共晶はんだとは？今も使われる理由とRoHS適用除外の用途

この記事では、共晶はんだの概要と成分組成、鉛フリーはんだが広まった背景、それでも共晶はんだが必要な理由、RoHS指令の適用除外となる用途、そして当社で設計・実装した基板事例まで、まとめてご紹介いたします。

共晶はんだとは？

共晶はんだ（読み方：きょうしょうはんだ、英語：eutectic solder）は、主に錫（Sn）と鉛（Pb）の合金から構成されています。

一般的な共晶はんだの組成は、錫と鉛がおよそ6：4の比率で成分が混合されています。共晶とは、二成分以上を含む液体から同時に析出する結晶の混合物という意味です。

このため、錫と鉛の2種類の金属で構成されたはんだを共晶はんだと呼びます。

共晶はんだの組成

共晶はんだは、Sn（錫）63%とPb（鉛）37%の合金で構成されています。Sn（錫）が100%の場合の融点は232℃、Pb（鉛）が100%の場合の融点327℃です。しかし錫と鉛の合金である共晶はんだになると、融点が183℃まで低くなり、金属としては融点が低く加工がしやすくなります。

また、共晶はんだは鉛が含有されていることにより、柔らかい鉛が応力を緩和させる効果を有しています。そのため、はんだ付けの信頼性が高いとされています。

このような理由から共晶はんだは、ロケットや車載などの電子機器など、極めて信頼性が求められる電子機器のはんだ付けにおいて、現在でも使われています。

共晶はんだの歴史と現状

ひと昔前までは、基板実装には鉛を含む「共晶はんだ」が一般的に使われていました。しかし1990年代に入り、廃棄された家電製品など電子機器のはんだ付け材料（実装基板）から、酸性雨により鉛（Pb）が溶け出し、地下水を汚染する問題が起こりました。

鉛は、人体に入ると中毒症状を起こし、胎児に至ってはその影響が大きいことで知られており、鉛は 一度人体に入ると排出されにくい性質があります。

そのため、2000年以降、鉛を含まない「鉛フリーはんだ」が誕生しました。このような流れの中、欧州連合（EU）では「RoHS指令」が2006年7月1日から適用され、対象となる電気・電子機器への鉛の使用が原則禁止されました。現行のRoHS指令（2011/65/EU）では、鉛のほかに水銀、カドミウム、六価クロム、ポリ臭化ビフェニル、ポリ臭化ジフェニルエーテルと4種のフタル酸エステルの計10物質が制限されており、鉛は均質材料中0.1wt%以下が基準です。

鉛フリーはんだとは？

鉛フリーはんだは、錫（Sn）・銀（Ag）・銅（Cu）などを主成分とする、鉛を含まないはんだです。RoHS指令への対応を目的に普及し、当初は融点の高さによる不良などのトラブルもありましたが、現在は電子機器の大半で使われる主流のはんだになっています。融点・濡れ性・コストなどの詳しい違いは、次の記事で比較表にまとめています。

＞＞共晶はんだと鉛フリーはんだの違いとは？比較表で解説

それでも共晶はんだが必要な理由とは？

上記の通り、共晶はんだと鉛フリーはんだを比較すると、環境面を考慮して鉛フリーはんだが選択されることが多くなりますが、共晶はんだが必要な分野はいまも残っています。

特に扱いやすさと接合の安定性において、共晶はんだには鉛フリーはんだにない利点があります。まず共晶はんだは鉛を含むため低融点であり、はんだ付けが比較的容易で制御しやすくなります。そのため、手動はんだ付けの場合には優れた選択肢となります。この扱いやすさは共晶はんだの大きなメリットになります。

また、共晶はんだ中の鉛は、接合強度や耐振動性を高める効果があるため、優れた信頼性を有します。この信頼性によって共晶はんだが選択されることも多く、共晶はんだのメリットの1つとして挙げられます。

つまり、鉛が入ることによる低融点での取り扱いやすさや、鉛による接合強度・耐振動性の向上が見込めるため、高度な信頼性が要求される場面、例えばロケットや航空宇宙、車載、鉄道などの電子機器のはんだ付けにおいて、現在も共晶はんだが重宝されています。

鉛にはウィスカ（錫から発生するヒゲ状の金属結晶）を抑える効果もあります。日東電気では、温度変化の大きい車載用基板でウィスカが問題になっていたお客様に共晶はんだへの変更を提案し、発生を大幅に抑えた事例があります（ウィスカ対策として鉛フリーはんだから共晶はんだへ変更した事例）。

