表面実装技術 (SMT) 基板アセンブリの分野では、はんだ付けは電子製品の品質、性能、信頼性に直接影響を与える重要なプロセスです。鉛入りはんだ付けと無鉛はんだ付けという 2 つの主要なタイプのはんだ付け方法が広く使用されています。私は経験豊富な SMT ボード アセンブリ サプライヤーとして、両方の技術について豊富な経験を持っており、このブログではそれらの違いについて詳しく説明します。
I. 組成と化学
- 有鉛はんだ付け
有鉛はんだは通常、錫 (Sn) と鉛 (Pb) の組み合わせで構成されます。最も一般的な合金は 63/37 はんだで、63% の錫と 37% の鉛を含みます。この合金は共晶組成を持ち、融解範囲ではなく単一の融点 (183°C) を持ちます。鉛入りはんだは融点が低いため、はんだ付けプロセスでの作業が比較的容易です。鉛は優れた濡れ特性も備えているため、はんだがスムーズに流れ、コンポーネントやプリント基板 (PCB) の金属表面によく付着します。 - 鉛フリーはんだ付け
鉛フリーはんだは、環境と健康への懸念から鉛の使用を排除するために配合されています。最も広く使用されている鉛フリーはんだ合金は Sn - Ag - Cu (SAC) で、通常は 96.5% の錫、3% の銀、0.5% の銅を含みます。他の鉛フリー合金には、Sn - Cu、Sn - Bi などが含まれます。これらの合金は、一般に、有鉛はんだと比較して融点が高くなります。たとえば、SAC 合金の溶融範囲は 217 ～ 221°C です。融点が高いと、適切なはんだ付けを確保するためにより多くのエネルギーと慎重な温度制御が必要になるため、はんだ付けプロセス中に問題が発生する可能性があります。
II.環境と健康への影響
- 有鉛はんだ付け
鉛は有毒な重金属で、人間、特に神経系、腎臓、血液に重大な健康影響を与える可能性があります。鉛入りはんだを使用する場合、製造プロセス中に鉛煙の吸入や鉛粒子の摂取などにより鉛に暴露するリスクがあります。さらに、電子製品の寿命が終わると、鉛入りはんだが環境中に浸出し、土壌や水源を汚染する可能性があります。こうした懸念から、多くの国や地域では、電子製品における鉛の使用を制限する欧州連合の有害物質使用制限（RoHS）指令など、厳しい規制が導入されています。 - 鉛フリーはんだ付け
鉛フリーはんだ付けは、より環境に優しいオプションと考えられています。はんだから鉛を排除することで、電子製品の製造段階と廃棄段階の両方で鉛汚染のリスクが軽減されます。これにより、鉛フリーはんだ付けが環境規制に準拠しやすくなり、企業が持続可能性の目標を達成できるようになります。ただし、鉛フリーはんだには銀やビスマスなどの他の金属が含まれている場合があり、環境や健康を適切に保護するためにこれらも慎重に管理する必要があります。
Ⅲ．はんだ付けプロセスと装置の要件
- 温度要件
前述したように、鉛入りはんだは融点が低いため、はんだ付けプロセスを比較的低い温度で実行できます。これは、コンポーネントと PCB へのストレスを軽減し、熱損傷のリスクを最小限に抑えるため、有益です。対照的に、鉛フリーはんだは、より高いはんだ付け温度を必要とします。これは、特に熱に敏感なコンポーネントの場合、コンポーネントが過熱しないようにするための特別なはんだ付けプロファイルと技術の使用が必要になる場合があるため、課題となる可能性があります。 - 機器の互換性
鉛フリーはんだのはんだ付け温度が高いため、はんだ付け装置の調整も必要です。たとえば、はんだごての先端やリフローオーブンは、より高い温度に到達して維持できる必要があります。ノズルやフィーダーなどのピック アンド プレース マシンのコンポーネントも、高温に耐えられる必要があります。有鉛はんだ付けと無鉛はんだ付けの両方に適したピック アンド プレース マシンの詳細については、当社の Web サイトをご覧ください。PCB用ピックアンドプレイス機そしてピックアンドプレイス機械。さらに、組み立てプロセスで使用される SMT PCB 実装機は、鉛フリーはんだのさまざまなはんだ付け特性を考慮して調整する必要がある場合があります。当社の SMT PCB 実装機の詳細については、こちらをご覧ください。SMT PCB実装機。
