現在に至るまで、はんだ付けに最適な材料は依然として錫だと考えられています。鉛フリーハンダペーストであっても主成分は錫であり、唯一の違いは鉛を含まないことです。
純錫（Sn）の融点は231.9°Cと非常に高く、一部の電子部品はそのような高温に耐えられないため、PCB（プリント基板）実装におけるはんだ付けではほとんど受け入れられません。その結果、はんだペーストの大部分を占める錫粉には、銀（Ag）、インジウム（In）、亜鉛（Zn）、アンチモン（Sb）、銅（Cu）、ビスマス（Bi）などの合金用はんだを添加する必要があります。これらの微量金属を錫粉に加えることで、はんだペーストの融点を下げることができ、省エネルギーで量産可能なPCB実装が実現します。
はんだペーストに微量金属を添加するもう一つの目的は、はんだボールの靭性や強度などの性能を向上させることにあり、それによって、はんだ付け後に機械的特性、電気的特性および熱的特性の面で完全な特性を得られるようにすることである。
さて、Sn63Pd37 が鉛入りはんだペーストの大部分を占めている理由を理解するのは難しくありません。この種のはんだペーストは、純錫よりもはるかに低い 183°C という高い融点を得ることができます。鉛フリーはんだペーストの場合、少量の SAC305 を加えると融点は 217°C まで下げることができ、少量の SCN を加えると融点は 227°C まで下げることができます。217°C であれ 227°C であれ、いずれも純錫の融点である 231.9°C より低くなります。
融点の高い2種類の金属を一定の割合で混合すると、その合金の融点は低下します。これは意外ではないでしょうか。実は、その理由は化学的な性質に起因しており、本記事では詳しく扱いません。
はんだ付けを円滑に行うために、はんだペーストに添加できる金属にはいくつかの種類があります。これらの金属の特性と機能については、以下の記事で紹介します。
・銀 (Ag)
一般的に、はんだペーストに銀を添加する目的は、はんだ付けのぬれ性を向上させ、はんだ付け強度と耐疲労性を高めることにあります。はんだペーストは、温冷サイクル試験に合格することができます。しかし、銀を過剰に添加すると（通常 4％を超える場合）、はんだボールはかえって脆くなってしまいます。
・インジウム（In）
インジウムは、おそらくスズと混合して、最も低い融点をもつ合金金属になり得る一種の金属です。52In48Sn の最低融点は 120°C まで低くなり得る一方で、77.2Sn/20In/2.8Ag の最低融点は 114°C まで低くなり得ます。ある状況では、低融点のはんだは、その優れた物理的特性とぬれ性のために良い選択肢となります。しかしながら、インジウムは世界的に非常に希少であるため、非常に高価です。その結果、インジウムが大量に応用されることはほとんどありません。
• 亜鉛 (Zn)
亜鉛はごく一般的な金属であるため、鉛と同程度の低価格で購入することができます。亜鉛錫合金の融点は純銀よりも低いものの、その差はほとんどありません。さらに、亜鉛には明らかな欠点があり、空気中の酸素と反応しやすく酸化物を生成します。この酸化物によりはんだのぬれ性が低下し、多量の錫のはねが発生したり、はんだ付けの品質が低下したりします。
・ビスマス（Bi）
ビスマスは、合金の融点を下げるうえでも非常に優れた性能を発揮します。Sn42Bi58 合金の融点は 138°C と非常に低く、Sn64Bi35Ag1 の融点もわずか 178°C です。スズ・亜鉛・ビスマスの合金の融点は、96°C まで低くすることができます。ビスマスは、濡れ性および物理的特性にも非常に優れています。鉛フリーはんだ付けが普及してから、ビスマスの需要は急激に増加しており、主に高温はんだ付けに耐えられない製品に使用されています。スズ–ビスマス合金の最大の欠点は、その脆さが高く、はんだボールの強度が不十分である点にあり、そのため強度と耐疲労性を高める目的で、少量の銀が添加されています。
・ニッケル（Ni）
はんだにニッケルを添加する目的は、融点を下げることではありません。結局のところ、ニッケル錫合金と比べて、純錫のほうが融点は低いのです。少量のニッケルを添加するのは、はんだ付け中に銅基板が溶け出すのを防ぐためです。ニッケルは特に、OSP（有機はんだ付け性保存剤）基板が銅を「侵食」するのを防ぐためにフローはんだ付けで用いられ、そのためフローはんだ付けには SnCuNi（SCN）合金を含むはんだバーが使用されます。
・銅（Cu）
はんだペーストに少量の銅を添加すると、はんだの剛性を高めることができ、その結果、はんだボールの強度を向上させることができる。さらに、少量の銅は、はんだによって引き起こされる腐食作用を低減することができる。はんだに添加する銅の量は1％未満であるべきであり、1％を超える銅ははんだ付けの品質を低下させる可能性がある。
PCB実装において、錫は依然として効果的なはんだ付けの基盤となっていますが、銀、インジウム、銅といった合金元素を添加することで、融点を下げるとともに機械的強度を高め、性能を向上させることができます。はんだペーストの配合を調整できることにより、今日の電子機器が要求する厳しい仕様に対応するうえで重要となる、迅速かつ再現性の高いPCB生産が可能になります。合金元素の役割を理解することで、はんだ付けプロセスが最適な機械的・電気的・熱的特性を発揮することが保証されます。
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