マイクロエレクトロニクス機器におけるはんだ接合部の小型化が進むにつれ、それらはより大きな機械的・電気的・熱力学的負荷に耐えることが求められ、信頼性に対する要求も高まっている。SMT（表面実装技術）、CSP（チップスケールパッケージ）、BGA（ボールグリッドアレイ）などのエレクトロニクス実装技術では、異種材料間をはんだ接合部によって電気的かつ剛性の高い機械的接続で実装する必要があり、その接続品質と信頼性が電子製品の品質と信頼性を決定する。わずか一つのはんだ接合部の故障であっても、電子製品全体の機能停止を引き起こす可能性がある。したがって、はんだ接合部の品質をいかに確保するかは、現代の電子製品にとって極めて重要な課題である。
従来のSnPbはんだにはPb（鉛）が含まれており、鉛化合物とともに非常に有毒な物質であるため、長期的に使用すると人々の生活や環境に甚大な被害をもたらす。現在に至るまで、環境保護という利点から、鉛フリーはんだが鉛入りはんだに代わりつつある。しかし、鉛フリー製造は鉛入り製造とは…PCBA（プリント基板実装）プロセスパラメータが変更されているため、PCBA における鉛はんだ付けと鉛フリーはんだ付けの製造工程を十分に把握し比較することは、環境面の配慮によって電子製品の性能や機能が損なわれないようにするうえで、非常に重要である。
鉛フリーはんだと鉛入りはんだの特性比較
・鉛フリーはんだは、鉛入りはんだよりも融点が高いという特徴があります。
a. 従来の鉛共晶はんだ（Sn37Pb）の融点は183℃です。
b.鉛フリー共晶はんだの融点(SAC387) は 217°C です。
鉛フリー共晶はんだ（SAC387）は、従来の鉛共晶はんだ（Sn37Pb）よりも融点が34℃高いという特性を持つため、その結果として次のような影響が生じる。
1).その後の温度上昇により、はんだは酸化されやすくなり、金属間に化合物が急速に成長します。
2). プラスチックパッケージ品や電解コンデンサなどの一部の部品は、他の素子よりもはんだ付け温度の影響を受けやすい傾向があります。
3).SAC合金は部品により大きなストレスを与えるため、低誘電率の部品は故障が発生しやすくなります。
4).鉛フリーはんだ対応部品のはんだ付け表面には、さまざまな種類があります。低コストであることから、はんだ中にはすずが多く用いられています。しかし、すずの表面には薄い酸化膜が生成されやすく、さらに電気めっき後には応力が生じる可能性があります。その結果、すずウィスカが発生しやすくなります。
・鉛フリーはんだは、鉛入りはんだに比べて濡れ性が劣ります。
鉛はんだと比較すると、鉛フリーはんだは明らかに濡れ性が低いという特徴があります。濡れ性が悪いと、自己補正能力、引張強度、およびせん断強度の点で要求を満たすだけの性能をはんだ接合部が発揮できなくなります。濡れ性が悪い場合、この欠点を補うための対策が講じられなければ、はんだ接合部の不良率が高くなる可能性があります。
・鉛フリーはんだと鉛入りはんだの物理的特性の比較
下表は、鉛フリーはんだと鉛入りはんだの物理的特性の違いを示しています。
|
アイテム
|
Sn37Pb
|
SAC387
|
Sn0.7Cu
|
| 密度 (g/m2) |
8.5 |
3.5 |
3.31 |
| 融点 (°C) |
183 |
２１７ |
２２７ |
| 抵抗率（MΩ・cm） |
15 |
11 |
10～15 |
| 電気伝導率（IACS） |
11.5 |
15.6 |
/ |
| CTE (×10-4) |
23.9 |
23.5 |
/ |
| 熱伝導率（W/m・K・s） |
50 |
73 |
/ |
| 表面張力 260°C（mN/m） |
４８１ |
５４８ |
491 |
| 疲労寿命 |
3 |
1 |
2 |
| せん断強度（MPa） |
23 |
27 |
20-23 |
上表に示されているように、鉛フリーは、従来の鉛入りはんだ製造と比較した場合のはんだ特性の違いにより、はんだ接合部の信頼性に悪影響を及ぼすことは避けられません。機械的影響の観点から見ると、代表的な鉛フリーはんだは鉛入りはんだよりも硬くなります。さらに、生成される表面酸化物、フラックスの汚染物質、および合金残渣は、電気的接触および接触抵抗の性能低下を招く可能性があります。したがって、電子製品の製造を鉛入りから鉛フリーへと切り替えることは、以下の理由により、電気的側面においても機械的側面においても単なる置き換えにはなりません。
