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付録B はんだ付け技術
この付録では、はんだ付けの基礎と、より高度な表面実装はんだ付け技術について説明する。実際に手を動かしながら読み進めると最大の効果が得られる。基本的なはんだ付け練習用のスルーホール組み立てキットを幅広く扱っているJameco Electronics（http://www.jameco.com）がおすすめだ。SMT組み立て技術を練習したい場合は、TopLine（http://www.topline.tv）が部品ブランクを使ったエコノミー練習キットを提供しており、MCM Electronics（http://www.mcmelectronics.com）には実践的なSurface Mount Solder Practice Kitがある。（実際に使いたいSMT部品を取り付ける前に、SMTはんだ付けスキルを練習しておくことを強くお勧めする。）
はんだ付けの基礎
基本的なはんだ付け技術はさほど難しくない。はんだごての先端を部品のリードと基板のパッドの間に差し込み、両方を十分に熱する。十分に温まったら、滑らかなフィレットができるまではんだワイヤをゆっくりと送り込む。実際には、はんだ付け箇所が千以上ある典型的な基板を、はんだ不良をひとつも出さずにはんだ付けできるようになるには、少々の練習と経験が必要だ。
きれいなはんだ付けをするには、高温で溶けたはんだが対象物に「濡れる（ウェット）」必要がある。つまり、手はんだ付けの真の技術とは、はんだの濡れを確実に実現する方法を理解することにある。
溶けたはんだが金属を濡らしているかどうかは、見た目ではっきりわかる。うまく濡れているときは、溶けたはんだが表面張力を失ったように見え、溶けたはんだが光り輝き、作業面をなめらかに流れていく。逆にうまく濡れていないときは、はんだが鈍い光沢を帯び、外に広がらずにはんだごての先端に丸く固まってしまう。
フラックスを使う
はんだが金属に濡れない原因は、空気中の酸素や汚れ・油脂が金属と反応しているからだ。この場合、フラックスを塗布することでこれらの異物を分解できる。「フラックス（flux）」という言葉はラテン語の fluxus（流れる）に由来する。ほとんどのはんだには、はんだ付けのしやすさを高めるためのフラックスコアが内蔵されている。切断したはんだをよく見ると、はんだ合金に囲まれたフラックスコアが見えるはずだ。必ずフラックス入りはんだを使うこと。そうしないと、はんだが回らず苦労することになる。電子工作向けに作られたはんだのほぼすべてにフラックスコアが入っているが、ホームセンターでは、フラックスなしの配管用はんだも売っているので注意が必要だ。フラックス入りはんだを加熱すると、気化したフラックスの煙が少し上がる。作業台の近くに小型ファンを置いて煙を吸い出し、吸い込まないようにしよう。
初心者がよく犯すミスは、フラックス入りはんだを過信することだ。フラックス入りはんだに含まれるフラックスだけでは、はんだが回るのに十分でないことが多い。その場合は、追加のフラックスを塗布する必要がある。生のフラックスは通常、液体またはペースト状で販売されているので、塗布は簡単だ。液体の場合は、爪楊枝を半分に折って先端をギザギザのままにし、折った端をフラックスに浸けると小さな一滴が先端に付く。広い面積に液体フラックスを塗布するには細先の絵筆が便利だが、使い終わったらすぐに洗浄すること——数日でベタベタになって使えなくなる。フラックスドロッパーも便利だが高価だ。フラックスドロッパーは先端に細いキャピラリーニードルが付いたボトルで、逆さにするとフラックスがゆっくりと滴る。ペースト状フラックスは、爪楊枝や固体ワイヤなどの端切れをフラックスペーストに浸けて塗布する。フラックスペンは、保管と塗布が一体になった便利で安価なパッケージで初心者に向いている。精度や品質は他の塗布方法に劣るが、たまに使うには便利だ。
