APDahlen Applications Engineer
電子部品の製造は現代技術による奇跡です。地球から原材料を取り出し、それを精製し、最終製品を製造するのは、魅力的で高度に複雑なプロセスです。低コストで、エンドユーザーが組み立てやすく、電気的にも機械的にも安定した材料を製造するために、何百万時間もの工数が費やされてきました。これは、「単純な 」抵抗器から最も複雑なマルチコアプロセッサに至るまで、すべての部品に当てはまります。
しかし、私たちの懸命な努力にもかかわらず、多くの電子部品には有限の保管期間があるという事実には変わりはありません。この簡潔な技術的な説明では、まず、図1に示されている環境条件などの制約のいくつかを探ります。ここで、変色したトランペットのマウスピースは、電子部品の目に見えない劣化の極端な例です。
図1： 抵抗器に囲まれた黒ずんだトランペットのマウスピースのコレクション。外気にさらされて、右側の2つは変色しています。
技術的なヒント： ほとんどのはんだとはんだペーストには、酸化膜を除去する有機フラックスが含まれています。これにより、はんだの「濡れ性」が増し、部品とPCB間の電気的および機械的接続が強固で信頼性の高いものになります。しかし、フラックスの酸化除去能力には限界があります。そのため、酸化の進んだ部品や変色した部品は避けなければなりません。これは、電気的な観点からは完璧な部品であっても、製造の観点からは問題となる状況です。
酸化とはんだ付け性
私は生涯を通じてトランペットを演奏してきました。図1にあるように、私と同じように、これらの楽器も経年劣化をし始めています。右側の2本のマウスピースはひどく変色しています。一方、左のマウスピースは使用していますが、まだ良好な状態です。正確な理由は分かりませんが、変色の大部分は私がアラスカ州コディアックに住んでいたときに起こりました。海水が原因かもしれませんし、私がアクティブな空港誘導路から1,000フィートも離れていないところに住んでいたからかもしれません。いずれにせよ、空気中に金属を攻撃する何かがあったのです。
電気部品にも、同じ腐食要素が常に作用しています。これは、特に、プリント回路基板（PCB）にはんだ付けされる部品の表面に当てはまります。電子部品の保管可能期間は、これらのはんだ付け可能な表面の状態によって左右されます。この記述は製造に直接関係しています。部品が、何十年もの間、電気的にも機械的にも安定していても、変色した表面は製造歩留まりを低下させる可能性があります。これは、古く変色した表面ははんだが容易になじまないためです。
技術的なヒント： メーカーが推奨する2年の期限を過ぎた未はんだ付け部品は、腐った農産物のようにすぐに期限切れになるわけではありません。部品には多額の投資が伴うため、はんだ付け性テストを実施して、部品の仕上がり具合の完全性を確認する必要があります。
保管期間を延ばす
部品のはんだ付け可能な表面の完全性は、適切な保管によって長持ちさせることができます。一般的な保管条件は以下の通りです。
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華氏50度から90度、または、摂氏10度から32度
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相対湿度25%から50%
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日光や紫外線に直接さらさない
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オゾンや硫黄化合物など、空気中の腐食性成分にさらされない
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放射能にさらされない
原則として、これらの条件を守ることで、抵抗器のような 「単純な 」部品の保管期間は2年となります。より複雑な部品に対しては、特定の推奨条件を確定するためにメーカーのデータを参照する必要があります。
技術的なヒント： 特に材料の安定性の観点から見た場合、抵抗器に単純なものはありません。特に、高温や熱サイクルに伴う物理的なストレスを考慮した場合、特に当てはまります。同時に、抵抗器は長い耐用年数にわたって化学的および電気的な完全性を保持しなければなりません。
湿度
前のセクションで示唆したように、湿度は腐食を促進します。しかし、多くの部品は吸湿性があり、容易に水分を吸収します。この内部の水分は、部品が発するポンポンという破裂音からその名がついた、破壊的なポップコーン欠陥を引き起こす可能性があります。ここでは、部品内部に閉じ込められた水分は、はんだ付けのプロセスで水蒸気へと変化しています。その結果、部品の機械的完全性が破壊され、電気的機能が失われたり、損なわれたりします。このダメージは、損傷した部品が環境による劣化を急速に受けるため、すぐに起こる場合もあれば、遅れて起こる場合もあります。