共晶はんだが使える用途は？RoHS指令の適用除外

【定義】RoHS指令の適用除外とは、指令の対象外となる機器の範囲のことで、該当する製品には鉛を含む共晶はんだを使用できます。

鉛フリー化が進んだ現在も共晶はんだが使われているのは、RoHS指令がすべての電気・電子機器を対象にしているわけではないためです。RoHS指令（2011/65/EU）第2条4項では、主に次の機器が適用除外として定められています。

適用除外の区分	共晶はんだが使われる例
宇宙に送られる機器	人工衛星・ロケット搭載機器
安全保障上必要な機器（軍事用途の武器・装備など）	防衛装備品
大型の据付型産業用工具	大型の工作機械・生産設備
大型の固定設備	発電設備・インフラ設備
人・貨物の輸送手段（型式認証のない電動二輪車を除く）	鉄道車両・船舶・航空機
業務用の非道路移動機械	建設機械など
B2Bで提供される研究開発専用の機器	試験・研究装置

出典：EUR-Lex「Directive 2011/65/EU（RoHS指令）統合版」

ただし、適用除外にあたるかどうかは製品ごとに判断されます。自動車はRoHS指令ではなくELV指令など別の規制の対象になるため、仕向地の規制と顧客の仕様を確認したうえで、はんだの種類を決めることが前提となります。

日東電気では、発電、鉄道関係、船舶などの公共事業・インフラ設備向けに、数多くの共晶はんだ基板の設計・実装を行ってきました。共晶はんだ専用のラインで実装しているため、鉛フリー品とのコンタミを防ぎながら対応できます（共晶はんだ実装で必要不可欠なコンタミ防止対策）。

よくある質問

Q. 共晶はんだは今でも使えますか？
A. RoHS指令の適用範囲外の製品であれば使用できます。宇宙・防衛機器や鉄道車両、発電設備などでは現在も共晶はんだが使われています。

Q. 共晶はんだの融点は何度ですか？
A. Sn63%・Pb37%の共晶はんだの融点は183℃です。錫単体（232℃）や鉛単体（327℃）より低く、鉛フリーはんだ（約217〜220℃）よりも低い温度ではんだ付けできます。

共晶はんだの特性や実装のポイントは、共晶はんだ技術ハンドブック（無料ダウンロード）にまとめています。基板設計から実装までの全体像は基板設計・実装 技術ハンドブックもご活用ください。

日東電気ならではのはんだ付けとは？

当サイトを運営する日東電気では、鉛フリーはんだと共晶はんだ、どちらにも対応をしております。

多種多様なはんだプロセスへの対応力

日東電気では、様々なはんだ付けに対応しており、お客様のご要望に応じて最適なはんだ工程や基板実装方法のご提案を行っております。

はんだ付けには大きなプロセスとして、

• リフロー実装工程：表面実装(いわゆるSMT実装)
• フローはんだ工程：ソルダーリング装置やはんだ付けロボットを用いる
• マニュアルはんだ工程：人の手を介して行う

という3種類のはんだ工程があります。当社ではすべてのはんだ工程に問題なく対応しております。

鉛フリーはんだラインと共晶はんだラインにおける徹底したコンタミ防止

当社では鉛フリーはんだと共晶はんだ、どちらもラインを構築しておりますが、各ラインを別々に構築・管理しており、徹底したコンタミ防止対策を施しております。先述の通り、鉛フリーはんだは、RoHS規制によって開発が進められたはんだです。そのため、一定以上の鉛を含まないようにする必要があり、生産ラインにおいても対策が必要となります。共晶はんだと鉛フリーはんだを同じラインで実装すると、どうしてもコンタミが発生しかねません。

しかし当社では、共晶はんだは共晶はんだ専用のラインで基板実装を行っており、ライン単位で徹底したコンタミ防止対策を取っております。

現在は鉛フリーはんだを選択する電子機器も多くなっていますが、当社では現在でも共晶はんだのご依頼を多くいただいております。

＞＞共晶はんだ実装で必要不可欠なコンタミ防止対策

共晶はんだの基板設計・実装に関する実績とノウハウ

共晶はんだ基板は、発電、鉄道関係、船舶、などの公共事業・インフラ設備に関わる分野で多く使用されています。高い信頼が求められるため、高精度な基板実装が必要となります。

日東電気では、これまでに上記のような公共・インフラ設備向けに数多くの共晶はんだの基板設計・実装を行った実績がございます。この実績と培ってきたノウハウこそが、当社が共晶はんだの基板設計・実装で選ばれる理由の1つです。

