技術の進化: アイバー・アンダーソンがエレクトロニクスのはんだからリードを獲得

Dec 21, 2023

アイバー・アンダーソン、発明家。 米国発明家殿堂の Web サイトより。

はんだ付けとは、低融点のフィラー金属を溶かし、接合部に液体金属を注ぐことによって 2 つの物品を接合するプロセスであり、電子機器の製造から配管パイプの設置に至るまで、今日の多くの重要な金属加工プロセスで使用されています。 しかし、原始的なはんだ付け技術の証拠は、数千年前に遡り、古代メソポタミアの遺跡にまで遡ります。

長い間、さまざまな業界で使用されているはんだ付けプロセスの多くは、スズ鉛ベースのはんだの使用に依存していましたが、その健康と環境への影響により、1986 年の安全な飲料水法のような法律が可決されました。 鉛ベースのはんだは水道に浸出する鉛の主な原因であり、そのようなはんだやパイプはミシガン州フリントの飲料水中の高濃度の鉛などの健康危機の一因となっている。 人体内の高レベルの鉛は、成人の高血圧や腎臓障害だけでなく、子供の発達上の問題を引き起こす可能性があります。

先週の日曜日、6月18日は、エレクトロニクス製造やその他の産業で優れた用途が見出されている非鉛ベースのはんだを保護する重要な特許の発行から21周年でした。 その発明者で教授、冶金学者のアイバー・アンダーソン氏は、2017 年に全米発明家殿堂入りを果たした一人です。 現在、世界中で製造されている電子製品の 70% にアンダーソンの鉛フリーはんだが使用されています。 2013年に期限切れとなったこの特許のロイヤルティは5,800万ドルを超えており、アンダーソン氏が発明の研究開発を完了した施設であるエイムズ研究所とアイオワ州立大学の歴史の中で最も価値のある特許となっている。

エレクトロニクスの世界では、はんだ付けは、電流を流してデバイスの電子機能を発揮できるように、デバイス内の多数の小さな電子部品を接合する重要なステップです。 回路ははんだを使用しないブレッドボード上に作成できますが、はんだを使用しないと数日で回路が劣化してしまいます。 はんだ付けは配管用途でパイプを接合するためにも使用されますが、使用されるはんだの種類は異なります。 エレクトロニクス用途に使用されるはんだは、配管用はんだよりもはるかに小さいゲージであり、配管用はんだは、電子用途には腐食性が高すぎる酸性フラックス成分を使用します。

長年にわたり、エレクトロニクス用途のはんだ付けには、いくつかの理由から鉛ベースの材料が最も一般的な選択肢でした。 鉛ベースのはんだはコスト効率が高く、融点が低く、強度が高く、耐食性に優れています。 人間と環境に対する鉛の有毒な影響に関する一連の知識は 20 世紀を通して増えてきましたが、エレクトロニクス製品での鉛の使用に代わる、鉛ベースのはんだと同様の特性を持つ鉛フリーはんだはありませんでした。

1990 年代後半、米国のマイクロエレクトロニクス業界は、電子部品のはんだ付け用の鉛フリー ソリューションの開発に取り組んでいました。 1997 年にエレクトロニクス産業接続協会 (IPC) によって開発されたエレクトロニクス規格により、法律や規制の圧力に応えて、エレクトロニクス業界は鉛ベースのはんだの使用から離れる動きを始めました。 米国立標準技術研究所 (NIST) によると、業界内での鉛フリーはんだの材料データの必要性は、1999 年の半導体国際技術ロードマップでも指定されています。

国際的には、エレクトロニクス製造における鉛ベースのはんだの使用を取り巻く規制環境が、21 世紀の最初の 10 年間を通じて強化されました。 2003 年 2 月、欧州連合は鉛を含む電子製品の製造または EU へのそのような製品の出荷を禁止する法律を制定しました。 この法律は 2006 年 7 月に発効しました。日本の規制当局も 1990 年代末までにエレクトロニクス製造で使用される鉛のレベルを削減する動きを見せました。

しかし、1990 年代後半までに、アイバー アンダーソンは、約 20 年以内に業界をリードするはんだ製品となる鉛フリーはんだを開発していました。 アンダーソン氏と彼の研究チームは、錫-鉛合金の代わりに、はんだ付けに錫-銀-銅 (Sn-Ag-Cu) 合金を使用することに重点を置きました。 以前の鉛ベースのバージョンと同様に、錫-銀-銅のはんだは単一の融点を持つ純粋な金属のように動作しました。

アンダーソンの発見は、実際には、当時使用されていた錫、銀、銅の三元図で彼が見た誤りから生じました。 Sn-Ag-Cu合金の融解温度は鉛ベースの合金より30°F高かったが、それでもこれまで考えられていたよりもはるかに低く、回路や機器用の典型的な電子部品が許容できる十分な低い温度であった。 アンダーソン氏と彼のチームは、材料にニッケル、亜鉛、アルミニウムをドープすることで、はんだの機械的安定性と温度安定性の特性を改善する実験も行いました。

アンダーソンと彼のチームの研究は、1996 年 6 月 18 日に発行された、鉛フリー Sn-Ag-Cu 三元共晶はんだというタイトルの米国特許第 5527628 号の発行につながりました。約３．５〜７．７重量パーセントの銀、約１〜４重量パーセントの銅、および少なくとも約８９重量パーセントの錫を含み、はんだ強度および耐疲労性を改善する金属間化合物の形成を促進する。 この特許は、発明されたはんだが鉛ベースのはんだとコスト競争力があり、大量使用に容易に利用できることにも言及している。

この特許の使用料だけでも数千万ドルに達することから、アンダーソン氏とアイオワ大学の研究チームの研究が産業界にとって多大な価値をもたらしたことは明らかだ。 この発明は、メイヨー・コラボラティブ・サービス対プロメテウス・ラボラトリーズ事件で米国最高裁判所によって特許不適格と宣言された発明と非常に似ていると思われるという事実を考えると、これは興味深い。この裁判所は、特許は胎児を診断するための侵襲性の低い血液検査をカバーしていると裁判所が認定した。条件は自然法則を組み込んだものであるため無効であった。

鉛フリーはんだの将来の開発により、自動車エレクトロニクスやより堅牢な電子機器を含む、拡大された民生用途の性能が向上すると予想されます。 2017 年に全米発明家殿堂入りを果たした時点で、アンダーソンは 39 件の特許を保有していました。 2010 年には、知的財産分野の功績に対してアイオワ州立大学賞を受賞しました。 2015 年、アンダーソンは鉱物・金属・材料協会のフェローとして認められました。

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