IV.ジョイントの品質と信頼性
- 共同外観
有鉛はんだ接合部は通常、光沢のある滑らかな外観を持っています。有鉛はんだの表面張力が低いため、明確な丸みを帯びた接合部を形成できます。対照的に、鉛フリーのはんだ接合部は、鈍く、ザラザラした外観になる場合があります。これは、鉛フリーはんだの表面張力が高く、はんだ付けプロセス中に金属間化合物が形成されるためです。ただし、接合部の外観が必ずしもその品質を示すわけではありません。 - 機械的および電気的特性
機械的特性の点では、有鉛はんだ接合は延性が優れているため、亀裂が生じることなくある程度の機械的応力に耐えることができます。一方、鉛フリーのはんだ接合は、特に高応力条件下では脆くなる傾向があります。これは、PCB が振動や衝撃を受ける可能性のあるアプリケーションにおいて課題を引き起こす可能性があります。電気的には、有鉛はんだ接合と無鉛はんだ接合の両方で良好な導電性を実現できます。ただし、鉛フリーはんだの融点が高いため、より厚い金属間層が形成され、接合部の長期的な電気的信頼性に影響を与える可能性があります。
V. コストの考慮事項
- 材料費
鉛フリーはんだは、一般に有鉛はんだよりも高価です。鉛フリーはんだに銀などの貴金属を使用すると、コストが高くなります。さらに、鉛フリーはんだの製造プロセスはより複雑になる可能性があり、コストがさらに上昇します。 - 処理コスト
鉛フリーはんだ付けに必要なはんだ付け温度が高いため、製造プロセス中のエネルギー消費が増加する可能性があります。また、はんだ付け装置の調整や特殊なはんだ付け技術の導入に関連する追加コストが発生する場合もあります。さらに、鉛フリーはんだ付けの課題により不良率が高くなる可能性があり、再加工やスクラップのコストが増加する可能性があります。
VI.市場の需要とアプリケーションの傾向
- 規制の遵守
多くの地域では、電子製品における鉛入りはんだの使用は環境規制によって制限されているか、禁止されています。その結果、鉛フリーはんだの需要は着実に増加しています。企業が国際市場に参入するには、自社の製品がこれらの規制に準拠していることを確認する必要があります。 - アプリケーション - 特定の要件
自動車産業や航空宇宙産業などの一部の産業では、有鉛はんだ接合部の高い信頼性と機械的特性が重要となる特定の用途で、依然として有鉛はんだを使用している場合があります。しかし、これらの業界も環境基準を満たすために徐々に鉛フリーはんだ付けに移行しつつあります。
結論
結論として、SMT 基板アセンブリにおける有鉛はんだ付けと無鉛はんだ付けのどちらを選択するかは、環境規制、製品要件、コストの考慮事項、技術的能力などのさまざまな要因によって決まります。 SMT 基板アセンブリのサプライヤーとして、当社は有鉛半田付けプロセスと無鉛半田付けプロセスの両方を処理する設備を備えています。当社には、お客様の特定のニーズに最適なはんだ付け方法を決定するお手伝いをできる、経験豊富なエンジニアと技術者のチームがいます。
弊社の SMT 基板組立サービスにご興味がございましたら、またははんだ付け要件についてご相談になりたい場合は、詳細なご相談をお受けいたしますので、お気軽にお問い合わせください。当社の専門家は、カスタマイズされたソリューションと高品質の製品を提供する準備ができています。
参考文献
- 『表面実装技術ハンドブック』、ジョン・H・ラウ著
- 「鉛フリーはんだ合金: 特性、加工、信頼性」、Pradeep Lall 著
