電気関係でハンダ付けとは、融点の低い金属であるハンダ(半田)を使用し、部品の機構的な固定と電気的な接続をすることを言います。ハードウェア・エンジニアにとっては必修項目なのですが、最近はソフト化が進み電気メーカーの設計部に席を置いていてもハンダづけのできない人が増えています。このページではハンダづけ(主に手作業)のコツをご紹介しています。 趣味で電子工作をされている方も参考にしてください。 

2005-06-02 作成, 2009-09-23 更新

目次

  1. 準備
  2. リード実装部品の作業
  3. 面実装部品の作業
  4. スイッチ、端子台の端子
  5. 量産時の作業
  6. 後処理と検査
  7. 実際の商品で発見されたハンダ不良
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⇒電子ルーレットを作ろう〜パブー版
⇒[書籍] 電子部品図鑑
逆引き電子回路図集
秀和システム/ISBN:978-4-7980-2605-3/A5 2色272ページ/2625円(税込)

回路設計の仕事をされているエンジニアのための実践的な本です。これから始める仕事に役に立ちそうと思って回路集の本を買ってみたが、役に立たなかったという経験をお持ちのかたも多いと思います。役に立つ回路集はどうあるべきか? 私なりの結論を書いてみました。

半導体関係は、製造中止になるものが多く、本の中に型番が書いてあっても、その部品が入手できるとは限りません。入手可能であっても社内標準品(相当品)を使いたいという要望があります。また少しだけ仕様を変更したい場合もあると思います。それには受動部品の定数を変更するば良い筈ですが、動作原理が分からなければカスタマイズは出来ません。よって本書では、動作原理や設計手順、部品定数を求めるための式を豊富に入れました。

回路集を使っての設計は、よく理解しないで回路を使ってしまい、不具合のあるまま出荷してしまうというトラブルが発生しやすいです。特に陥りやすい問題点をコラムに入れ、バグの無い回路設計ができるように配慮しました。(本webのはずかしい回路設計がコラムとして入っています。)この部分のノウハウだけでも一読の価値があると思います。

[コラムの目次] 最大定格の確認、電池の有効活用、ソーラーラジオを作ろう、データーシートと納入仕様書の話、トランジスタの最大定格、ヒートシンクの設計、データーシートの読み方(オペアンプ編)、オペアンプの基本、LPFは高周波のノイズを抑制できるか、フィルタの基本、起動しないクロック、ICと振動子の相性、発振安定の遅いクロック、アナログを生で観測せよ、フォトインタラプタの動作原理、エンコーダとは、青年よハンダゴテを握れ、温度測定のツボ、デジタルパネルメータ接続時の注意、温度ヒューズの規格、突入電流の測定方法、なぜ突入電流を低減するのか、ノイズ対策は忘れずに、代表的なアナログスイッチ、明るすぎるLED、2階建て基板におけるGNDの本数、量産時の不良率とAC特性、リンギング波形観測のコツ
[掲載回路] 電源回路、定電圧回路(ツェナーダイオード、レギュレータ)、ゲルマラジオ、ソーラーラジオ、低周波小信号増幅(トランジスタ、FET)、エミッタホロワ、低周波電力増幅(トランジスタ、IC)、反転増幅(オペアンプ)、非反転増幅(オペアンプ)、RCフィルタ、LCフィルタ、アクティブフィルタ、ウィーンブリッジ型発振回路、マルチバイブレータ(トランジスタ、IC)、水晶発振回路、コンパレータ(トランジスタ、IC)、位置検出(メカスイッチ、アンプ内蔵型、フォトインタラプタ)、照度計(フォトトランジスタ、フォトダイオード)、温度計(IC、サーミスタ、熱電対、測温抵抗体)、過電流保護(ヒューズ、ブレーカ、PTCサーミスタ)、加熱防止(温度ヒューズ、サーモスタッド、PTCサーミスタ)、過電圧保護(バリスタ、スパークキラー、ダイオード)、突入電流低減(抵抗、パワーサーミスタ)、最後の「安定させる」は回路の説明というよりは、確実な動作をさせるためのノウハウです。

