共晶はんだと鉛フリーはんだを徹底比較！
はんだ形状によって、糸はんだ、クリームはんだ、棒はんだという種類に分類されます。またはんだ付け工程には、リフロー実装工程、フローはんだ工程、マニュアルはんだ工程、と大きく3種類あります。
そしてはんだ自体については、共晶はんだと鉛フリーはんだの大きく2種類に分類されます。近年は環境への影響から、鉛フリーはんだが採用されるケースも増えていますが、電子機器の使用用途に合わせて、最適なはんだ方法やはんだ種類を選択する必要があります。
ここでは、共晶はんだや、鉛フリーはんだの特徴、2つのはんだの特性比較、そして実際に当社で設計・実装した基板事例まで、まとめてご紹介いたします。
はんだとは？
はんだとは、金属を溶融して接合するための材料で、電子機器の製造において不可欠な存在です。主に基板に使用され、電子部品の固定および電気的接続を確保します。基板とは、電子機器内部にある薄い絶縁体の板で、銅箔パターンが形成されており、電子部品を実装するための部品です。
はんだ付けは、溶融したはんだを電子部品の端子と基板の銅箔パターンに流し込み、冷却によって固化させるプロセスです。このプロセスにより、機械的強度と電気的接続が確立されます。はんだ付けの品質は、電子機器の信頼性に直結するため、適切な温度管理とフラックスの使用が重要です。フラックスは、酸化物を除去し、はんだの濡れ性を向上させる役割を担います。特に、表面実装技術（SMT）においては、高密度実装が求められるため、微細なはんだ付け技術が要求されます。
はんだの種類
主なはんだの種類には、「糸はんだ」「クリームはんだ」「棒はんだ」の3つが存在します。はんだ付けの設備に応じて使用するそれぞれを使い分けます。
- 糸はんだ ：はんだゴテを使い電子部品をはんだ付けする際に使用します。見た目はやわらかい線材のようですが、糸はんだの中にはフラックスが入っています。
- クリームはんだ：ペースト状のクリームはんだ は、SMT（表面実装技術）でプリント基板のランド（PAD）上にはんだを印刷する場合に使用します。粒状のはんだ合金と液体のフラックスが混ざり合うことでクリーム状になり、基板上に印したりディスペンサなどで塗布することが可能となります。
- 棒はんだ：IMT（挿入実装技術）で 半田（フロー）槽に使用します。棒はんだを溶かした半田槽で、挿入された部品の端子と基板のランドとをはんだ付けする工法で使用します。
上記ははんだ自体の形状による種類ですが、はんだの組成による種類としては、鉛を含む「共晶はんだ」と、鉛を含まない「鉛フリーはんだ」の2種類に大きく分類することができます。
共晶はんだとは？
共晶はんだは、読み方は”きょうしょうはんだ”と言い、主に錫（すず・Sn）と鉛（Pb）の合金から構成されています。一般的なはんだの組成は、錫と鉛がおよそ６：４の比率で成分が混合されてできています。
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、錫と鉛の2種類の金属で構成されたはんだということで、共晶はんだと呼ばれています。
＞＞共晶はんだとは？現在も共晶はんだが必要な理由とは？
共晶はんだの主な特徴や使われる理由は以下の通りです。
・扱いやすさ
共晶はんだは低融点であり、はんだ付けが比較的容易です。そのため、初心者や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。
・はんだ付けの信頼性
共晶はんだは、鉛を含むために融点が低く、はんだ付けプロセスの制御が比較的容易です。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、一部の応用では優れた信頼性を持つことがあります。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。
・環境への悪影響
鉛は共晶はんだ中に含まれるため、取り扱いや廃棄物処理に注意が必要です。特に環境保護やリサイクルへの意識が高まる現代の社会において、鉛の使用は制限を受けることがあります。この環境への悪影響という点が、共晶はんだのデメリットとしてあげられます。
鉛フリーはんだとは？
鉛フリーはんだは、環境保護のために開発されたはんだであり、主に錫（Sn）と銀（Ag）、または銀（Ag）と銅（Cu）などの合金から成分が構成されています。中でも一般的なのが、Sn（錫）-Ag（銀）3%-Cu（銅）0.5%で構成された合金です。
