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技術報告

はんだ付け性試験方法(平衡法)による極小表面実装部品(0603･0402)の測定報告
営業部 国内営業課 桜沢浩一

はんだ付け性(solderability)は、はんだ付け工程における、電子部品の端子又は電極がはんだ付け時の最低温度ではんだにぬれる特性と定義され、『はんだ』・『フラックス』・『電極の表面状態』等の影響を受けます。これらのはんだ付け性における、はんだにぬれる特性として、ぬれ時間及びぬれ力を測定する試験法が平衡法となります。本報告では、本試験方法を用いて極小表面実装部品のぬれ性を測定した結果と試験に際し注意すべき点を報告いたします。
7404』といった、表面実装部品のはんだ付け性試験方法(平衡1.はじめに法)を規定した規格が存在しております。但し、これらの試験規
現在、私たちの生活に欠かす事の出来ない存在となった電子機

格においては、1005サ゗ズ(1mm×500μm)未満の電子部品につ器には、数多くの電子部品が用いられており、これらの電子部品

いては触れられていませんでした。しかし電子機器の小型化や多はプリント基板等にはんだを用いて接合されております。このは機能化に伴う高密度実装において、1005サ゗ズ未満の極小表面んだ接合は、熱により溶融したはんだが、電子部品の電極部とぬ実装部品の用途が拡大し、これら極小表面実装部品を対象としたれることにより形成されます。この為、電子部品のぬれ性は、未はんだ付け性試験方法(平衡法)の規格が、JEITA(電子情報技術産接合や信頼性に影響を及ぼす要因となります。又、電子機器の軽業協会)より『JEITA ET-7411』として、0603サ゗ズ等の極小表薄短小化や多機能化により、狭い面積内に多くの電子部品を実装面実装部品を対象としたはんだ付け性試験方法が制定されましする事が求めらる為、電子部品は年々小型化しており、現在ではた。これらの試験規格における試験方法は『JIS C 60068-2-

0603サ゗ズ(600μm×300μm)や0402サ゗ズ(400μm×200μm)

69(IEC 60068-2-69)』及び『JEITA ET-7401』では、はんだ槽が市場に出回ると同時に、0201サ゗ズ(200μm×100μm)も試作平衡法とはんだ小球平衡法が用いられており、ソルダペーストとされております。図1に極小表面実装部品の写真を示します。こ

表面実装部品のぬれ性を測定する、『JIS C 0099』及び『JEITA

ういった極小表面実装部品のはんだ付け性(ぬれ性)を測定する事

ET-7404』では、急加熱昇温法と温度プロフゔ゗ル昇温法が用いが求められる中、2009年4月にJEITA(社団法人電子情報技術産業られておりますが、0603サ゗ズ等の極小表面実装部品を対象と協会)により、0603サ゗ズ等の極小表面実装部品を対象としたする『JEITA ET-7411』では、はんだ小球平衡法のみが採用されJEITA ET-7411『極小表面実装部品のはんだ付け性試験方法(平ており、現時点で1005サ゗ズ未満の極小表面実装部品の試験方衡法)』が制定されました。

法としては、はんだ小球平衡法が唯一の試験方法となります。次

本書では、JEITA ET-7411におけるはんだ付け性試験方法(平項より、はんだ小球平衡法及びJEITA ET-7411における試験手順衡法)である、はんだ小球平衡法及びその測定手順を解説し、実を報告いたします。

際に0603･0402サ゗ズの電子部品の測定を行った結果を報告す■

ると同時に、極小表面実装部品のぬれ性測定における注意すべき

2-1.はんだ小球平衡法

点を報告いたします。
■

はんだ小球平衡法は、図2に示す試験装置の構成例のように、昇降装置を有し電子部品とはんだ小球を接触させ、電子部品に働く上下方向の力を検出し、時間軸変化として記録することのできる試験装置を用いて測定を行う事となります。又、電子部品を接触させる溶融させたはんだ小球は、小球ブロック全体を加熱した

平衡システム変換機

図1.極小表面実装部品(0603･0402)
電子部品

2.表面実装部品のはんだ付け性試験方法(平衡法)
表面実装部品を対象とした、はんだ付け性試験方法(平衡法)には、溶融はんだと表面実装部品のぬれ性を測定する、『JIS C
60068-2-69』や『JEITA ET-7401』及び、ソルダペーストと表面実装部品のぬれ性を測定する、『JIS C 0099』や『JEITA ET-

