鉛

Nov 14, 2023

鉛フリーはんだ合金は、人々がはんだ付けを行っていた頃から存在しており、その起源は約 5,000 年前に遡ります。 これらの合金のほとんどは銅と銀、または銀と金のような組み合わせで、いわゆるハードハンダ付けで使用されていました。 これは、貴金属と半貴金属を接合するために今日でも使用されている技術です。 より最近の開発は、はるかに低い温度を必要とする「ソフトはんだ付け」を使用して電子部品をはんだ付けすることです。

初期のソフトはんだ付けでは純錫 (Sn) が使用されていましたが、徐々に、熱サイクル、耐衝撃性、電子移動、錫ベースの合金におけるウィスカーの発生などの問題を解決する合金が模索されました。 ほとんどのはんだ付け用途では鉛 (Pb) がこの役割を果たすことができましたが、製品からの鉛の段階的廃止、およびますますファインピッチ化された部品に対する新たな要件により、この役割を果たすことができる新しいはんだ合金の開発が必要になっています。

この記事では、趣味用と工業用の両方で一般的に使用される鉛フリーはんだの種類と、その特性を改善するために使用されるドーパントについて説明します。

スズ (Sn) が軟はんだやはんだ合金によく使用されるのには十分な理由があります。スズ (Sn) は低温 (232°C) で溶け、優れた濡れ性 (パッド上を流れる能力) 特性に加えて、ほとんどの金属によく溶けます。 この最後の特性は、良好な金属間化合物 (IMC) を形成するために重要です。 この IMC 境界の品質によって、ジョイントの耐久性が決まります。 IMC 内の空隙の粒度と数 (およびサイズ) の両方が、この耐久性に影響します。

最も一般的に使用される鉛フリーはんだの 2 種類は、SnAgCu (錫-銀-銅、SAC とも呼ばれる) と SnCu (錫-銅) です。 3% の銀と 0.5% の銅を含む SnAgCu 合金 (SAC305) は、他の多くの SAC 合金とともに、SMT アセンブリでの使用が当初承認されました。 これらの他の合金は、SAC387 (Ag 3.8%) や SAC405 (Ag 4%) など、銀の含有量が高いタイプです。 これらの高銀合金は真の共晶合金であり、融点 217°C で固体から液体に完全に変化します。 対照的に、SAC305 の範囲は 217 ～ 219°C です。

SAC は許容可能なはんだ合金ですが、銀を添加するとコストが上昇します。 このため、業界は低銀合金 (SAC0307 など) や SnCuNi などの銀を含まない代替品を使用するようになりました。

信頼性の高い接合の鍵は、強制的に取り付けられる IMC の品質にあります。 厚すぎたり、粒度が高すぎたりすることはできず、カーケンダル空隙が存在しないことが好ましい。

各関節の IMC は、さまざまな種類の経年劣化や損傷を受けます。

これらのうち、熱サイクルと熱衝撃は、両方とも環境温度によって引き起こされるという点で関連しています。 接合部が温度変化にさらされると、その個々のコンポーネントは熱膨張の影響を受けますが、これは異なる材料間で異なる可能性があります。 接合部の引張強さによって、どの時点でひずみが生じて亀裂が発生するかが決まります。

通常、熱サイクル下では、IMC は再結晶化を受け、これにより IMC が粗くなり、亀裂の形成が可能になります。 研究では、La2O3 ナノ粒子を添加すると、主に IMC の成長が抑制されることで熱信頼性が向上することが示されています。 高銀合金は、より優れた熱信頼性も示します。 低銀合金への 0.1% アルミニウム (Al) の添加も、SnAgCu 合金への Ni、Mn、Bi の添加と同様に、そのような効果をもたらしました。

落下衝撃と振動も同様に関連しており、ある種の機械的変形が加えられ、PCB、接合部、コンポーネントに影響を与える可能性があります。 特にピン数の多い BGA チップの場合、落下衝撃により重大な損傷が生じる可能性があり、接合部のせん断強度などの特性がテストされます。 機械的振動による故障モードは、亀裂が徐々に進行することによって引き起こされる熱サイクルによる故障モードに似ています。

最後に、エレクトロマイグレーションは外部からの影響を必要としないため、最も危険です。 エレクトロマイグレーションの最終的な影響は、電子と拡散する金属原子によって運動量が伝達されるため、イオンが徐々に移動することによって引き起こされる、接合部および IMC 内の材料の輸送です。 アノードとカソードの間の接合部内の電流により、空洞が形成されます。 時間の経過とともに、これらの空隙は十分に大きくなり、最終的には接合部が破損するまで接合部と IMC に亀裂が生じる可能性があります。 温度と電流が高くなると、このプロセスは加速します。