多くのフラックスは使用後の洗浄が必要だ。フラックスは時間とともに硬化して将来の修理を困難にし、基板をゆっくりと腐食させ、水分を吸収して導電性になることがある。昔ながらのはんだフラックスは樹脂フラックスだ。樹脂フラックスの除去には引火性と毒性のある強力な溶剤が必要だ。そのため、僕は水溶性フラックスかノークリーンフラックスをお勧めする。水溶性フラックスは水で基板を洗い流すだけで除去できる。蒸留脱イオン水を使うのが理想だが、ほとんどの場合、温めた水道水でも十分効果的だ。大量の基板をまとめて洗浄する必要があるときは、食洗機に入れてしまう（食べ物のくずはきれいにして洗剤は使わずに！）。洗浄後は、基板を導電性のきれいなクッキングシートまたはアルミホイルの上に置き、低温（約200°F＝約93℃）のオーブンで1〜2時間、水分が完全に蒸発するまで焼く。オーブンの温度を上げすぎないこと——部品内部の細孔に入り込んだ水が蒸気になってクラックや破裂を引き起こすことがある。ほとんどの部品は「プロセスシール」されているので水で洗っても問題ない。ただし、コネクタやスイッチには注意が必要だ。水による汚染を防ぐためにカプトンテープで覆っておく必要があるかもしれない。
WARNING
基板に酸性フラックスを使用しないこと。基板や部品を腐食させ、時間がたってから故障を引き起こす。初心者がよくやる失敗は、配管用のはんだやフラックスを電子工作に流用してしまうことだ。これをやると、あとで酸性フラックスによる腐食に悩まされる。
最初のコツ
リードが多い部品は、はんだ付けする前に位置を合わせて仮固定しておく必要がある。表面実装型部品の場合は、デバイスの対角にある2ピンをはんだ付けして仮固定できる。仮固定したら、仮固定中に部品がずれていないか再確認する。スルーホール型部品の場合は、基板を裏返している間に固定するためのマスキングテープが必要だ。部品の角のリードを仮固定し、全リードをはんだ付けする前に部品が基板に対して水平であることを確認する。（マスキングテープは少し遊びがあるため、部品を基板に対して水平にするために、仮固定した角の一つを加熱しながら部品を押さえる必要があることが多い。）
カプトンテープは、作業台のそばに置いておくと重宝する。DuPontのKaptonは500°F（約260℃）程度まで耐えられるので、溶けたはんだが触れそうな場所を一時的に保護するのに使える。はんだを付けたくない周囲の部品やパッドをマスクする用途に便利だ。ただし高価なので、普通の固定や仮止めには使わず、熱や溶けたはんだにさらされる場所にだけ使うのがよい。
温まっていない金属にははんだが回らない。これは大きなはんだ付け箇所や、大きな銅面に接続されたはんだ付け箇所でよく起きる問題だ。このような場合、接続された金属が熱を十分に伝導してしまい、接合部がはんだの融点に達しない。解決策は、より強力なはんだごてを使うか（ただし、非常に大きなはんだごての熱が基板の配線を剥がしてしまうこともあるので注意）、はんだを加える前にはんだごてを接合部に長めに当て続けることだ。作業エリアの加熱を早めるコツのひとつは、はんだごてがものを温めている先端にごく少量のはんだを送ることだ。基板ではんだは濡れないが、ごての先端に付いた液体はんだがごてと基板の実効的な接触面積を増やし、基板への熱伝達をより速くする。ごての先端にはんだを加えた後、はんだ付け箇所を維持したままごてを回転させて溶融はんだを基板に接触させる必要がある場合もある。
部品のリードや基板のランドが十分に加熱されているかは、反射光の変化を注意深く観察することでわかる。基板上の部品のリードやランドには通常、はんだなどのめっきが施されている。このはんだめっきは通常の状態では少し鈍い光沢を持つ。しかし、十分に加熱されると、光沢が鈍いものからほぼ完全な鏡面反射に変わる。この感覚をつかむには、上述した技術を使って大きな正方形のランドをはんだごてで加熱してみるといい。はんだごてが基板を加熱するにつれ、溶融前縁がランドを横切って広がっていく様子が観察できるはずだ。
WARNING
温度調節機能のないはんだごてを使う場合は、作業を完了できる範囲で最も低ワットのはんだごてを使うこと。過剰な熱で銅配線が基板から剥離することを防ぐためだ。
表面実装はんだ付け
表面実装はんだ付けのスキルを習得するには、少しの忍耐と練習、そして適切なツールが必要だ。基本的なはんだ付けセットに加えて必要な基本ツールは、ピンセットと拡大レンズだ。
良質な細先ピンセットは、表面実装部品に不可欠なはんだ付けの工具だ。ピンセットははんだ付け中の表面実装部品の安全な取り扱いに必要で、小さな部品はすぐに熱くなって指を火傷するほどの温度になる。また、ピンセットは小さな部品を所定の位置に保持するためにも必要で、溶けたはんだが固まるときの表面張力で部品が引っ張られて動くのを防ぐ。ピンセットの先端は、扱う予定の最も細かい表面実装部品のピンの間に入れるのに十分なほど小さくなければならない。そうすれば、はんだ付けと検査の際に個々のピンを操作するためにピンセットを使える。