Rhesca Technical Report No:002s02sko01-03

はんだ小球
鉄製ピン

電子部品

信号処理

はんだ小球

小球ブロックコンピュータ
又は記録計

昇降装置

制御装置

図2.試験装置と小球ブロックの構成

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状態で、鉄製ピン上に重量の決められたはんだペレットを供給③保持具ごと電子部品を試験機に装着(②～③を15sec以内)し、はんだが溶融後に小球形状となったものを使用します。こうマグネットホルダにより装着時間短縮及び位置再現確保

した試験装置を用い、はんだ小球内に極小表面実装部品を浸せき④電子部品と測定済み小球との位置関係を調整(25sec以内)させた時、部品に生じる上下方向の力(F)を時間軸変化としてぬ電子部品と小球を近づけてカメラ観察で微調整れ曲線を取得します。図3に、はんだ小球平衡法による代表的なボタン一つで小球と電子部品の間隔を設定間隔に装置が調整

ぬれ曲線と、極小表面実装部品に対しはんだ小球が形成する接触⑤小球ブロック上の測定済みはんだ小球を除去

角の形状を示します。はんだと固体試料が接触した測定初期段階⑥新たなはんだペレットを小球ブロック上に供給

では、接触角が鈍角(はじく)の為、Cosθがマ゗ナスとなり、Fも⑦はんだに活性フラックスを供給(⑤～⑦を40sec以内)

マ゗ナスの値を示しますが、時間経過と共に、はんだがぬれる⑧電子部品と小球の高さを1～1.5mmに調整(10sec以内)(接触角が鋭角)ことでCosθがプラスに転じ、Fもプラスの値を示

ボタン一つで小球と電子部品の間隔を設定間隔に装置が調整す事となります。

⑨測定開始からはんだへ電子部品が浸せき※極小表面実装部品のはんだ小球平衡法では、浸せき量が微小で■あることから、測定初期段階においてもFがマ゗ナスの値を示さ

電子部品電子部品をチャックに押し込む チャック完了ない事があります。
■Fmax
T1

Fend

図5.電子部品保持状況

2/3Fmax

2-3.JEITA ET-7411の試験条件と要求事項
JEITA ET-7411で推奨される試験条件と試験要求事項を下記に示します。
試験条件
『はんだ』

図3.代表的なぬれ曲線：Sn96.5Ag3Cu0.5：Sn99.3Cu0.7

2-2.JEITA ET-7411の試験手順『はんだ質量』：25±2.5mg『はんだ温度』：245±3℃(Sn96.5Ag3Cu0.5)：250±3℃(Sn99.3Cu0.7)

JEITA ET-7411では、はんだ小球平衡法を図4に示す試験手順『フラックス』：非活性フラックス(ロジン25%)電子部品側：活性フラックス(遊離塩素0.2%)はんだ側で行う事を推奨しております。又、電子部品へのフラックス塗布
からの各手順における推奨累積作業時間も明記しており、これは『フラックス量』：10±1μℓ

電子部品及びはんだに対しフラックスを供給してからの時間経過『鉄製ピン形状』：φ2mmが測定結果に影響してしまう為、再現性を確保するために最短時『浸せき速度』：0.1±0.01mm/sec

間で各手順を行う事が望ましいとされております。以下にレスカ『浸せき深さ』：0.02mm社製はんだぬれ性試験機(SAT-5200)を用いて試験を行う場合『浸せき時間』：5secの、各手順における具体的な作業内容とJEITA ET-7411において要求事項推奨される作業時間を記載いたします。

『ぬれ上がり時間(T1)』
はんだとの接触からぬれ力がFmax値の2/3になるまでの時間①電子部品を保持具にチャッキングし非活性フラックスを塗布『ぬれ安定性(Sb)』

専用保持具を使用し、電子部品を保持(図5参照)

Fend/Fmaxの比②電子部品の過剰なフラックスを除去■■①②20406080③つり下げ④⑤⑥清掃 はんだ搭載⑦3.極小表面実装部品の測定結果

100秒
⑧⑨

JIS C 60068-2-69では対象外であった0603･0402サ゗ズの極小表面実装部品において、チップコンデンサとチップ抵抗を対象1～1.5mmにJEITA ET-7411の試験手順･条件において測定を行った結果を
図6から図9に示します。又、各極小表面実装部品においてJEITA