準備

始めに必要な工具をチェックして手元に準備します。  机の上にはダンボールの切れ端(またはゴムマット)などを敷いください。  机を保護する意味と部品面を下にして作業する際、無理な力をかけてしまい部品を破損してしまう事故を防ぎます。

製造現場では静電気を防ぐために導電性のゴムマットのようなものを敷いたり、静電気を放電するためのリストバンドのようなものを手にはめて作業しますがアマチュア(趣味で電子工作をされている方)はそこまで必要ないでしょう。

ハンダ付けを始める前に部品の端子が腐食(酸化)していないか、ルーペ(または実体顕微鏡)で確認します。  腐食が確認された場合、アマチュア的にはリード線をピンセットの先で磨き、フラックスをたっぷりつけてハンダ付けをすればなんとかなります。  プロの方(業務で電子機器を製造されている方)なら部品を交換するのが良いでしょう。  電子部品のメッキにはスズメッキをすることが多く、スズメッキの腐食は鉄錆びのようにはっきりとした色の変化はなく、光沢がなくなったり、少し黄色くなります。  腐食の発生した部品でハンダ付けをするとハンダ不良が発生しやすいので注意してください。 
*スズメッキの腐食の程度を非破壊で簡便に測定できる測定器があれば良いのですが、現状では実体顕微鏡でよく見るしかないようです。  高価で大掛かりな分析装置、もしくは電子顕微鏡による方法は個人や中小企業ではなかなか使用できません。

失敗例に学ぶ電子部品のめっき技術
電子機器部品の腐食・防食Q&A

リード実装部品の作業

マウント (部品の搭載)

マウントの順序

電子部品のリードをプリント基板の穴に差し込んで固定することをマウントといっています。  (面実装部品の場合はプリント基板に部品をのせるだけ) 

始めは抵抗器など高さの低い部品から始めます。  高さの高い部品を先につけて、後から高さの低い部品をつけると、 基板をさかさまにした時、部品がずり落ちてしまいます。  また両側に高さの高い部品があって間に高さの低い部品がある場合は、手が入りにくいので作業しずらいです。  原則的には高さが低い部品から取り付けます。  爪で抵抗のリードを90°に折り曲げ基板に差し込みます。 

セメント抵抗器や酸化金属皮膜抵抗器などの定格電力の大きい抵抗は表面が高温になり、 熱で基板が変質してしまうので、プリント基板から少し浮かして実装します。  リード線をフォーミングしたり、リードの部分に耐熱チューブをかぶせるなどの工夫をすると高さが一定で、きれいにできます。 


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ピンセットにチップ部品が張り付いて困る時は磁気を帯びないピンセットが有効です。

マウントの仕方は現在と昔では異なります。 

昔はずり落ちないようにリード線を曲げ、ニッパーでカットしてからハンダづけをしていました。  この方法ではランドを大きめに作らなければならないことと、修理の際に部品の取り外しがしにくくなります。  現在は機械で実装することが多いのでリードを曲げないで穴に通すだけです。 

コンデンサやコイル、トランジスタ、ダイオードなどの取り付けは、抵抗の場合と同じで結構です。  DIPパッケージのICやコネクターなどはリードをカットしません。 


熱に弱い部品・静電気に弱い部品

熱や静電気に対する注意事項です。 

熱に弱い部品は基板から浮かして熱が伝わりにくくする必要があります。  熱に弱いからといってハンダごてを当てる時間を短くするとハンダ付け不良になりやすいです。  ハンダ付け時間はあくまでも長すぎず、短すぎず、熱に弱い部品は部品を浮かすことによって対処します。  静電気に弱い部品(CMOSなど)は手でリード線を触ると静電気が入りデバイスが破壊する場合があります。  使用しない時は導電性のスポンジに挿しておくか、アルミ箔にくるんでおきます。  最近のデバイスは静電気、熱 共に 強くなっているのでそれはほど神経質になる必要は ありません。 

