フラックスとは

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はじめに

実装工程のはんだ付け(半田付け)でよく耳にする「フラックス」とは、はんだ付けの補助剤であり、はんだ付けを可能にする役割を担うものです。
今回はフラックスとは何なのか、その役割や成分、種類などを解説し、はんだ粉とフラックスで構成されるはんだペーストについて解説します。

フラックスとプリフラックス

プリフラックス(プレフラックスやOSP膜とも呼ばれます。)も実装工程で耳にする単語ですが、本ページで解説する「フラックス(はんだフラックス)」とは異なるものです。

プリフラックスとは、プリント基板のランドやパッド(Cu)表面を汚染・酸化・発錆(錆びの発生)から保護するために形成する薄膜のことです。樹脂系耐熱プリフラックス処理や水溶性プリフラックス処理などが広く普及しています。

はんだ付け中のフラックスの役割

まず、はんだ付けとは、「はんだ」と呼ばれる450℃以下で溶融する合金を熱によって溶かし、接合したい材料同士の界面で固めることによって、ごく薄い反応層を形成して接合する技術のことをいいます。
はんだ付けは電子分野では一番多く使用されている接合方法です。
私たちの身の回りにあるスマートフォンやゲーム機、タブレット、PCなどの電子機器においても様々な電子部品がプリント配線板にはんだ付けされています。
写真1は、こて(はんだごて)による はんだ付けのイメージを示しています。


写真1:はんだ付けのイメージ

通常、金属の表面には酸化被膜が存在するため、単純にはんだを熱によって溶かしただけでは母材*1と接合できません。
しかも、酸化被膜は一度除去しても、空気中の酸素と結びついてすぐにまた酸化被膜ができてしまいます。
そこで活躍するのがフラックスです。

フラックスとしては天然由来の「松やに(ロジン)」がよく知られています。写真2は「松やに」のかたまりです。


写真2:松やにのかたまり

フラックスを使うことで、
✓ はんだ粉の表面と母材の金属表面の酸化被膜や表面皮膜を除去し、はんだがつく状態にする(これを「ぬれる」と表現します。)
✓ 金属表面の再酸化を防止し清潔な金属表面を保つ
などの作用があり、はんだ付けを可能にする役割を担っています。

*1 母材:接合するもの。実装工程のはんだ付けの場合、部品電極や、配線板の電極パッドなど。

フラックスの成分

ここでは、通常の実装工程で多く使用されている「樹脂系」に区分されるフラックスについて解説しています。
フラックスの種類については下記「フラックスの種類」を参照ください。

樹脂系フラックスは、天然樹脂である松ヤニ(以下、ロジンと表記)に代表される主剤に、活性剤や必要に応じて溶媒が配合されています。
1つづつ詳しく紹介していきます。

主剤

フラックスの主剤は樹脂(ロジン、合成樹脂など)です。
この主剤が加熱されて、はんだや被着面の表面にある酸化被膜を除去し、同時に、はんだと被着面表面を保護し再酸化を防ぎます。

活性剤

活性剤は、はんだと被着面の表面にある酸化被膜を除去する力を増大させる添加剤です。はんだの種類やはんだ付けの温度や時間によっては複数種の活性剤を含む場合もあります。

溶媒

溶媒にはアルコール系溶剤が使用され、主剤である固形の樹脂を溶解します。
また、フラックスの粘度を調整し、プリント配線板などへの均一塗付や母材へのぬれ、隙間への浸透を改善する等の働きを担います。

【参考】フラックスの種類

実装工程のはんだ付けで使用されるフラックスは樹脂系(ロジン系フラックス)以外に有機系が使用されることもあります。
それぞれの構成材料は、下の表のようになります。

フラックス区分構成材料
主剤活性剤
①樹脂系1. ロジン
a. 変性ロジン
2. 合成樹脂
1. 無添加
2. アミンのハロゲン塩
3. 有機酸、アミン有機酸塩
②有機系1. 水ベース物質
2. 溶剤ベース物質
③無機系a.水溶性物質
b.非水溶性物質
a.アンモニウムハライド
b.ハロゲン化Zn
c.ハロゲン化Sn
d.リン酸
e.ハロゲン化水素酸

・日本のエレクトロニクス実装においてはロジンベースのフラックスが一般的に使用されており、ロジン系フラックスと呼ばれることが多いです。

水溶性フラックス

有機系フラックスの中でも、水をベースに有機系活性剤を添加したものは水溶性フラックスと呼ばれます。ほかに、アルコールをベースに有機系活性剤を添加したタイプもあります。

無機系フラックス

無機系フラックスは、グリセリンやポリエチレングリコールなどの水溶性物質をベースにしたフラックスや、ワックス・ワセリンなどの非水溶性物質をベースにしたフラックスがあります。残渣ははんだ付け後も化学的に活性なため、残渣を除去しないと接合部に腐食が発生します。このため、プリント基板に対するはんだ付けには用いられていません。

その他の分類方法

最近ではハロゲンフリータイプ、低残渣タイプ、低VOCタイプなど、環境に配慮して配合成分を工夫したフラックスも使われています。

はんだペースト

上述したように、私たちの身の回りにある電子機器(携帯端末、パソコンなど)において、様々な電子部品がプリント配線板にはんだ付けされていますが、こういった機器のはんだ付けには はんだペーストが使用されています。
はんだペーストは、粉末状にしたはんだをペースト状のフラックスに混ぜ込んだもので、ソルダペースト、クリームはんだとも呼ばれます。

はんだ粉

はんだ粉は球状で粒径20~30umのものが一般的です。最近では0201サイズ等の微小・微細部品の実装用として、5~15umという微小粒子径のはんだ粉を含有するはんだペーストも上市されています。

ペースト状フラックス

フラックス(ロジン、活性剤、溶媒)とチクソ剤から構成されています。
チクソ剤は粉末はんだとフラックスの分離防止、およびはんだペーストを印刷する際の印刷性の向上などを目的として添加されています。

はんだ付け後のフラックス

はんだ付けにはフラックスが必要ですが、はんだ付けが完了するとフラックスは燃えかすとなり不要になります。フラックスの燃えカスはフラックス残渣(ざんさ)と呼ばれ、プリント基板にトラブルをもたらす恐れがあります。

フラックス残渣(ざんさ)は下記のページで解説しています。
困ったときの解説ページ
フラックス残渣とは
はんだ付け後のフラックスの燃えかすであるフラックス残渣は、プリント基板に電気的・物理的トラブルをもたらす恐れがあります。このページではフラックス残渣の引き起こすトラブルと解決策を紹介しています。

参考文献

標準 マイクロソルダリング技術 第3版
社団法人 日本溶接協会 マイクロソルダリング教育委員会[編]
日刊工業新聞社

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マイクロ実装・接合技術(2012年)より抜粋。
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