フラックス除去ET-7411で推奨されるエージングB(120℃、相対湿度85%で4時フラックス塗布

高さ調整

浸せき開始

位置調整 フラックス供給

図4.試験フローRhesca Technical Report No:002s02sko01-03間)を行った後のぬれ性測定結果も合わせて報告いたします。
尚、図10は、、各n=3回の測定を平均化したぬれ曲線の比較グラフを示します。

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PCT処理無PCT処理(4h)

PCT処理無ぬれ
曲線

ぬれ
曲線

ぬれ
曲線
拡
大

ぬれ
曲
線
拡
大

n数
123
平均

PCT処理無T1 Fmax Fend
0.12 0.25 0.21
0.13 0.23 0.21
0.10 0.25 0.23
0.12 0.24 0.22

Sb
83%
91%
94%
89%

PCT処理(4h)T1 Fmax Fend
0.20 0.26 0.23
0.22 0.24 0.23
0.18 0.24 0.23
0.20 0.25 0.23

Sb
89%
94%
96%
93%

n数
123
平均

Sb
76%
77%
79%
77%

PCT処理(4h)T1 Fmax Fend
0.09 0.12 0.11
0.08 0.13 0.10
0.09 0.13 0.10
0.09 0.13 0.10

図6.0603Cのぬれ曲線と数値評価結果図8.0402Cのぬれ曲線と数値評価結果

PCT処理無PCT処理無PCT処理(4h)

ぬれ
曲線

ぬれ
曲線

ぬれ
曲線
拡大

ぬれ
曲線
拡
大n数
123
平均

PCT処理無T1 Fmax Fend
0.08 0.12 0.10
0.10 0.12 0.10
0.08 0.13 0.10
0.09 0.12 0.10

PCT処理(4h)

PCT処理無T1 Fmax Fend
0.08 0.09 0.08
0.09 0.07 0.05
0.10 0.08 0.07
0.09 0.08 0.07

Sb
86%
69%
90%
81%

PCT処理(4h)T1 Fmax Fend
0.11 0.08 0.08
0.10 0.07 0.06
0.09 0.07 0.06
0.10 0.07 0.07

Sb
99%
79%
94%
91%n数
123
平均

PCT処理無T1 Fmax Fend
0.05 0.08 0.07
0.06 0.08 0.07
0.05 0.09 0.08
0.05 0.08 0.07

Sb
90%
77%
83%
83%

PCT処理(4h)Sb
79%
89%89%85%

PCT処理(4h)T1 Fmax Fend
0.21 0.07 0.07
0.38 0.07 0.05
0.28 0.07 0.06
0.29 0.07 0.06

図7.0603Rのぬれ曲線と数値評価結果

図9.0402Rのぬれ曲線と数値評価結果(a)ぬれ曲線(b)ぬれ曲線初期部拡大

Sb
93%
75%
85%
85%

図10.0603･0402ぬれ曲線比較(破線はPCT処理4h)
黒系：0603C

青系：0402C

赤系：0603R

緑系：0402R

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全ての測定において、PCT処理(4h)が、PCT処理無と比較しぬ・電極高さに限界がある為、浸せき深さ精度が重要となるれ上がり時間(T1)が遅い結果が得られました。これは、PCT処理これらの項目における、測定結果への影響とレスカ製はんだぬれにより形成した酸化膜がぬれ性を劣化させた事を示しており、極性試験機における実力値を次項より報告いたします。

小表面実装部品においても酸化物によるぬれ性への影響を本試験法で測定する事が可能であることが解ります。

4-1.ぬれ力検出分解能と外乱要因最大ぬれ力(Fmax)においては、PCT処理の有無による差は見受けられませんでした。これは、チップ部品の測定においては、は先述の『3.極小表面実装部品の測定結果』において報告いたし

んだがぬれ上がれる電極の高さに制限があり、PCT処理(4h)及びましたように、ぬれ力ははんだが電子部品に対して接触角を形成

PCT処理無共に電極全面へはんだがぬれ上がっている為、最大ぬする距離(部品の周囲長)に比例いたします。この為、電子部品のれ力には差が現れておりません。電極全面へのはんだぬれ上がり形状が小さくなる程ぬれ力は小さくなり、0603サ゗ズのチップだけでは電極表面の酸化膜の影響を評価する事ができない事が解

