

マザーボードはんだ付けの未来

技術の進化に伴い、マザーボードとそのはんだ付けプロセスに対するニーズも変化しています。より小型でコンパクトなデバイスの台頭により、小型化された部品が開発され、より精密なはんだ付け技術が必要とされています。さらに、より速く、より効率的な製造プロセスの必要性により、自動はんだ付けシステムの開発が推進され、人的ミスを減らし、生産速度を向上させています。

はんだ付け技術が発展する可能性のひとつに、環境に負荷をかけることなく、鉛ベースのはんだの利点（融点が低く、接合力が強いなど）を提供する先端合金の使用がある。研究者たちはまた、導電性接着剤など、一部の用途で従来のはんだ付けに取って代わる可能性のある代替接合方法も模索している。

要約すると、はんだ付けはマザーボード製造において重要なプロセスであり、部品の信頼性の高い接続とマザーボードの長期的な性能を保証する。鉛ベースのはんだは鉛フリーの代替品に取って代わられましたが、より高いはんだ付け温度と潜在的な欠陥は依然として重要な課題です。はんだ付け技術と材料を継続的に改善することで、メーカーは最新の電子機器の要求を満たし、マザーボードの耐久性と信頼性を確保することができます。