湿度に敏感な部品は、密封された防水パッケージで保護する必要があります。長期的な湿度管理のために乾燥剤を含めるべきです。図2に示されているSCSカードのような湿度インジケーターカードを同梱するべきです。
部品は、使用する準備ができるまで保護パッケージに密封しておくべきです。そして、いったん取り出したら、理想的にはその日のうちにはんだ付けを行うべきです。
技術的なヒント： 湿気に敏感な部品は、長い週末連休の間、保護せずに放置すると、はんだ付けできなくなることがあります。したがって、うまく生産計画を立ててください。
ベーキング（熱処理）による修復
湿気に敏感な部品の多くは、ベーキングプロセスを使って修復することができます。この工程では、熱を利用して部品から湿気を取り除きます。高価な部品をベーキングする前に、メーカーに相談し、制御されたプロセスで湿気が完全に除去されることを確認してください。メーカーは適切な時間と温度の条件を提示してくれるはずです。例えば、メーカーは華氏230度（摂氏110度）、24時間という推奨値を提示するかもしれません。
技術的なヒント： ベーキングプロセスは、バランスを取る作業です。前述したように、温度が高くなると腐食が加速されます。このことは長時間のベーキングを必要とする大型部品では特に問題となります。また、ベーキングを繰り返すと、部品が使用できなくなることがあります。
図2： 保護パッケージに保管された部品の露出レベルを示す湿度インジケータカード。このカードは、中央のインジケータがピンク色に変わったら部品をベーキングすることを推奨しています。
コンデンサ
コンデンサには、保管期間に関して独自の考慮事項があります。最もよく知られているのはアルミ電解コンデンサです。通常の使用条件下では、プレート上の重要な酸化皮膜は保存・維持されます。しかし、コンデンサが使用されていない場合、酸化物層は劣化します。これにより静電容量が減少し、動作電圧が低下し、漏れ電流が増加します。このため、コンデンサを取り付けた後に強制的に電圧が印加されると、問題が発生することがあります。
電解コンデンサは多くの場合、フォーミング電圧を印加することで100%動作状態に戻すことができる。これには2つの方法があります：
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コンデンサをDC電源に直接接続し、コンデンサのフル動作電圧までゆっくりと電圧を上げます。
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コンデンサを直列の電流制限抵抗を介して、DC電源に接続します。
どちらの場合も、コンデンサの電圧はゆっくりと上昇させ、酸化皮膜が再形成される時間を確保します。再形成の推奨事項については、必ずメーカーに問い合わせてください。また、大容量、高電圧のコンデンサは、深刻な感電の危険を伴うため注意してください。安全で効果的な放電対策が施された安全筐体が必要です。
このコンデンサの劣化は電子機器を設計する際に軽減されるよう考慮するべきものです。結局のところ、機器や予備品が何年も無電源状態で棚に置かれたままになっているのはよくあることで、組み立てられた電子機器の大半は、何年も無電源状態のままで放置しても、電源を入れたときに悪影響はありません。このコンデンサの特性を無視することはできませんが、妥当な安全マージンを持つコンデンサを使用すれば、大きな問題にはならないかもしれません。あなたのアプリケーションに適した安全マージンを定義することは、あなたに委ねます。
技術的なヒント： 何十年も放置されてきた真空管ラジオやステレオ機器のコンデンサを再生する、古い修理工の秘訣があります。ラインに電圧をフルに掛けるのではなく、バリアック（可変変圧器）を使って徐々に電圧をかけます。ゆっくりと電圧をかけることで、多くのコンデンサが復活します。確実ではありませんが、うまく復活することが多いです。このテクニックの利点は、コンデンサと関連する高電圧が機器の筐体内に閉じ込められるため、安全であることです。
その他
長寿命であることは設計上の重要な考慮事項です。原則として、ひとたび部品がプリント基板にはんだ付けされた後は、この記事で説明した保管期間に関する考慮は重要な問題ではありません。例えば、ある部品の保管期限をメーカーが1年と指定している場合でも、一度取り付ければその部品は10年以上動作することが期待できます。
とはいえ、電子アセンブリの製造には多くの独自の材料が使用されていることを認識しています。保管期限に注意し、必ずデバイスのデータシートを参照してください。
おわりに