ピンセットにはさまざまなグレードがある。グレードは先端の鋭さ・品質・耐久性、先端の位置合わせ精度、ばねの動作に基づいて決まる。高グレードのピンセットは少し高価だが、SMTはんだ付けを多くやるつもりなら十分に投資する価値がある。Future-Active Electronics（http://www.future-active.com）のような量産部品の流通に特化した会社では、良質なピンセットを揃えている。
表面実装はんだ付けで最も難しいのは、作業対象をよく見ることだ。人間の手は、裸眼では見えないほど小さなものを繰り返し操作できる能力を持っている。はんだ付けの理想的な拡大ソリューションは、生物標本の検査に使われるような光学立体顕微鏡だ。しかし残念ながら、これらの顕微鏡は非常に高価で、良いモデルは中古車1台分ほどの値段がする。
より安価な解決策は卓上型拡大レンズを使うことだ。多くの製図・美術用品店ではこの種のレンズを販売しており、ほとんどのオフィス用品店でも拡大レンズ付きランプを少なくとも1種類販売している。これらの拡大レンズは組み立てを助けてくれるが、はんだ付けの徹底的な検査には不十分だ。完成したはんだ付けの検査には、宝石鑑定用ルーペや校正用拡大鏡のような比較的安価な高倍率ルーペを使うべきだ。
単純な部品の手順
抵抗器、キャパシタ（コンデンサ）、インダクタ、トランジスタやダイオードなどの小型半導体デバイスのような単純な表面実装部品は、基板への取り付けが容易だ。これらの部品の取り付け手順を見ていこう。
図B-1: （1）対象部品のランドの一つにはんだを少量塗布する。この例では対象部品はC25。（2）はんだを盛ったあとの状態。（3）ピンセットで部品を位置合わせし、最初に盛ったはんだが部品のリードに流れるまではんだごてで熱を加える。（4）残りの部品のランドをはんだ付けする。
まず、部品のランドの一つにはんだを盛り、ピンセットを使って部品をランドの上に置いて位置合わせする。部品の配置に問題がないと判断したら、盛ったはんだが溶けて部品がランドの上に沈み込むまで熱を加える。アライメントを微調整しながら熱を加え続ける。熱を離してはんだが冷えて固まるのを待つ。部品のアライメントを再確認してから、残りの部品の接点を基板にはんだ付けする。最初のはんだ付け部が鈍く見えたり弱そうに見えたりする場合は、他のピンをすべてはんだ付けした後で、少量のはんだを加えながら再加熱する（図B-1参照）。この手順は2〜3ピンの部品や、50mil(1.27mm)ピッチのSOICパッケージデバイスのような広いピッチのマルチピン部品に有効だ。
これらの部品をはんだ付けする際に最も難しい状況は、部品のリードの一つ以上が電源プレーンのような広い銅面に接続されている場合だ。このような場合、はんだが基板のランドに濡れて密着するまでに多大な熱を加える必要がある。はんだが酸化して丸い塊になり基板との電気的接触が悪くなることがあるので注意しよう。これが起きたら、フラックスを少量追加して溶けたはんだの濡れ性を高めよう。
TIP
「乾いた」はんだごての先端は、大きな銅箔や電源プレーンに接続されたランドを加熱するのに苦労する。はんだごてからの熱伝達率を上げるひとつの方法は、ごての先端に溶けたはんだの塊を乗せた状態で基板に触れることだ。この塊が広がって基板を局所的に加熱し、より効果的に熱を伝達する良好な熱接触を確立する。これにより、さらにはんだを加えたときによりきれいなはんだ付けができる。
複雑な部品の手順
今日、ほとんどのIC部品は何らかの細ピッチ表面実装パッケージになっている。このようなパッケージは最初は敷居が高く感じるかもしれないが、いくつかの簡単な手順とコツを少し練習するだけで、高い確信を持ってこれらのパーツを取り付けられるようになる。細ピッチ表面実装部品の取り付けプロセスは単純な表面実装部品の取り付けに非常に似ており、典型的な中程度のサイズの表面実装パッケージなら数分以内に完了するはずだ。
最初のステップは、チップの2つの対角にある各1ピンをはんだ付けして基板にチップを仮固定することだ。最初の試みでアライメントが正しくない場合は、2つのコーナーのうち1つを加熱しながらチップを希望する方向に押すだけで簡単に修正できる（図B-2参照）。このアライメントの精度には十分注意すること——位置ずれしたチップはチップのはんだ付けに際して際限のない苦労を招く。
図B-2: まず、チップの対角にある2つのコーナーにそれぞれ1ピンをはんだ付けする。この図の矢印はこの例で使用するコーナーを示している。
次のステップは、チップの周りに薄いはんだフラックスの膜を塗布することだ。これにより、チップのピンへのはんだの濡れ性が高まり、ショートを引き起こすリード間ではなく部品のランドにはんだが引き込まれる（図B-3参照）。