エレクトロマイグレーションの防止には、温度と電流密度の調整に加え、はんだ接合部の組成と構造を微調整してエレクトロマイグレーション耐性を高めることが含まれます。 コボルト (Co) の添加は、ニッケル (Ni) およびビスマス (Bi) の添加と同様にエレクトロマイグレーション耐性を向上させることが示されており、後者は合金の融点も低下させます。 どちらも、重要な要素であると思われる IMC の成長を阻害することでエレクトロマイグレーション耐性を向上させるようです。

70 年代、80 年代、そして 90 年代の大部分では、事実上すべてのはんだ付けは比較的大きなパッド上で行われていました。 すべてではないにしても、ほとんどが DIP パッケージなどを使用したスルーホールはんだ付けに関係します。 表面実装はんだ付けや、SOIC、TSSOP、QFN、BGA などの小型パッケージの使用が一般的になるにつれて、パッドがますます小さくなるにつれて、IMC の強度と耐久性がより大きな問題になりました。

前に見たように、エレクトロマイグレーションは主要な問題であり、熱的および機械的回復力の問題と同様に、現在および将来的に主要な役割を果たすことになります。 これらの問題の解決策によって、デバイスの寿命の多くが決まります。また、新しいスマートフォンを落とすことが単なる迷惑になるか、メインの 0.2 mm ピッチ BGA パッケージにある 6 個の極小のはんだボールが破損するかどうかも決まります。

合金としての SnCu は、銅がかなり粗くて脆い IMC を形成する傾向があるため、はんだ付けには好ましくありませんが、SnPb や SAC 合金と競合、あるいはそれを上回るマイクロ合金のバリエーションが 90 年代から存在しています。 SnCuNiGeであるSN100Cを開発しました。 残念なことに、この合金はごく最近まで特許によって妨げられていました。 融点は 227°C で、0.05% の Ni が銅パッドの侵食を抑えながら光沢のある接合を促進します。 0.009% の Ge は濡れを促進し、ドロスの形成を防ぎます。

この共晶合金は SnCuAg 合金よりも安価であり、再加工などにより優れた特性を備えているため、専門家と愛好家の両方にとって興味深い選択肢であるようです。 特許の有効期限が切れたため（「SN100C」はまだ商標登録されている）、Stanol や Felder (Sn100Ni+) を含む多くのメーカーがこの合金をカタログに追加し、入手がはるかに容易になりました。

はんだ合金の中核には材料科学の領域があり、それは定義上、妥協の 1 つです。 ある領域ではある品質を向上させ、別の領域ではある品質を低下させます。 これは、マイクロアロイを使用して IMC の機械的安定性を向上させ、その結果エレクトロマイグレーション耐性が悪化するなどの結果を見るとわかります。

時々、63/37 SnPb はんだを使用した完璧なはんだ合金を発見したと主張されることがありますが、エレクトロニクスがますます小型化し、柔らかいはんだ合金の研究が進むにつれて、以前の問題ではなかった多くの要件が出現していることがわかります。 1990 年代ではありましたが、現在では新しい知識を適用して問題を解決できるようになりました。 このテーマと今日に関する 2005 年の科学論文を読むと、私たちがすでにどれほど遠くまで到達しているかがわかります。

錫の最も厄介な特性の 1 つである錫ウィスカーは、依然として完全に解決することが最も難しいものの 1 つです。 鉛 (Pb) は錫ウィスカーの発生と成長を阻害しましたが、完全な解決策ではありませんでした。 現時点では、SnCuNiGe のような合金は、この点で同等の性能を提供しているようであり、ドロップイン ソリューションとして推奨されています。

熱サイクルや収縮し続けるはんだ接合部のせん断強度などが問題になっているため、PCB の組み立てに使用する合金の精製は取り組む価値があります。 500 個を超えるリード BGA パッケージの組み立てと、10 年以上の日常使用におけるその信頼性をほぼ確実なものにすることができれば、リサイクルが必要な電子廃棄物や埋め立て地に送られる電子廃棄物が減少することを意味します。

同様に、愛好家にとって使いやすく、より信頼性の高い合金の開発も話題になりつつあります。 愛好家はもはや、単に 2 つの 74 シリーズ DIP IC をスルーホール ボードに詰め込むだけではありません。 QFN、TSSOP、および同様のパッケージが使用されていることがよく見られます。 新しい合金の濡れ性の改善と架橋可能性の減少により、すべての人の生活がより良くなるはずです。