鉛フリーはんだ（Pb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。RoHS規制は、鉛、水銀、カドミウム、六価クロム、有機ハロゲン化物などの物質の使用を制限し、環境への影響や人体への健康リスクを低減することを目的としています。特に電子機器については、欧米で使用される電子部品に一定以上の鉛を含んでいるものは流通させることができないという厳しい規制になったため、鉛フリーはんだが採用される製品も増えてきました。
当初は共晶はんだより溶融温度が高く、不良が頻発するなどの様々なトラブルが頻発しました。しかし成分の改善等の試行錯誤の末、現在では共晶はんだに取って代わる主流はんだとして幅広く使用されています。
鉛フリーはんだの主な特徴は以下の通りです。
・環境への影響低減
鉛は重金属として環境への悪影響が指摘されており、鉛フリーはんだの使用によってそのリスクを軽減することができます。市販の家電製品に使われる基板用のはんだについては特に鉛フリー化が進んでいます。
・高温での耐久性
鉛フリーはんだは融点が約220℃で、180℃が融点の共晶はんだに比べて融点が高く、高温環境下での耐久性が求められる特定の応用に向いています。
特にSn（錫）-Ag（銀）3%-Cu（銅）0.5%の組成で構成された鉛フリーはんだは、他の組成と比較して信頼性が高いという理由から、電子情報技術産業協会 (JEITA) が標準組成として推奨しているために広く普及しています。
・正確な制御が必要
鉛フリーはんだは共晶はんだよりも熱に敏感であり、はんだ付けプロセスの制御が難しいとされています。また鉛フリーはんだは共晶はんだと比較して電気抵抗が小さくなるため、この点も扱いが難しいとされる理由の1つです。
また鉛フリーはんだでは、ウィスカというヒゲ状の金属結晶が発生してしまい、ショートの原因となってしまいます。ウィスカは、銅成分が錫に拡散することで錫に応力が発生してしまい、これがヒゲ状のウィスカにつながるとされています。このウィスカを抑制するために鉛を入れた共晶はんだが使用されていた、というのが元々の流れです。
鉛フリーはんだと共晶はんだを比較
鉛フリーはんだと共晶はんだは、各々が異なる特徴を持ち、異なる用途に向いています。環境への影響を最小限に抑えたい場合や高温環境下での使用が求められる場合には、鉛フリーはんだが適しています。一方、使いやすさやはんだ付けの信頼性が重視される場合には、共晶はんだが優れた選択肢となります。
ただし鉛フリーはんだは、共晶はんだの2,3倍のコストがかかるとされており、また融点も高いため、製造コストは時間的にも費用的にもかかってしまいます。
| 共晶はんだ | 鉛フリーはんだ | |
| 融点 | 約180℃ | 約220℃ |
| 成分 | 鉛を含む（鉛、錫、銀等） | 鉛を含まない（錫、銀、銅、ニッケル等） |
| ぬれ性 | ぬれ広がりがよい | ぬれ性はよいが、共晶はんだには劣る |
| コスト | 〇（低コスト） | △（高コスト） |
| 仕上がり | 表面に金属光沢がある | 金属光沢がなく白っぽい |
| 比重 | 鉛があるため重い（7.4から11前後） | 鉛がない分軽い（7.4から8.4前後） |
| 機械的強度 （引張強さ） | 10前後から43MPa前後 | 機械的強度は鉛がない分強い |
| 電気抵抗 | 電気抵抗は成分により異なるが13前後から55前後（10-2μΩm） | 電気抵抗は鉛はんだより小さい |
| 実装品質 | 高品質 | 高品質は望めない |
| 利用分野 | 航空・鉄道・発電など、高い信頼性が求められる公共・インフラ分野 | 電子部品、家電製品のほぼすべて |
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。
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。
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。
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