TIP
基板レイアウトの際には、細ピッチ表面実装部品のランドを少し長めに設計すること。ランドを長くすることで手はんだ付けが楽になるが、配線のルーティングが少し難しくなり基板サイズが若干大きくなる。余分なランドの長さがチップのリードから余分なはんだを引き込んで逃がす役割を果たし、はんだブリッジが発生しにくくなる。
すべてのリードにはんだフラックスが均一に塗布されたら、はんだごての先端に少量のはんだを乗せ、それをはんだ付けされていないリードに押し当てる。はんだが部品のリードの下や周りの空間に浸透していく。すべてのリードにはんだが塗布されるまでこの作業を繰り返す。この時点で過剰なはんだが複数のピンをブリッジしていても気にしないこと。すべてのピンのはんだ付けが終わったら、銅のはんだ吸い取り線（ソルダーウィック）を使って、図B-4に示すようにはんだブリッジを除去する。
図B-3: チップ周りのピンに薄いはんだフラックスの膜を塗布する。この図では、フラックスの容器に何度もつけた端切れワイヤを使ってペーストフラックスを塗布している。
ほぼ完成だ。最後に、すべてのピンがしっかりとはんだ付けされていることを確認する。顕微鏡なしに目視でこの検査を行うのは難しい。代わりに、ニードルまたはピンセットの先端でピンを引っ張り、図B-5に示すようにしっかりとした一定の力でピンに沿ってピンセットを動かす。はんだ付けされていないピンは少し動く。動いた場合は、ピンを元の位置に押し戻し、そのピンに少量のはんだを加えて修復する。
CAUTION
基板のはんだ付けが終わったら、必ず電源ショートを確認すること。はんだブリッジの中には顕微鏡的な樹枝状構造のものや、チップの下のピンの裏側に形成されるものがある。マルチメータを抵抗測定モードに設定して電源ショートを確認する。導通チェックモードは使わないこと——大型高速コンピュータ基板では電源レール間に数オームという低抵抗があることが多く、多くの導通チェッカーで短絡として検出されるほど低い場合がある。また、電源ライン間の抵抗を測定する際には、測定値が安定するまで1〜2秒待つこと。基板の電源ラインに載っている大型キャパシタが充電される間、電源レール間の初期抵抗は非常に低くなる。
部品がはんだ付けされたら、イソプロピルアルコールなどの穏やかな（低刺激性の）溶剤をつけた綿棒で余分なフラックスを洗浄する（図B-6参照）。洗浄は目視検査を容易にするためだけでなく、デバッグ中のチップピンのプロービングも容易にするため重要だ。また、多くのフラックスは時間とともに硬化して汚染物質を閉じ込め、将来の修理の妨げになるためでもある。
図B-4: （1）少量のはんだを熱いごての先端に溶かし込む。（2）このはんだを部品のピンに転写する。すべてのピンがはんだ付けされるまで（1）と（2）を繰り返す。（3）矢印で示したはんだブリッジが多くのピンに形成されている。（4）銅のはんだ吸い取り線を使ってはんだブリッジを除去する。
図B-5: ピンセットまたはニードルを使って、しっかりとした一定の力でチップの側面に沿ってピンをなぞる。しっかりはんだ付けされていないピンは少し曲がる。矢印は動作方向を示している。
図B-6: 穏やかな溶剤に浸した綿棒でフラックスの残留物を洗浄する。
部品の取り外し手順
表面実装部品の取り外し技術は多数あり、その多くはピンセット型はんだごてやホットエアガンなどの特殊ツールを必要とする。ピンセット型はんだごては、特に基板が密集してパッケージされている場合に、小型の表面実装部品の取り外しに適している。かなり素早く効率的で、適切なピンセット型はんだごてを使えば部品のピンを比較的良好な状態で保てる。しかし、かなり高価で、チップを取り外す際の適切なタイミングと圧力を把握するには練習が必要だ。
より簡単で安価な解決策は、リノリウムの床タイルの除去のためにホームセンターで販売されているようなヒートガンを使うことだ。ヒートガンは基板の広い領域を加熱し、部品はリードへのダメージが最小限でランドから浮き上がってくる。この技術の欠点は、あまり精密ではないため、再使用する予定の基板からチップを取り外すには理想的ではないことだ。そのため、ヒートガンは壊れた基板から良いチップをサルベージ（回収）するのに最も効果的だ。ヒートガンを使うもうひとつの問題は、熱が基板を反らせたり、パッケージ内に水分を吸収したチップに破壊的な故障を引き起こしたりすることだ。「ポップコーン現象」と呼ばれるこの故障モードは、チップ内部に閉じ込められた水分が沸騰しても逃げ場がなく、圧力が積み上がって最終的に破壊的な放出として終わるときに起こる。湿った環境で動作していた、または水で洗浄した基板やチップは、ヒートガンではんだ取り外しをする前に200〜250°F（約93〜121℃）のオーブンで数時間焼いておくべきだ。