コ ン デ ン サ で 0.25mN ･ 0402 サ ゗ ズ の チ ッ プ コ ン デ ン サ でります。

0.12mNのぬれ力しか得られない事となります。この為、JEITA

0402サ゗ズが0603サ゗ズと比較し、ぬれ上がり時間が早い結ET-7411においては、0.02mN以下の分解能が求められておりま果が得られました。これは、電子部品の形状が0402サ゗ズの方す。又、ぬれ力が小さい為、外部振動等の外乱の影響をぬれ力検が小さく、溶融しているはんだ小球との接触から、部品が温めら出部が受けてしまうとぬれ力が隠れてしまう可能性がある為、外れるまでの時間が0402サ゗ズの方が早いことが要因と推測され乱による試験機への影響を最小限にとどめることも重要となりまます。

す。

0402サ゗ズチップコンデンサ(青色)が、0603サ゗ズチップコ

この為、レスカ製はんだぬれ性試験機(SAT-5200型)においてンデンサ(黒色)と比較し最大ぬれ力が1/2の結果が得られましは、ぬれ力検出分解能は0.0004mNを実現しており、外乱要因にた。これは、本測定法において得られるぬれ力が、部品の周囲長対しては、図11に示す設置環境下における外乱を、ぬれ力検出機(接触角が形成される距離)に比例する為、周囲長の大きい0603

構がどの程度受けているかを数値化する機能を有しております。

サ゗ズの方が大きな値を示しております。(部品形状は浮力とし但し、外乱を除去する機能ではないため、本機能により外乱によてもぬれ力に影響を及ぼしますが、本測定では浸せき深さが浅くる影響とぬれ力を比較し、ぬれ力が外乱の影響をうけるレベルで計算上約0.0001mN程の浮力となります)下記に、接触角(本測定ある場合は、設置環境の見直しやゕクテゖブ除振台の用意が必要

でははんだがぬれ上がれる電極高さに依存)が同じと想定した場となります。

合の0603サ゗ズと0402サ゗ズのぬれ力の比較を示します。

■

0603サ゗ズの周囲長(0.3×2+0.23×2=)1.06mm

4-2.時間軸応答性

0402サ゗ズの周囲長(0.2×2+0.13×2=)0.66mm
1.06mm:0.66mm よ り 、 0603 サ ゗ ズに 対し 0402サ ゗ズ は約

極小表面実装部品のぬれ性評価では、一般的にぬれ上がり時間60%程のぬれ力しか得られない事となります。

が短いため、ぬれ応力を検出するセンサには高速の応答性が求め

尚、チップ抵抗のぬれ力においては、0603Rの電極高さが低かっられます。このため、JEITA ET-7411においては、応力検出セたため、先述の比を求める前提となる接触角(はんだがぬれ上ンサに対して、最大負荷からゼロへの戻りが0.3sec以内であるこがった高さ)が異なる為、チップコンデンサ同様の形状依存とはとが求められております。

なりませんでした。

この為、レスカ製はんだぬれ性試験機(SAT-5200型)では、ステップ波形状の応力を意図的に検出センサに与え、センサの時間軸応答性を実測にて確認しています。図12に示すようにゼロから4.極小表面実装部品測定時の注意点

最大応力までの立ち上がり時間(立下り時間も同様)が0.14secであり、0.3sec以内というJEITA ET-7411の要求を満たしていま

JEITA ET-7411の解説や実際の極小表面実装部品のぬれ性測定す。はんだぬれ性試験機の検出センサには、上記のようなダ゗ナの結果より、極小表面実装部品のはんだ付け性試験(平衡法)方法ミック(動的)な特性が管理されていることが要求されます。SAT-においては、通常電子部品のぬれ性測定に比べ、以下の点を注意5200型では出荷する全ての試験機において、検出センサの立ちすることが重要であると言えます。

上がり時間が140msec±10msec以内に管理されています。

・ぬれ力が小さいため、ぬれ力検出分解能が重要となる■・ぬれ力が小さいため、外部振動や風の影響を受けやすい・ぬれが速いため、時間軸応答性が重要となる・はんだへのフラックス供給から浸せきまでの時間が重要となる
140msec
外乱の影
保持具

