鉛フリーハンダと鉛ハンダの違い ほとんどの電子機器には、回路基板に部品を取り付けるための接着剤として、はんだが使われています。鉛フリーはんだと鉛入りはんだの機能はほぼ同じですが、製品や用途によっては別のはんだが必要になります。しかし、製品や用途によっては他のはんだが必要になることもあります。はんだの選択は、はんだ付けプロセスに影響を与えることがあります。もしも代替品が間違っていたら、はんだ付け作業は困難を極めるでしょう。そのために必要なのは、はんだの種類や選び方について、より理論的な知識を身につけること。ニーズに合わせて、鉛ハンダと鉛フリーを選ぶことができます。どちらの方法にもメリットとデメリットがあります。そのため、はんだ接合部の品質を確保したい場合には、最適な方法を選択する必要があるでしょう。
プリント基板のはんだ付けや組み立てに使用されるはんだごての先端を自動で製造する装置。
1.ハンダとは？
では、はんだとは？なぜ鉛入りではなく、鉛フリーのはんだを使うのか？また、どちらもデメリットがあるのでしょうか？この記事では、鉛フリーはんだと鉛入りはんだにまつわるさまざまなことを紹介します。最終的には、鉛フリーと鉛ハンダについて知っておくべきことがたくさん理解できるはずです。
まず、はんだとは何でしょうか？ハンダとは、鉛とスズからなる金属合金を高温のコテで溶かしたものです。コテは華氏600度の高温で加熱されます。コテが冷めた瞬間に、強固な電気的結合が形成される。
電子機器のはんだ付けに使われる従来のはんだは、鉛とスズの混合物である。重要なのは、はんだの種類によって用途が異なることだ。配管工事でもハンダが多用されている。
電子機器では、組立工が使うハンダは、鉛が40％、スズが60％。共晶混合物」と呼ばれている。これは化学的な用語だが、ほとんどの場合、この混合物は一般的に考えられる温度よりもはるかに低い温度で溶ける。
(電子部品を搭載した電子回路基板のはんだ付け工程)
2.鉛フリーはんだVS.鉛入りはんだ
さて、ハンダとは何か、無鉛ハンダと有鉛ハンダとは何か、有鉛ハンダの用途は何か、などについて理解していただけたでしょうか。また、鉛入りはんだの用途は何でしょうか？ここでは、この2つをわかりやすく説明し、特にエレクトロニクス業界での鉛入りはんだの主なメリットを紹介します。
電子機器に使用される鉛の使用量を削減する動きに伴い、現在ではほとんどの場所で鉛フリーのはんだが使用されています。健康と環境への配慮に基づき、情報の商業利用を禁止する指令も出ています。つまり、鉛を含む従来のハンダは、どんなハンダ付け作業にも使えなくなるということだ（特に趣味でやっている人にとっては）。
最近では、従来の錫-鉛ハンダは、特に他の鉛フリーのハンダに急速に取って代わられつつある。現在、市場にはいくつかの種類が登場している。銅が0.7％、錫が99.3％のものもある。
しかし、趣味や家庭での工作には問題ないだろう。この新しい鉛フリーはんだは、従来のはんだとまったく同じ性能を持っています。
次に、鉛入りのハンダです。
鉛入りのハンダは、電子機器革命の原点ともいえるものだ。鉛系は、（錫60％、鉛40％）の混合物を含んでいる。その混合物の融点は約170〜190°Cである。ソフトソルダーとしてカジュアルに知られているが、融点が低いために容器は当然のことである。箱もまた、錫のひげの発生を防ぐ素材である。
このように、私たちが鉛ハンダを使う理由はたくさんあります。趣味でハンダ付けをする人の大半は、ほとんどすべてのプロジェクトで鉛フリーのハンダを使用しています。非商業的なプロジェクトや公共の目的で、鉛のはんだを使用することがあります。これらのプロジェクトは、RoHSの厳しい規制を必要としません。
鉛はんだは、その高い融点から、プロジェクトに最適です。この場合、高熱の必要はありません。融点が高いので冷却時間が短く、はんだ接合部が冷たくなる可能性が低くなります。
鉛ハンダを使えば、ホビー用にハンダを使いすぎることもない。市販のものと違って、冷却時間が短いからです。このように使用量が少ないことが、多くのホビーユーザーが制限を受けない大きな理由となっています。使用量が減れば、鉛ハンダから出るゴミも減ります。
(鉛フリーはんだ、はんだ付けツール、グリーンプリント基板)
3.なぜ鉛フリーはんだを使うのか？
鉛フリーはんだは、鉛入りはんだに比べて優れています。鉛フリーはんだに切り替えたPCBA組立業者は、その利点を十分に理解しています。
新RoHS規制
まず、鉛フリーはんだを使用することで、RoHSガイドラインに対応することができます。RoHS（Restriction of Hazardous Substances）は、エレクトロニクス産業全体に影響を与える。また、電子製品の製造にも関わってくる。ヨーロッパを起源とするこの指令は、電子製品の製造において有害な化学物質の使用を制限するものである。