はんだを再合金化してはんだが非常に低い温度（300°F＝約149℃以下）で溶けるようにするという、特にホビイストにとって魅力的なオプションもある。Chip Quik（http://www.chipquikinc.com）がこの技術の特許を持っており、除去キットはJameco（注文番号141305）を含む多くの販売業者から購入できる。この技術は特別な機器が不要で、図B-7に示すように簡単で安全なため魅力的だ。
まず、チップのピンにはんだフラックスを塗布し、取り外す部品のピンにチップ除去合金を溶かし込む。これにより、チップの周り全体に低融点合金の大きなビードが形成される。次に、はんだごての先端を合金のビードに沿って引きずるようにして合金全体を加熱する。チップと合金に蓄えられた熱がチップ全体を十分長い時間溶融状態に保ち、チップをランドから簡単にスライドさせて外せる。最後に、はんだごてで加熱して綿棒で拭き取ることで、基板とチップの両方から低融点合金を洗浄する。合金は基板とチップの両方からかなり簡単に拭き取れる。
この再合金化技術は取り外したチップのピンの完全性と基板のランドを保護する。欠点は、合金の洗浄が少し面倒で、隣接するチップのピンの間に合金の微粒子が詰まることがある点だ（洗浄時に注意することでこの問題は防げる）。もうひとつの欠点は、チップを取り外すたびに除去合金を消費するため、多数のチップをこの合金で取り外すと長期的にコストがかかることだ。幸い、チップの取り外しはほとんどの趣味家にとってかなりまれな作業だ。
「ボールグリッドアレイ（BGA）」パッケージは、高い電気的性能と高密度のため普及が進んでいる表面実装パッケージの一種だ。このパッケージは、パッケージの下の大きなはんだボールアレイを通して基板に取り付けられる。明らかに、この種のパッケージは従来のはんだごてではんだ付けできない。さらに、BGAパッケージはほとんどのはんだ接合部がパッケージの下深くに埋もれているため検査が非常に難しい。これらの部品を取り付ける唯一の実用的な方法は、すべてのはんだボールが溶けるまで基板と部品全体を加熱するオーブンを使うことだ。通常、これらのBGAパッケージの位置合わせは何らかの機械の助けを借りて行われ、BGAパッケージの検査はX線または超音波イメージングで行われる。
これらの種類のパッケージを取り付けるのに必要な設備は非常に高価なので、ホビイストがBGAパッケージデバイスを取り付ける最良の方法は、専門の組み立て会社に依頼することだ。Naprotek（http://www.naprotek.com）のようなクイックターン少量生産のプロトタイピングを専門とする会社は、BGAパッケージデバイスの取り付けをかなり合理的な料金で行ってくれる。BGAを取り付けてもらうときは、必ず部品の検査写真のコピーを要求すること——写真による安心感は追加コストに値する。BGAパーツの取り外しやBGAリボールも可能だが、このプロセスは取り付けよりかなり高くつくことがある。
図B-7: はんだを再合金化してチップを取り外す。（このプロセスを始める前にチップのピンにはんだフラックスを塗布すること。）（1）再合金化化合物をチップのすべてのピンに溶かし込む。再合金化化合物はワイヤ状になっている。（2）はんだごての先端を金属のビードに沿って引きずるようにして、チップ周りの金属の塊を加熱する。再合金化されたはんだすべてが溶融状態になったら、チップをランドから押してスライドさせられる。（3）加熱して綿棒で拭き取ることで、基板とチップの両方から再合金化化合物を洗浄する。（4）結果：きれいなチップの取り外し。
*著者*: Andrew "bunnie" Huang | *出版*: No Starch Press
*日本語訳・レビュー*: ニコ技深圳コミュニティ / 高須正和（@tks） — [https://takasumasakazu.net](https://takasumasakazu.net) — CC BY-NC-SA 1.0
*注記*: 本翻訳は、原著の Creative Commons ライセンス条件に従って公開する翻訳コントリビューションであり、著者 bunnie からも歓迎のコメントをいただいています。出版社による公式日本語版ではありません。