はんだ接合部の検査において、「ウィッキング」と呼ばれる現象にはまったく異なる二つのものがあり、この二つを混同すると、誤った記事を参照したり、誤った対策を取ったり、さらに悪い場合には、本来は不良であるものが良好なサインに見えてしまうために見逃されてしまうことさえあります。 一つは、IPC-A-610 が明確に確認を求めている「ぬれ」の指標です。 もう一つは、本来柔軟であるべき箇所の導線を剛くしてしまい、現場で組立品がしばらく振動したり曲げられたりした後になって初めて現れる疲労破壊の原因を密かに仕込んでしまう不良です。 本記事で扱うのは後者、すなわち、はんだが本来の終端位置を越えて、より線や編組線のリードを這い上がっていってしまう現象についてです。
「ウィッキング」における2つの意味――そして、その区別が重要である理由
スルーホールめっきバレルでは、IPC-A-610 クラス3検査基準では、基板のセカンダリ側において、リードに沿って立ち上がるはんだの濡れ上がりを確認します。バレルが完全に満たされていてもウィッキングの痕跡がまったく見られない場合は、充填されているとは判断されますが、必ずしも十分に濡れているとは限らないため、その規格では、そこに目視できるウィッキングがあることを、健全なはんだ接合を裏付ける肯定的な証拠として扱います。
より線または撚り線の端末処理において、同じ物理現象──溶融したはんだが毛細管現象によってリード上を上昇すること──は、本来止まるべき位置を越えて進行してしまうと欠陥となります。 下の表では、この2つの状況を区別しています。どちらを検査しているかによって、合否の判定方向が反転するためです。
| コンテキスト | 「ウィッキング」が表すもの | 受け入れ |
|---|---|---|
|
PTH バレル充填（IPC-A-610 クラス 3） |
めっきスルーホール内のリードに沿ってはんだが目に見えて上昇しており、バレルが単に機械的に充填されているだけでなく、内部まで十分にぬれ広がっていることを確認できる |
望ましいもの――健全な関節であることの証拠 |
|
より線／撚り線の終端処理 |
はんだがメッキされた範囲を越えて移動し、本来は柔軟性を保つ設計となっているワイヤの部分に入り込むこと |
欠陥 — フレックス境界部に応力集中を生じさせる |
ベンチ上でこの欠陥が実際にどのように見えるか
接合部そのものは、たいてい一番つまらない部分です――見た目は光沢があり、すき間なく充填されていて、教科書どおりに正しく見えます。問題は接合部の上側、リード線に沿った部分にあります。本来はメッキされた終端部で止まるはずのはんだが、毛細管現象によってより上方へとストランド束の中を移動し続け、多くの場合、被覆スリーブの下へと入り込んでしまうため、スリーブをめくらない限り目に見えなくなります。外側からわかる唯一の手がかりは、本来しなやかさが求められる位置で、短い区間だけ明らかにリード線が硬く感じられることかもしれません――目視チェックでは見落としやすく、標準的なAOIでは検出不可能です。AOIは接合部の形状を評価するよう設計されており、その1インチ先にあるリード線の柔軟性を評価するようには作られていないからです。
なぜこれは外観上の欠陥ではなく、信頼性の欠陥なのか
屈曲するように設計されたワイヤーには、その剛直で半田付けされた端部と柔軟な配線部との間に明確な遷移点が存在します。ウィッキングが起こると、その境界が消えてしまい、本来は剛直として設計されていなかったより内側のより線束の一部が硬化してしまいます。その後のあらゆる屈曲サイクル――組み立て時のケーブル配線、産業用筐体内での振動、フィールドサービスでのコネクタの繰り返し着脱――において、曲げ応力は本来のように徐々に分散されるのではなく、硬化部と柔軟部の新たな境界に集中します。個々の素線は、その境界で繰り返しのサイクルによって加工硬化し、亀裂が生じ、ワイヤーは出荷から数週間から数か月後、ライン上で100％の機能試験に合格したずっと後になって故障する可能性があります。
根本原因
● 酸化したワイヤーやパッド表面――酸化そのものがハンダを上方へ引き上げるわけではなく、初期のぬれを妨げるため、オペレーターはぬれを無理に起こさせようとして、滞留時間を長くしたり、コテ先温度を上げたり、ハンダ量を増やしたりしてしまう。その補償的な加熱とハンダ量の増加こそが、結果的に余分な毛細管現象によるハンダの移動を引き起こす。
