錫はんだと鉛はんだ：どちらを使用するべきですか?

エレクトロニクス製造業界では、有鉛はんだと無鉛はんだの間の議論が 20 年近く続いており、率直に言って、状況は複雑になるどころか、ますます複雑になってきています。{0} Sn63/Pb37 共晶はんだ-正確に 183 度で溶ける-は、環境規制によって大規模な変化が余儀なくされるまで、1 世紀の大部分にわたって業界を支配していました。今日、SAC 合金 (錫-銀-銅) は家庭用電化製品のデフォルトとなっていますが、有鉛はんだは静かに死ぬことを拒否します。冶金学的違い、規制状況、実際的なトレードオフを理解することは、もはや必須ではありません。-生産ラインを運営している場合でも、子供の壊れたおもちゃを修理している場合でも、PCB を扱うすべての人にとって、これは不可欠です。

誰も話したくない化学

ほとんどの記事で無視されているはんだ中の鉛についての事柄は次のとおりです。それは偶然に存在したわけではありません。鉛は融点を劇的に下げます。純錫は232度で溶けます。 37% の鉛を追加すると、突然 183 度になります。これは小さな違いではありません。-それが、リフローで生き残るコンポーネントと、死に至るコンポーネントの違いです。

共晶点は人々が思っている以上に重要です。正確に 63/37 の錫-鉛比で、合金は固体から液体に瞬時に変化します。ペースト状の範囲はありません。はんだが半分-溶けていて、半分が-固まっている状態でも不思議ではありません。{6}クリーンで予測可能な動作だけです。

SAC305 (錫96.5%、銀3%、銅0.5%)? 217-220 度で溶けます。そして、真の共晶は存在せず、-常に小さなペースト状の範囲が存在します。熱に敏感なコンポーネントを扱うか、隣接する部品を破壊することなく基板を再加工しようとするまでは、些細なことのように思えます。

鉛フリー化が起こった理由（そしてそれが複雑な理由）

RoHS。それが簡単な答えです。

欧州連合の有害物質制限指令は 2006 年 7 月 1 日に発効しましたが、エレクトロニクス業界はかつてないほど変化しています。最大許容鉛濃度: 均質材料中 1000 ppm (0.1 重量%)。日本にも同様の基準がありましたが、日本ではさらに厳しい 500 ppm でした。

しかし、ここからが興味深いところです。この指令には例外も含まれています。高信頼性の-アプリケーション-サーバー、ネットワーク インフラストラクチャ、医療機器、航空宇宙、軍事-では、引き続き有鉛はんだを使用できます。なぜ？なぜなら、錫のウィスカーが原因でペースメーカーが故障することを誰も望んでいなかったからです。航空機のアビオニクスが 30,000 フィートでコールド ジョイントを開発することを誰も望んでいませんでした。

免除もどんどん延長されています。つい最近 2025 年に、EU は高温はんだ（鉛含有量 85% 以上）の鉛免除を 2027 年まで延長しました。正式な理由は?{2}} 「代役はまだ十分に信頼できていない。」ほぼ20年後。それを理解しましょう。

おねしょ。それはすべておねしょについてです。

私は経験豊富な技術者が鉛フリーはんだで苦労しているのを何年も見てきました。{0}}彼らのフラストレーションのほとんどは、濡れという 1 つの特性に起因しています。

有鉛はんだが流れます。それは熱した鍋の上に水のように銅全体に広がります。接触角が低く、表面張力が有利に働き、接合部がほぼ自然に形成されます。実際にその様子を見ることができます。-はんだが熱に向かって引っ張られ、リードに巻きつき、ビアを埋めます。

鉛は-含まれていませんか？それはそこに座っています。頑固に。それをなだめなければなりません。フラックスはより強力に作用し、より速く燃焼し、酸化により接合部が破壊されるまでの期間が狭くなります。接触角が高いということは、はんだボールが広がるのではなく、上に上がることを意味します。

これは主観的なものではありません。同等の温度における SAC 合金の濡れ時間は、Sn63/Pb37 よりもかなり長くなります。一部のメーカーは、自社のフラックス配合によりギャップが埋まったと主張しています。彼らはほとんどが嘘をついているか、少なくとも誇張しています。

誰も解決できなかった温度問題

摂氏 34 度。-

これは、共晶錫-鉛の融点（183 度）と SAC305（217 度）の違いです。リフロー炉で何が起こるかを考えてみないと、大したことのように思えません。

リード付きアセンブリのピークリフロー温度: 225-235 度。鉛フリーの場合: 255 ～ 265 度。コンポーネントは高温で長時間浸漬されます。ボードの歪みが大きくなりました。プラスチックのパッケージ内に閉じ込められた湿気は、より多くのエネルギーを蒸発させてポップコーンを引き起こします。金属間化合物の成長が加速します。

そしてマージンは縮小します。鉛入りはんだの場合、溶けてから損傷するまでのヘッドルームは約 40- 度あります。鉛フリーでは、その範囲は 25 ～ 30 度に狭まります。プロセス管理が重要になります。リフロー プロファイルを完全に調整する必要があります。そうしないと、基板を廃棄することになります。

生産ラインが鉛フリーに切り替わり、欠陥率が一夜にして 3 倍になったのを目にしました。{0}誰かが何か悪いことをしたわけではありません-プロセスの枠がそれだけ厳しくなっただけです。

ティン・ウィスカーズ: マシンの中のゴースト

 

 

本当に恐ろしいので、これは別のセクションに値します。

錫ウィスカーは、純粋な錫の表面から自然に成長する結晶構造です。それらは薄く、-直径がわずか 1 ～ 2 ミクロンの場合もあります-。長さは数ミリメートルに達する場合もあります。ショートの原因となります。彼らは人工衛星を落としたのです。彼らは原子力発電所の制御システムを無効にしました。これは仮説ではありません。文書化された事例があります。