a. 鉛は比較的柔らかいため、鉛フリー製造によって生成されるはんだ接合部は、鉛を用いた製造によって生成されるものよりも硬くなり、その結果、強度が高く変形が小さくなります。しかしながら、それによって鉛フリーはんだ接合部の高い信頼性が必ずしも保証されるわけではありません。
b. 鉛フリーはんだは濡れ性が悪いため、ボイド、ずれ、立ち上がり（トンブストーン）などの欠陥がより多く発生します。
鉛フリー製造に関する包括的な懸念
鉛入りはんだから鉛フリーはんだへ移行する際、最も顕著な違いは高い錫含有量（>95%Wt）にあります。その結果、まず最初に以下の問題に注目する必要があります。
・錫ウィスカーの成長
錫ウィスカは、酸化錫層の弱い部分から単結晶の錫として成長し、柱状または円筒状のフィラメントとして現れる。その損傷には次のものが含まれる。
a. 隣接するピン間でショートが発生する可能性があります。
b. 高周波数の特徴に悪影響が生じる可能性がある。
錫はんだ層には圧縮応力が存在しており、これが錫ウィスカ発生の本質的な原因とみなされている。例えば、多量の不規則な Cu6Sn5 金属間化合物が生成すると、多くの欠陥が形成され、その中には錫層への圧縮応力の蓄積、部品ピンの変形、CTE（熱膨張係数）の不整合などが含まれ、これらすべてが錫ウィスカの発生を引き起こす。高錫含有合金は錫ウィスカの発生を招き、特に純錫において顕著である。一方、Pb や Bi のような多くの金属元素を含む合金は、錫ウィスカの成長を抑制または阻害することができる。
スズウィスカーは、例えば QFP のような微細パターン部品にショートを引き起こす可能性があります。したがって、純スズは、グレードの低い製品や、寿命が 5 年未満の部品にはめっきすることができます。高信頼性製品や、寿命が 5 年を超えなければならない部品の場合には、まず 1μm 未満の厚さでニッケル層をめっきし、その上に 2～3μm の厚さでスズ層をめっきする必要があります。
・金属デンドライトの成長
金属デンドライトは、スズウィスカーとは異なる成長過程を示します。前者は電気化学におけるイオンのエレクトロマイグレーションによって生じます。金属デンドライトはショートを引き起こし、その結果として回路故障を招きます。
・CAF の生成
導電性アノードフィラメント（CAF）は、電気化学反応の結果として発生するもう一つの故障形態です。CAF は、アノードからカソードへ向かって成長する銅を含むアノード導電フィラメントによって引き起こされ、PCB 基板内部で発生します。
CAF は、アノードとカソードが接続され、両極間で短絡が発生すると、ある程度まで成長し、最終的には壊滅的な災害を引き起こす。CAF は〜にとっての災害である高密度PCB組立さらに、高温で使用される鉛フリーはんだでは、この問題がより起こりやすくなります。
・スズペスト
錫ペストは、純錫の自発的な多形相転移によって生じる。温度が13℃未満になると、純錫は白錫（密度は7.30g/cm3) 中心正方構造から灰色スズへと導かれる（密度は 5.77g/cm3）は立方晶系の中心構造をとる。理論的には、スズペストは潜在的な信頼性リスクを引き起こすが、不純物がスズに混入しているため、観察されることはほとんどない。
上述で述べた問題は、鉛フリーはんだを使用した際に起こり得る欠陥です。しかしながら、PCBA工程において先進的なはんだ付け技術を活用すれば、これらは解消することができます。
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さまざまなプロジェクトには、それぞれ異なるはんだ付け技術が必要であることを理解しています。お客様のあらゆるご要望にお応えするため、当社ではプリント基板実装において、鉛入りはんだ付けと鉛フリーはんだ付けの両方の製造技術を提供しています。
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