● 手はんだ付け、フローはんだ付け、または選択はんだ付けの際に、滞留時間が過度に長い、あるいは加熱プロファイルが過度に攻撃的であるため、本来の工程で意図されたよりも溶融はんだがストランド束のさらに奥まで上昇してしまうこと
● はんだ付け工程そのもので、はんだ量が多すぎる、またはフラックスの活性度が高すぎる場合
● 設計で想定されていたよりも多くの裸線が露出するような絶縁被覆の剥き取りにより、ウィッキングが障壁に到達するまでに、より多くの無メッキ導線上を伝わって進行してしまうこと
IPC J-STD-001 が実際に要求していること
J-STD-001 の撚り線の予備はんだ付け要件は、「熱を管理すること」といったあいまいな注意喚起ではなく、実務で使えるチェックリストとして十分に具体的である。内容としては、はんだの浸透（ウィッキング）が、設計上しなやかさを維持することが求められる線材部分にまで達してはならないこと、予備はんだされた部分自体は、はんだが内側の素線まで浸透している一方で、素線が固まりとなって融合してしまわず、個々の素線が判別できる状態であること、そして予備はんだ部内での素線同士の離れは、おおよそ素線1本分の直径を超えず、かつ線材の絶縁被覆外径を超えて広がらないこと、などが挙げられる。これらの具体的な数値を検査計画に記載する前に、必ず最新リビジョンと照合して確認すること。DFMレビューは、ファーストアーティクルの後ではなく、その前に断熱クリアランスとストレインリリーフ形状を確定するための適切なタイミングです。
なぜ検査で見落とされるのか
欠陥はしばしば絶縁スリーブの下に隠れており、そのため可視光AOIでまったく評価できる範囲外になってしまいます。これを確実に検出するには、直接目視で確認するために絶縁スリーブの一部を引き戻してサンプル検査を行うか、あるいはオフラインX線形状がそれを可能にするワイヤから端子への接合部においても同様であり――隠れたBGAやQFNの接合部にX線検査が必要となるのと同じ理屈が、別の理由でここにも当てはまります。つまり、問題は接合部がパッケージ本体の下にあるからではなく、不良が接合部そのものにはまったく存在しないからです。
この現象が産業用およびライフサイエンス用アセンブリで最も顕著に現れる場面
より線または編組線が剛体接続部に直接終端されるあらゆるアセンブリは、コネクタのピッグテール、モーターおよびセンサーのリード、ケーブルからボードへのハーネス、そしてワイヤから端子への接続部など、すべて露出していますスルーホール技術ケーブルが直接接続される基板PTHコンポーネントピンです。これは、通常の使用中にたわんだり振動したりする装置、つまり産業用オートメーションのエンクロージャー、ロボット工学、そしてケーブルが繰り返し動くテスト治具などにおいて、特に関連性の高い故障モードです。製品のサービス寿命におけるフレックスサイクル数こそが、隠れたウィッキング欠陥を実際の現場での故障返品へと変えてしまう要因になるのです。
予防および工程管理
● オペレーターの判断による加熱や時間ではなく、一定の滞留時間と温度管理されたはんだ槽またはこてを用いた管理された事前はんだ付けプロセス
● フラックスの活性度がワイヤーの表面仕上げとゲージに適合しているため、はんだ付け領域内で濡れ性が完全に確保され、過度な毛細管現象によるはんだの回り込みが生じない
● 絶縁被覆は端子部から設計で規定された距離まで残されており、フレックスゾーンとはんだ付けゾーンの間に明確な機械的バリアが設けられている
● はんだ付けを始める前から酸化を防ぐための、裸線の保管および取り扱い規律
● 検査計画の明確な一部として、サンプルベースの分解検査またはワイヤ終端部のX線検査を実施し、単に接合部の目視確認のみに頼らないこと
調達および品質チームへの要点：端子部のはんだ接合が完璧に見えても、その1インチ先のリード内部でウィッキング不良が起きていないとは限りません。最終用途のプロファイルにフレックスサイクルや振動が含まれる場合、サプライヤーに対して、はんだ接合部そのものの検査方法だけでなく、リード端末処理（ワイヤ終端部）をどのように検査しているかを明示的に確認する価値があります。両者は異なる観点で評価され、絶縁スリーブの下に隠れた欠陥は、通常の外観検査では検出されない可能性があるためです。
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