電子部品

図11.外因による測定結果への影響検証機能

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図12.センサ時間軸応答性測定結果

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5/54-3.はんだへのフラックス供給からの測定時間

4-4.浸せき深さ

先述の『2-2.JEITA ET-7411の試験手順』において報告いたし

先述の『3.極小表面実装部品の測定結果』において報告いたしましたように、JEITA ET-7411には試験手順と同時にその推奨作ましたように、極小表面実装部品においては電極高さがはんだが業時間も記載されております。これはフラックス塗布から測定にぬれ上がるに十分な距離を確保する事ができず、ぬれ曲線におけおけるはんだ付けまでの時間を一定化させる狙いがあります。特るMAX値は、ぬれ上がることのできる電極高さに依存してしまいにはんだ小球を作成する為に、小球ブロックにはんだ搭載後のフます。この為、同一電極高さの電子部品であったとしても、浸せラックス供給から浸せきまでの時間によっては、小球表面に酸化き深さが異なると、はんだ小球表面からの電極高さが異なってし膜等が発生する可能性があるため、できるだけ早く浸せきさせるまう為、ぬれ曲線におけるFmax 値が依存してしまいます。尚、ことが、測定結果の再現性を高めることとなります。図13にはんJEITA ET-7411 に お い て も 、 こ の 点 を 懸 念 し 浸 せ き 深 さだへのフラックス供給後の時間経過に伴うはんだ小球表面状態の0.02mmの実現を求めると同時に、Fmax値を試験要求事項に含め写真を示します。供給直後から10secまでは金属光沢面が露出しておりません。但し、ぬれ性の指標となるぬれ上がり時間はFmaxている事が解ります。20sec経過時にははんだ小球表面に酸化膜値の2/3のぬれ応力が発生するまでの時間計測となりますので、やフラックス残渣による曇りが発生してきておりますが、この曇例えば同じぬれ性を示す部品であっても浸せき深さが深くなり、りは動きを見せており、はんだ小球表面がまだ動いている事を示

ぬれ上がることのできる電極高さが低くなると、Fmaxが低くなるしております。これに対し、フラックス供給から30sec後には、ため、ぬれ上がり時間が早い数値を示す事となってしまいます。

曇りがはんだ小球全面に発生しはんだ小球表面での動きは見受けられなくなってしまっております。本来のはんだと電子部品のぬれ性を測定するには、はんだ小球表面が金属光沢を示している状

5.まとめ

態が好ましく、曇りの発生はぬれを悪くする方向に働いてしまう
為、再現性を確保するには、曇りが発生する前に浸せきが行われ電子機器の軽薄短小化及び多機能化に伴う電子部品の小型化にる必要があります。但し『2-2.JEITA ET-7411の試験手順』にお対応した極小表面実装部品のはんだ付け性試験方法(平衡法)を用いて、はんだへのフラックス供給後に、『1~1.5mmへの高さ設いて、実際に0603及び0402サ゗ズのぬれ性測定を行うと同時定』『0.1mm/secでの測定開始』となるため、最低0.1mm/secに、測定結果に影響を及ぼす事が想定される要因の検証を行ったで1mm駆動による10秒間は、浸せきを開始しないこととなりま

結果、0402サ゗ズの極小表面実装部品においても従来通りぬれす。(この時間が電子部品の予備加熱時間となるため絶対に必要性の測定が可能である事が解りました。

な時間)よって、本測定においてより再現性を高める為に、この

但し、部品形状が小さくなる中で、測定手順における注意点や間の時間を短くするには高さ設定を如何に早く行うか、更に浸せ試験機に求められる性能もこれまでのぬれ性試験とは異なってききまでの時間を一定化する為に高さを常に一定化することが重要ており、本書が極小表面実装部品のぬれ性測定の参考となれば幸となります。この為、レスカ製はんだぬれ性試験機(SAT-5200

いです。

型)においては、基点設定機能を有しており、事前にはんだ小球■と電子部品の高さ設定を行い、試験機に記憶させておくことで、参考文献

その後のはんだや電子部品の交換作業後にボタン一つで高さ設定を完了させることができると同時に、全ての測定において、常に

1）藤間貞行（2010）「微小チップ部品(0603、0402サ゗ズ)の同じ高さ設定で測定を行う事ができる為、予備加熱時間も一定とはんだぬれ性評価」『第50回 マ゗クロ接合研究委員会 ソルダリなります。

ング分科会』55-66頁。
2）JEITA『ET-7411』

供給直後

10sec後20sec後30sec後■図13.フラックス供給からのはんだ表面状態の変化

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