はんだ合金と冶金の魅力的な世界

Dec 27, 2023

はんだは、コンポーネントを貼り合わせるために使用する導電性金属接着剤です。 コンポーネントと PCB を十分に加熱し、接合部の少量のはんだを溶かすと、接合部は固定され、確実に導通します。 しかし、それは単純ではありません。

はんだ合金にはさまざまな種類があり、はんだごての先端自体もマルチマテリアルの逸品です。 この記事では、はんだ付けの背後にある冶金学を見て、はんだこて先のメンテナンスと定期的な交換がなぜ良いのかを理解します。 当然のことながら、はんだ合金中で鉛が果たす役割や、鉛フリー化の際に鉛を他の金属に置き換えることによる影響についても触れます。 何でハンダ付けしてるの？

はんだ付けと、その高温で使用されるろう付けは、金属間の接合を形成する基本的に 2 つの方法のうちの 1 つであり、2 つの金属表面間に比較的安定した接合を形成する低温技術の使用を可能にします。 はんだ付けは、いわゆる金属間化合物 (IMC) に基づいているため、冶金学の分野でも興味深い分野です。

溶接は、はんだ付けとは対照的です。はんだ付けでは、接合される部品の両側の金属が高温で溶け、永久に融合します。 溶接は金属片を接合する高強度で信頼性の高い方法ですが、残念ながら、過剰な熱によって部品が損傷する可能性がある繊細な電子機器にはまったく適しておらず、目的は導電性要素を溶かすというよりも「接着する」ことです。

これは、はんだ付けと IMC がトラブルの原因となり、IMC が「悪」と呼ばれる理由にもつながります。 IMC は本質的に、両側の 2 つの金属表面の一部がはんだに溶解したものであり、接合部の各側面が多かれ少なかれ安定してはんだと融合するのに十分な接合を引き起こします。 残念ながら、このような IMC は溶接接合部の安定した固体金属とは程遠いものであり、その結果、はんだ合金にどの金属が含まれているかに応じて脆くなる可能性があります。

しかし、はんだ付けで形成される IMC は十分に強力であり、その形成は、すべてのはんだ合金で錫が使用される理由の根本にあります。 錫は他の金属をよく溶かす性質があります。 実際、純粋な錫を使ってはんだ付けすることも可能ですが、以下で説明するように、ほとんどのはんだは他の金属を混合物に加えることによって改良されます。

ただし、はんだ自体は溶けません。また、はんだごての先端の構造でさえ、皮膚の下に多くの金属が隠れています。 チップ自体は複合構造で、通常は耐久性のある鉄の層でメッキされたテルル銅コアで構成され、通常「濡れやすい」とされる部分は錫で覆われ、チップの下のはんだ付け部分はクロムで覆われています。くっついてはいけません。 鉄層は、はんだ内の錫がこて先の銅を溶解するのを防ぐために追加されました。これは、以前は重大な問題でした。

鉄層は熱伝導率が低いため、耐久性の利点を失わない限り、できるだけ薄く保つ必要があります。 ただし、鉄は錆びるので、はんだから出る錫の薄い層で覆っておく必要があります。

酸化鉄が形成された場合、この蓄積を除去する方法は数多くあります。 基本的に、これには、酸化物層を物理的に除去する研磨方法、またははんだごての熱にさらされると酸を発生するチップ錫ナーの使用が含まれます。 この酸はフラックスの弱酸よりも強いので、酸化鉄も除去するはずです。 新しいはんだはこて先クリーナーに混ぜてあるので、こて先はすぐにコーティングされ、すぐに使用できます。

周囲に転がっているはんだのロールに関しては、それがどの合金であるか、その合金の正確な特性が何であるかについて、ざっと考える以上のことはめったにありません。 はんだは「有鉛」対「鉛フリー」と考えるかもしれませんが、それ以外にも知っておくべきことはたくさんあります。