日東電気ならではのプリント基板 設計・実装

当サイトを運営する日東電気では、これまでに数多くのプリント基板の設計・実装を行ってまいりました。日東電気だからこそ可能なプリント基板の設計・実装としては、下記のような特徴があげられます。

プリント基板の設計・実装に関する圧倒的な実績

これまでに日東電気では、様々な業界のお客様に向けて、多種多様なプリント基板の設計・実装を行ってきました。プリント基板の種類としては、ガラスコンポジット基板のCEM-3、ガラスエポキシ基板のFR-4が実績の大半を占めますが、高機能特性を持つテフロン基板・セラミック基板も実績としてございます。また最近では余り出回りませんが、紙フェノール基板の実装も対応しております。

＞＞プリント基板の種類一覧をご紹介！

混載実装への対応力

現在は電子機器も高機能化されており、その数量も増えていることから、生産性や低コストを重要視され、特に量産工程では表面実装が多く採用されています。一方で挿入実装は信頼性が高くストレス耐性も高い用途で必要とされます。

この両方を兼ね備えたのが、混載実装です。混載実装は、同一基板上でスルーホール（IMT、DIP）実装と表面（SMT）実装の両方を実施する実装方法です。表面実装と挿入実装では、実装できる部品が異なるため、多様な部品の実装が求められる場合に混載実装が使用されます。表面実装と挿入実装のどちらも必要な混載実装は、信頼性が高くストレス耐性も必要な製品を、なるべくコストを抑えつつ量産が必要な製品に採用されます。

そして当サイトを運営する日東電気は、混載実装の実績を数多く有しており、また混載実装の前工程であるアートワーク設計から、後工程の筐体設計・製造まで、ワンストップで対応しております。

＞＞混載実装とは？

リスクを徹底的に排除するVE提案

お客様が不安に思われる防水や火災などの機能面のリスクを徹底的に排除するためのVE提案や対策についても積極的にご提案を行い、エラーが生じない、万が一生じてもすぐにエラー発見できるEMS生産体制を構築いたします。UL規格、IEC規格、EMC規格、PSEマーク、S-JET認証、RoHS指令、系統連系保護装置等認証、第三者認証制度、JQA(日本品質機構)など、各種規格や制度に則って、安心いただける電子機器EMSメーカーとして基板設計・実装を行っております。

＞＞電子機器の設計・製作に必要な安全規格まとめ

工程FMEAにも対応

当社ではお客様のご要望に合わせて、工程FMEAにも対応しております。FMEA（Failure Mode and Effects Analysis）は、製品やプロセスにおける各種の障害や故障の可能性を予測し、その結果に対する影響を定量的に評価する手法です。FMEAは、日本語では故障モード影響解析と呼ばれます。製品の設計段階からプロセスの改善後まで、あらゆる段階での障害や故障のリスク評価を行い、予防的な対応策を立てることで、製品やプロセスの品質を向上させることができます。

基板関連部品の調達力・在庫力

基板実装には様々な電子部品が必要となりますが、当社では電子機器メーカー様の調達代行という側面も持っており、お客様に代わって基板周辺部品の自社調達も行っております。

コイルや抵抗、ハーネスなどの電子部品から、プラスチック筐体、板金筐体などの組立工程に必要な部品まで、すべて調達いたします。

＞＞日東電気グループは、OEM・EMSのベストパートナーです。

基板設計・実装に関する技術提案事例

続いて、実際に当社でご提案した、基板設計・実装技術提案事例です。

ロボットはんだ付けによる基板実装で生産性向上＆品質向上

基板設計・実装に関する製品事例

続いて、実際に当社が製作した基板設計・実装に関する製品事例をご紹介いたします。

モバイルカー向け基板＆ダイカスト筐体組立実装

シニアカー用インバーターユニット

基板設計・実装のことなら、OEM・EMSパートナーズ.comまで！

当サイトを運営する日東電気グループでは、基板アートワークの設計から混載実装、各種検査までをワンストップで対応しております。国内大手メーカー様の基板設計・実装工場として、当社をOEM・EMS先に選定いただきましたら、お客様のパートナー企業として様々な角度から技術提案をいたします。さらに当社では、部品の調達からアセンブリの工程管理まで、すべて請け負いますので、お客様の調達・管理コストの低減にも努めます。

基板設計・実装のことでお困りの方は、OEM・EMSパートナーズ.comまでご相談ください。