円盤型のセラミック・コンデンサは外側にワックスのようなものが塗布してあり、ハンダ付け時にそれが溶けるので、部品がこわれたりしないか心配する方がいます。  セラミック・コンデンサは名前の通り、中はセラミックであり、熱に強いので大丈夫です。 


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CMOSのICは静電気に弱いので業務で電子部品を扱う方は必要かも。  腕にはめることによりすみやかに静電気を逃がします。 

ハンダ付けの仕方
ハンダ付けの仕方

抵抗の場合

右手で鉛筆を持つようにハンダごてを持ち、左手で糸ハンダを持ちます。  まず抵抗器を指で押さえながら片方のリードをハンダ付けします。 
a) リードの根元にこて先をあてます。 この際、リードと銅箔が同時に加熱される事
b) すばやくリードの根元にハンダをあてて溶かします。 
c) 必要な量が流れたらハンダは離します。 
d) 熱が十分伝わり、ハンダの形状が理想的になった時点で、こて先をリードから離します。 
横から抵抗を見て基板に密着していることを確認します。  もしも浮いているようでしたらもう一度ハンダごてをあてて押し込みます。  ハンダ付け部分の形状も良く確認します。 残ったもう一方もハンダづけします。   部品は沢山あるので蛍光ペンで色をつけながら作業をすると間違えが少なくなります。  ハンダづけが終わってから長すぎるリードをニッパーでカットします。  その際に 1mm〜3mmぐらいの長さが残るようにします。 

良いハンダ付け形状

良いハンダ形状 プリント基板に実装する、リード実装部品のハンダ付けを説明します。 
ハンダ付けがうまくいっていないと、付けたつもりがしばらく経ってから外れてしまうので、形状を良く確認します。 
a) ハンダの形状が富士山のようにきれいな形になっているのが良いハンダづけ。  ハンダごての先をいつもきれいにしておくことと、加熱する際にこて先がリードと銅箔、同時にあたるようにするのがポイントです。 
悪いハンダ形状 b) リード線の部分には熱が伝わっているが銅箔に熱が伝わっていない状態、または銅箔が酸化されている、銅箔が汚れている状態。 
 → 銅箔部分を重点的に加熱しながらわずかにハンダを追加します。  それでもだめな場合は銅箔の部分の酸化膜除去し、フラックスを使ってください。 
悪いハンダ形状 c) 銅箔の部分には熱が伝わっているがリード線に熱が伝わっていない状態、またはリード線が酸化されている、リード線が汚れている状態。 
 → リード部分を重点的に加熱しながらわずかにハンダを追加します。  それでもだめな場合は酸化した部品の交換、またはフラックスを使ってください。
悪いハンダ形状 d) ハンダに熱が伝わっていない状態、 または加熱しすぎてハンダが酸化してしまった状態(ハンダが白っぽく光沢がない)
 → ソルダーウィックで古いハンダを吸い取ってから、 もう一度ハンダ付けをやり直します。 
悪いハンダ形状 e) ハンダが多すぎ。 
 → ソルダーウィックで古いハンダを吸い取ってから、 少しだけ新しいハンダを足します。 
悪いハンダ形状 f) ハンダが少なすぎ。 
 → 新しいハンダを足します。 

スイッチ、端子台の端子 (フロントパネル)

フラックスを塗る シャーシーやパネルに取り付けた部品のハンダ付けを説明します。 
端子の部分が変色していないかを確認します。  変色している場合はヤスリまたはピンセットの先で酸化膜をはがし、フラックスを塗ります。  黒く変色(酸化)している場合はできりだけ良品と交換した方が良いでしょう。 
スイッチの端子にハンダメッキをする スイッチの端子にハンダメッキをします。  スイッチの端子は熱が伝わりやすいので少し太めのハンダごてが良いでしょう。  ハンダごてを当てる時間はハンダが端子全体になじむまで、長めにします。  ハンダごては太いのでないと十分温度が上がらない時があります。  ハンダの熔け方が悪い時は太いものに交換してください。 
リード線にハンダメッキをする リード線の被覆をスイッチの端子の大きさにあわせてむきます。  (通常 3mmぐらい)  リード線の方にもハンダメッキをします。 
リード線と端子の接合 熱収縮チューブをリード線に通してから、 リード線の先をスイッチの端子に当ててハンダを溶かします。  昔はリード線を端子の穴に通してからげましたが現在は作業工数の削減のためストレートのままでハンダづけをする場合が多いです。 
熱収縮チューブをかぶせる 熱収縮チューブをかぶせて、熱風をあてます。  熱収縮チューブは収縮します。 
*スイッチを取り付ける前に、リード線の長さを正確に測り、ハンダづけ後に、 スイッチを取り付ける方法もあります。 