製造は複雑な仕事です。電気部品の保管期間は、プロセスで考慮すべき多くの事項のうちの1つです。農産物とは異なり、電子部品には明確な有効期限がありません。部品メーカーは保守的であり、あまり長期間の保管は推奨しません。同時に、これらの部品はかなりの投資であることは分かっています。すべての部品を管理された環境で保管することで、投資を保護しましょう。湿気の多い倉庫の床に、「開封済みのリール」を箱に入れて保管することは避けてください。
この記事は、いくつかの一般的な部品に関する簡単な紹介です。扱っていない種類の部品についてご質問がある場合は、以下にコメントを残してください。また、この記事の最後にある質問に答えて、あなたの知識を試してみてください。
ご健闘をお祈りします。
APDahlen
著者について
Aaron Dahlen 氏、LCDR USCG（退役）は、DigiKeyでアプリケーションエンジニアを務めています。彼は、技術者およびエンジニアとしての27年間の軍役を通じて構築されたユニークなエレクトロニクスおよびオートメーションのベースを持っており、これは12年間（一部、軍での経験を織り交ぜて）教鞭をとったことによってさらに強化されました。ミネソタ州立大学Mankato校でMSEEの学位を取得したDahlen氏は、ABET認定EEプログラムで教鞭をとり、EETプログラムのプログラムコーディネーターを務め、軍の電子技術者にコンポーネントレベルの修理を教えてきました。彼はミネソタ州北部の自宅に戻り、このような記事のリサーチやエレクトロニクスとオートメーションに関する教育記事の執筆を楽しんでいます。
注目すべき経験
Dahlen氏は、DigiKey TechForumに積極的に貢献しています。この記事を書いている時点で、彼は150以上のユニークな記事を作成し、さらにお客様からの500もの投稿に回答を提供しています。Dahlen氏は、マイクロコントローラ、VerilogによるFPGAプログラミング、膨大な産業用制御に関する研究成果など、さまざまなトピックに関する見識を共有しています。
LinkedInでAaron Dahlenとつながります。
問題
以下問題は、記事の内容を補強するのに役立ちます。
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あなたの施設における電子部品保管の理想的な環境について説明してください。
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正/誤： 部品のはんだ付け可能な表面の腐食は、主に製造上の問題です。
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正/誤： はんだ付けされていないプリント基板自体に対する保管期間は考慮すべき事項です。
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正/誤： ポップコーン問題は、PCBにはんだ付けされてから何年も経過した部品にとって問題です。
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はんだフラックスの目的は何でしょうか？
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電解コンデンサの再形成（リフォーミング）プロセスについて説明してください。
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水分を除去するための長時間のベーキングの欠点は何でしょうか？
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ピックアンドプレース機から、半分使用済みの0805面実装LEDを取り出したところです。部品の完全性を保つために必要な手順を特定し、説明してください。
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前の問題に関して、もしその部品が休暇の間にわたって、うっかりとそのままになっているとすれば、あなたの答えはどう変わりますか？
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この記事で特定されていない部品の保管期間の制限について調べ、説明してください。
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あなたの施設で使用されている湿度表示カードを探してください。そして、そのカードと結果の解釈方法を説明してください。
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熱サイクルとは何で、それが製品寿命にどのような影響を与えるでしょうか。
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