ここでは鉛ベースのはんだに注目しますが、ざっと見ただけで、非常に多くの一般的な種類とその溶融温度があることがわかります。

錫と鉛の 60/40 および 63/37 の混合物は愛好家の間で最も一般的です。 これらの合金の一部の興味深い特性は、それらが共晶であることです。これは、状態図において、合金内のすべての金属が液体相と固相で一致していることを意味します。共晶はんだは単一の温度で完全に溶けます。

鉛フリー合金についても、素晴らしいリストがあります。

ここで、鉛フリー合金は確かに平均して有鉛はんだよりも融点が高く、共晶合金と非共晶合金が利用できることがわかります。

共晶合金の利点は、見栄えの良い接合部を得るのがはるかに簡単であることです。 非共晶はんだは引き続き機能しますが、結果として得られる接合部に欠陥が発生するリスクがはるかに高く、時間の経過とともに亀裂やその他の問題が発生する可能性があります。 共晶合金は、合金内のすべての金属の分子マトリックスが凝固中に同時に形成されるため、非常に規則的で機械的および電気的に安定した接合を形成する傾向があります。

具体的には、鉛ベースのはんだから鉛フリーはんだに移行する場合、次の 2 つの大きな変更があります。

Kester によるこの PDF が示すように、はんだ中の錫ははんだ接合部に結合するだけでなく、チップ自体の銅と鉄も溶解します。そのため、チップは最終的に摩耗します。 63/37 鉛ベースのはんだ用に設計されたこて先は、Sn99.3Cu0.7 や Sn95.5Ag3.8Cu0.7 などの鉛フリーはんだで使用すると、鉄めっきが錫に溶けてしまうため、寿命が短くなります。大幅に速くなります。

逆に、問題が発生する可能性もあります。 鉛フリー合金用に定格されたはんだこて先を鉛ベースの合金と問題なく使用することはできますが、その後そのこて先を鉛フリーはんだ付けに使用することは決して得策ではありません。 微量の鉛が鉛フリーはんだに入り込み、鉛フリーはんだの溶融と凝固の両方の過程を妨害し、接合部に欠陥が生じたり、信頼性が低下したりする可能性があります。

鉛ベースのはんだ冶金について語るとき、鉛の健康への影響と錫ウィスカーの形成という、部屋の中の巨大な双子の象を避けるのは困難です。 以前の Ask Hackaday の記事では、最近すでにこれについて触れています。 健康への影響を要約するのは簡単です。鉛は、安全であると考えられる量が存在しない数少ない物質の 1 つです。 鉛は体内に生物蓄積するため、汚染された表面を清掃して職場での鉛汚染を回避することが最も重要です。

はんだ付け中に発生する蒸気については、鉛フリーであろうと鉛ベースであろうと、これには鉛は含まれませんが、加熱されたフラックス蒸気が含まれており、ロジンの場合はこれがコロフォニーを生成します。 これはガスと微粒子の複雑な混合物であり、人間の呼吸器系を刺激し、その過程で肺組織に損傷を与えることがわかっています。

錫ウィスカーの形成は、鉛フリーはんだへの移行のずっと前から大きな話題でした。 残念なことに、冶金学におけるウィスカーの形成はあまり理解されていない現象であり、通常はウィスカーの成長を引き起こす圧縮強度に関する説明が行われています。 錫ベースのはんだに鉛を添加するとウィスカーの成長を軽減できますが、完全な解決策ではありません。

絶縁保護コーティングの適用または特定の合金の使用は、錫ウィスカーの形成を制限するのに役立ちます。 また、ウィスカー形成の影響を受けやすいのはスズだけではなく、他の金属も関係していることにも注意してください。 その背後にある物理学をよりよく理解するまで、それを防ぐことは、まさに幸運によって適切な合金形成を見つけることを意味します。

はんだ付けは楽しい時間を過ごすと同時に、冶金学、さらにはその先の科学への入り口でもあります。 しかし、これを読んだ後は、はんだ合金についてもう少し考えて、好みの混合物であれ、こて先を錆びずに錫メッキしておくことを願っています。 錫のウィスカーについてのお話があればぜひお聞かせください。