面実装部品の作業

糸ハンダを使用し、手作業でのハンダ付けを説明します。 

チップ部品のサイズ

最近のチップ部品は非常に小型になってきて0.6mmx0.3mmぐらいのサイズのものも量産ではよく使用されます。  しかし0.6mmx0.3mmのサイズを手付けをするのは無理。  訓練された人でも手付けは1.6mmx0.8mmぐらいまでです。  生産数量が少なく手作業か自動実装か判断できない時は2mmx1.25mmぐらいが良いかも?。

良いハンダ形状

良いハンダ形状

左の図に良いハンダづけの形状を示します。  考え方はリード実装部品の時と同じでaが良い形状です。  ハンダごての先をいつもきれいにしておくことと 加熱する際にこて先がチップ部品の電極と銅箔、同時にあたるようにするのがポイントです。 


悪いハンダ形状 悪いハンダ形状
悪いハンダ形状 悪いハンダ形状

ハンダ付け手順(抵抗、コンデンサ場合)

チップ抵抗器、チップコンデンサ(セラミック)のハンダ付けです。
  1. 1つのパッドに糸ハンダでわずかにハンダをつけます。
  2. ピンセットで正確な位置にチップ部品をおさえておきます。
  3. ハンダを付けた方の端子をハンダごてで加熱します。
  4. ハンダが冷却して、固定できるまで待ちます。
  5. 反対側の端子にハンダとハンダごてを同時にあてます。  この時に短い時間で作業をしないと初めにハンダ付けした部分が外れてしまいます。
  6. 必要に応じて初めにハンダ付けした部分に少しだけハンダを足します。
*加熱中に無理な力をかけると電極が剥がれてしまうので注意してください。
目で見てわかるはんだ付け作業

チップコイル、チップタンタルの場合

基本的には抵抗、コンデンサ場合と同じです。  大きさが大きいので作業はやりやすいと思います。 

SOP,QFPの場合 (その1)

最近はICのパッケージとしてDIPは少なくなり、大抵はSOP,QFPなどのピッチが細かいパッケージです。 
位置合わせをしっかりして 始めにどこか1点をハンダで固定します。 (たとえば左下)  その状態でルーペを使用してパッドの中央にリードが来ているかしっかり確認します。  ずれているようでしたらもう一度ハンダごてをあてて微調整をします。  次に対角線位置のリードをハンダ付けします。  もう一度ルーペを使用してパッドの中央にリードが来ているかしっかり確認します。  残り全てのリードをハンダ付けします。 
*やりにくいようでしたらICを耐熱テープなどで仮固定しても良いでしょう。

SOP,QFPの場合 (その2)

始めにフラックスをたくさん塗っておき、 φ0.8ぐらいのハンダで、つながったままでハンダづけをしてしまい、 ソルダーウィックで余分なハンダを吸い取る方法もあります。  吸い取るとハンダのショートがとれてうまい具合にハンダづけができます。 

量産時の作業

量産のハンダ付け方法は搭載する部品の種類により以下の2種類があります。  リード実装部品はフロー・プロセス(自動ハンダ槽)でハンダづけをします。  面実装部品(SMD)が含まれていてもピッチの荒い(1.27mmぐらい)部品であれば一括して ハンダ付けする事ができます。 

面実装部品の場合はリフロー・プロセス(リフロー炉)でハンダづけをします。  全ての部品を面実装部品にできない場合、たとえばコネクタや大型のトランスは、 面実装部品にできないことがあります。  そのような時はリード実装部品だけ手作業でハンダづけします。 