大手自動車メーカーのお客様から、ピン数の多いコネクタはんだ付けを伴う基板実装のご相談をいただきました。ピン数が多くなればなるほど工数はかかりますが、手作業で実施するとどうしても品質のバラツキやヒューマンエラーが生じてしまいます。
そこで当社では、ロボットはんだ付けによる基板実装のご提案をいたしました。当社ではJAPANUNIX製のはんだ付けロボットを2台保有しており、数量やはんだ付けの内容に基づいてご提案をしております。
人的作業からロボットによるはんだ付け作業に変更することで…
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
こちらは次世代モバイルカー向けの基板＆ダイカスト筐体組立実装事例です。基板サイズは200×200、製品サイズは500×500×200で、100個／月の量産品でした。
次世代モバイルカー開発の担当者から直接お問い合わせをいただき、回路図はお客様にて作成・支給いただきました。当社の小山工場でアートワーク設計から基板実装、ハーネス加工まで対応し、水戸工場でダイカストケース製造（金型はお客様より支給）を実施いたしました。その後、組立から電気検査までワンストップで対応いたしました。
リチウムイオン蓄電システム
こちらは家庭用リチウムイオン蓄電システムです。基板サイズは330×250、製品サイズは530×650、200台／月のロット数でEMS生産いたしました。
お客様より詳細仕様をいただき、当社では基板アートワークの設計段階から携わらせていただきました。基板アートワークでは、電流容量を必要とする厚銅パターンであったため、はんだ上がりに配慮した設計が必要でした。装置組立では、現場の作業性を考慮した板金部品のVE提案を行うだけでなく、組立の要求仕様に従って組立用治具を考案・設計・作製も行いました。また本製品は防水が必要な製品だったため、要所にコーキングを実施し、さらに塗布量をコントロールするためにディスペンサを使用して塗布を実施いたしました。
シニアカー用インバーターユニット
こちらはシニアカー用インバーターユニットです。基板サイズは180×150、製品サイズは230×200で、100個／月の量産品でした。
シニアカーの開発担当者の方からご相談をいただき、当社の小山工場でアートワーク設計から基板実装、ハーネス加工まで対応し、水戸工場でダイカストケース製造（金型はお客様より支給）を実施いたしました。その後、組立から電気試験までワンストップで対応いたしました。
水素発生装置制御ボックス
こちらは水素発生装置制御ボックスです。基板サイズは330×250、製品サイズは900×850、5台／月のロット数でOEM生産いたしました。
エンドユーザーは大手自動車メーカーで、大手電源メーカーによって製品設計されたOEM製品でした。エンドユーザーのプロジェクトご担当者様が小型ジェット旅客機製造にも携わっていらっしゃったこともあり、工程FMEA段階からの生産についてご要望をいただきました。
当社にて基板アートワーク設計を行い、筐体の板金部品設計においては組立効率化を目的としたVE提案を当社から実施いたしました。基板アートワークでは、電流容量を必要とする厚銅パターンであったため、はんだ上がりに配慮した設計が必要な基板でした。またピン数の多いコネクタはんだ付けが必要であったため、今回はロボットはんだ付けにて対応することで、精度と生産性を両立させました。ロボットはんだ付けや装置組立では、はんだ付けや組立の要求精度に従って、当社にて組立用治具を考案・設計・作製いたしました。
油圧制御ユニット
こちらは油圧制御ユニットです。基板サイズは100×50、製品サイズは150×70、400台／月のロット数でOEM生産いたしました。
成型機やプレス機に用いられる油圧制御ユニットで、お客様から基板回路や製品の設計をいただき、当社は基板実装用の治具製作から携わっています。
お客様による基板仕様に従って最適なはんだ量を確保するために、メタルマスクの開口設定に工夫を凝らしました。実装工程において、SMT工程では、各部品の実装要求に沿って実装条件やリフロー条件を設定し、IMT工程では、DIPパレットを自社で作製し、自動はんだ槽によって手挿入部品のはんだ付けを対応いたしました。
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。