鉛はウィスカーの形成を防ぎます。たとえ 3% 程度の少量であっても、-ひげの成長は劇的に減少します。-そのメカニズムは完全には理解されていませんが、経験的証拠は圧倒的です。

鉛フリーはんだには、錫の含有量が高くなります。{0}鉛フリーの表​​面仕上げ（純錫メッキなど）は、基本的にウィスカーファームが起こるのを待っている状態です。業界の反応は？コンフォーマルコーティング。慎重なストレス管理。最善を願っています。

メーカーによっては、ウィスカーを抑制するためにビスマスなどの元素を添加している場合があります。結果はまちまちです。問題は解決されていません-なんとかなりました。

はんだ付け中に実際に何が起こるか

今 3 ～ 5 秒

接合部がざらざらしていて、少しくすんでいるように見えます（これは鉛フリーでは正常ですが、有鉛のトレーニングを受けた人にとってはそれでも異常に見えます）。{0}

おそらく許容範囲、おそらくやり直し

触覚のフィードバックも異なります。鉛入りはんだは、固体から液体にスナップする満足のいく方法を備えています。鉛フリー-は、よりどろどろで、定義が薄れます。経験者が調整します。初心者は苦戦します。

健康に関すること（いつも誰かが尋ねるので）

はい、鉛は有毒です。そこには議論の余地はありません。

慢性的な鉛への曝露は、子供に神経障害、腎臓の問題、生殖の問題、発育遅延を引き起こします。血中鉛濃度が 5 µg/dL を超えると、CDC 基準により上昇していると見なされます。職業上の暴露制限には正当な理由が存在します。

ただし、-これが重要です-主な暴露経路は皮膚との接触ではありません。摂取ですよ。はんだ付け後は手を洗ってください。作業台で食事をしないでください。基本的な衛生管理により、ほとんどのリスクが排除されます。

はんだ付けするときに発生する煙?それは鉛蒸気ではなくフラックスが燃えているのです。鉛の沸点は1749度です。はんだごてが近づいていません。一部の酸化鉛が形成されて空気中に浮遊する可能性がありますが、一般的なはんだ付け温度では濃度は低くなります。

適切な換気が重要です。ヒューム抽出器が役に立ちます。しかし、有鉛はんだに関する恐怖は、趣味で使用する場合にはやや誇張されています。継続的に暴露され、管理が不十分な工業環境の場合は別の話になります。

鉛フリーでも、-リスクがゼロではありません。-ロジンフラックスフュームは、一部の人に呼吸器感作性を引き起こします。はんだ付け温度が高いほど、フラックスの分解生成物が多くなります。 「より安全な」代替案には独自の問題があります。

信頼性: 不都合な真実

これは、鉛フリーの推進者が宣伝していないことです。一部の SAC 合金は、特定の信頼性指標において実際に錫鉛を上回っています。{0}{1}

サーマルサイクリング？ SAC305 は多くの場合、優れた耐疲労性を示します。高温での動作ですか?-鉛フリー-の方が耐久性が優れています。耐クリープ性?一般に SAC 合金の方が優れています。

しかし。

落下衝撃性能は？有鉛はんだの勝ちです。ジョイントの延性が向上し、脆性破壊が起こりにくくなります。耐振動性？リードもした。寒い環境ですか？鉛フリーはんだは、0 度以下ではますます脆くなります。-合金ではまれですが、錫が 13 度以下で別の結晶構造に変化する「錫ペスト」と呼ばれる現象さえあります。

本当の答えは、信頼性はアプリケーションに依存するということです。どちらが一般的に「優れている」というわけではありません。そうでないと言う人は、何かを売っているのです。

コストの内訳

これについては誰も十分に語っていません。

SAC 合金の原材料コストは錫鉛の 2-3 倍です。シルバーって安くないですよ。溶融はんだのポットを維持するウェーブはんだ付け作業の場合、この作業は急速に増加します。

しかし、それはあくまで直接的な材料です。以下を考慮します:

• より高い定格のコンポーネント（鉛フリーのリフロー温度に対応できないものもあります）-
• 高温プロセスによるエネルギーコストの増加{0}}
• チップ交換の頻度が高くなります（鉛フリー-により鉄の消耗が早くなります）
• 厳格なプロセス管理
• やり直し率が高い

ある研究では、一般的な SMT ラインの鉛フリー化により総コストが 5-15% 増加すると推定されています。走行距離は異なりますが、決して無料ではありません。

では、どれを使用すべきでしょうか?

完全にコンテキストに依存します。

最終的な考え（ある意味）

業界が鉛フリー化に移行したのは、{0}技術的に優れているからではなく{1}、ほとんどの点でそうではない-が、環境規制によって鉛フリー化が求められているためです。それはいいです。環境保護は重要です。しかし、移行に痛みがなかったとか、鉛フリーはんだの方が電子機器にとって客観的に「優れている」などというふりはやめましょう。{6}}

20年が経った今でも、私たちは依然として錫ウィスカのリスクに対処しており、重要な用途には依然として免除を適用しており、制御が難しいプロセスに対してはより多くの費用を支払っています。次世代のエンジニアは鉛入りはんだには決して触れないかもしれませんが、おそらく彼らにとっては問題ありません。彼らは自分に何が欠けているのか分からないでしょう。

その他の皆様へ: アプリケーションにとって意味のあるものを使用してください。適用される規制に従ってください。これは簡単だと言う人を信じないでください。そんなことは決してなかった。