業務で基板を作る際、面実装部品を使う事が多く、試作であってもクリーム・ハンダとメタル・マスクを使用する事が多くなりました。  クリーム・ハンダとはハンダの粒子をフラックスで練ったものです。  メタルマスクとはクリーム・ハンダを印刷するために使用する薄い金属板をエッチングで穴を開けたものです。  印刷後はリフロー炉に入れますとハンダが溶けてハンダ付けが出来上がります。 

フロー・プロセス
  1. 接着剤塗布
  2. 面実装部品 マウント
  3. 接着剤硬化 (加熱)
  4. リード実装部品 挿入
  5. フラックス塗布
  6. プリヒート
  7. フロー・ハンダ付け (溶融したハンダに浸す)
  8. 冷却
リフロー・プロセス
  1. クリーム・ハンダ印刷
  2. 面実装部品 マウント
  3. プリヒート
  4. リフロー・ハンダ付け (加熱)
  5. 冷却

後処理と検査

ハンダ付け部分を明るくしてルーペでハンダ・ボールを捜します。  ハンダ・ボールがあったならば、ピンセットで剥がします。  最近は低残渣のフラックスを使用して洗浄をしないことが多いようです。  腐食性の高いフラックスの時は基板洗浄が必要かもしれません。 

ハンダの目視検査をしないため不良品が市場に出てしまうことがあります。  ハンダ不良はしばらく経ってから故障となる場合が多いです。  (ちょうど保障期間が切れるころあいに故障する電気製品はあやしいかも?)  ハンダ付けの検査は特別な機械がなくても、見方さえ理解していれば容易にできるはずです。  基板全数のチェックがたいへんであるならばロット毎に数枚でもかまわないので必ず実行するようにしていただきたいものです。 

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実際の商品で発見されたハンダ不良

部品面にあるハンダボール

故障した電気製品はたたけば直るという話を聞いたことがあると思います。 たたいて直るのはハンダ不良、またはコネクター圧着不良、接触不良のことが多いです。ハンダ不良により正しく接合がされていない場合、機械的に接触しているだけなので、製品出荷時の試験では正常に動作しているように見えますが、しばらく使用していると、接触していた部分が振動や温度変化により離れてしまいます。 そうすると電気が通らないので、正常に動作しなくなります。 たたいて直るように見えても、一時的に接触するようになっただけですので、しばらくすると同じ現象が発生する可能性が高いです。

部品の寿命が原因であればたたいても直りません。たたいて直ってしまうというのはそれだけハンダ不良による故障が多いということなのでしょう。 以下私が目撃したしたハンダ不良の実例を紹介します。

私が購入したキーボードの中、部品面に大きなハンダボールがありました。  実装していないタクトスイッチの穴からハンダが噴出して部品面でハンダボールになったものと推測されます。  フラックスで張り付いているだけなのでピンセットで簡単にとれます。  肉眼ではっきり見える大きさなので目視でチェックをしていない、かつ洗浄もしていないということになります。 


外したハンダボール

外したハンダボールを拡大した所です。  直径は1.8mm, 2.1mmでした。 

ハンダボールが転がっていくと、思いもよらないトラブルが発生する可能性があります。  たとえばテキストエディタを開いたまましばらく席を外して戻って見ると呪いの文字が表示されていたり(笑)、 ファイルをセーブ中にVCC(電源)とGNDの間をショートしてしまうとファイルが破壊され、最悪HDD全体のデータがだめになる可能性もあります。 


タクトスイッチ部のハンダ不良

タクトスイッチのリード線とハンダの境界の部分に注目してください。  タクトスイッチのリード線が酸化しているようです。  もう少し加熱時間が長ければ正しくハンダづけできていたかもしてません。

メーカーさんのプライドがあると思うのでメーカー名は伏せておきますが、 受け入れ検査をしっかりしてくださいネ。(笑)



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自作派の強い見方。他店では置いていない素材がいろいろ在庫しており、創作意欲をかきたてられます。

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逆引き電子回路図集
私が書いた本です。
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