RoHS規制に基づき、すべての指令を満たさない電子メーカーはビジネスを行うことができません。2006年7月1日以降は、該当するすべての製品がRoHS指令に適合する必要があります。鉛以外の有害化学物質には、フタル酸ブチルベンジル、六価クロム、フタル酸ジイソブチルなどがあります。
環境への配慮
RoHS規制以外にも、環境保護のために鉛フリーのはんだを使用する傾向があります。地面に落ちた鉛は、土壌、空気、水に流れ込みます。その情報は、長い間、裏に潜んでいる可能性があります。
燃料に含まれる鉛は、特に都市部では大気中の人口をもたらします。フリーウェイや高速道路の近くの土壌は、時間とともに蓄積されていきます。埃が舞うと、鉛の粒子が湖や周辺の川に流れ込むことがあります。鉛は、海洋生物や湖の周辺に住む人々に悪影響を及ぼす可能性があります。
時間とともに鉛の汚染を受けた水を飲むことは危険です。鉛を大量に浴びると、衰弱、貧血、脳、腎臓の障害を引き起こす可能性があります。妊娠中の女性にとって、情報は危険をもたらします。発育中の赤ちゃんの神経系にダメージを与える可能性があります。
PCBのより良いはんだ付け
最後になりましたが、重要な点として、メーカーはPCBのはんだ付けをより良くするために、鉛フリーのはんだを使用しています。鉛フリーのはんだは、リフロー時に広がりません。つまり、プリント基板のはんだ付けの結果が良くなるのです。また、鉛フリーはんだを使用すると、ステンシルの急激な摩耗などの問題が発生しません。
有鉛ハンダを使用している回路メーカーでは、ボイドやスルーホールのフィレットの浮きが発生しやすくなります。これらはすべて、特に有鉛ハンダを使用した場合に発生するケースです。しかし、鉛フリーはんだを使用した場合のプリント基板の結果は素晴らしいものです。
鉛フリーはんだと有鉛はんだのプリント基板の結果を比較すると、大きな違いがあることに気づくでしょう。鉛フリーのプリント基板から見える製品は完璧です。鉛フリーはんだを使うと、すべての部品が基板にきちんとくっつきます。
(隔離された白い背景に鉛入りはんだのロールが映っている)
4.鉛フリーはんだは、鉛はんだと比べてどのようなデメリットがありますか？
鉛入りはんだは取り扱いが簡単
鉛フリーはんだが優れた性能を発揮する一方で、鉛フリーはんだに比べて鉛はんだが優れている部分もあります。まず、鉛ハンダは比較的取り扱いが簡単です。たとえ幼児が摂取したり食べたりしても、体内に毒として吸収されてしまう。
鉛フリーはんだと違って、純鉛は扱いやすく、手からこすり落とされることもない。それは無鉛ハンダのようにはいかない。それでも、鉛入りハンダは自由に学ぶことができます。ハンダのことをいろいろ知りたいなら、ほとんどの場合、鉛入りハンダでトレーニングを受けることになるでしょう。
低い温度が必要
扱いやすさだけでなく、鉛入りはんだは溶けるまでの温度が低いのが特徴です。鉛フリーはんだは、217℃前後の高温で溶ける傾向があります。鉛フリーはんだは217℃程度の高温で溶ける傾向がありますが、鉛入りはんだはそうはいきません。183°C/361°Fの温度が必要である。電子部品やプリント基板の材料は、非常に高い温度に耐えられる状態でなければならない。
ヘッドの品質問題が少ない
鉛ハンダの場合、ヘッドの品質問題も少ない。鉛フリーはんだでは、高ワット数のはんだごてを使用します。そうすると、ヘッドを傷つけてしまう可能性があります。また、それが原因で基板の品質に問題が生じることもあります。しかし、鉛ハンダを使う場合はそうはいきません。
鉛フリーはんだの場合、はんだの温度が高いため、すぐにヘッドを取り外さなければならないことがあります。しかし、鉛ハンダを使えば、そのような事態を避けることができる。多くの回路設計者は、このことをよく理解している。
表面張力の弱さ
鉛フリーはんだの最大のデメリットは、表面張力がないことだと言っていい。鉛フリーはんだは外力に耐えられない。過酷な環境にさらされると、部品が簡単に剥がれてしまうことがあります。
賞味期限の長さ
メーカーが使用している鉛はんだ用フラックスの保存期間を延ばすことができます。しかし、鉛フリーはんだの場合はそうはいきません。鉛フリーはんだでは酸素に触れるため、変化が長く続かない場合があります。純鉛は、より低い老化メカニズムで構成されています。鉛ハンダ付けと比較すると、その保存期間は2倍になります。
(プリント基板上の部品を鉛フリーはんだ付けする場合)
5.鉛フリーはんだVS.純鉛はんだの性能差鉛はんだ
融点の違い
性能面では、鉛と鉛フリーはんだでは少し違いがあります。まず、融点の違いがあります。鉛フリーはんだは、最も高いコテ先温度が要求されます。融点が高いので、滞留時間が長くなることを覚悟しなければなりません。
前述したように、従来の鉛はんだの融点は約183℃。一方、鉛フリーはんだのそれは217℃。鉛フリーはんだは融点が高いため、いくつかの問題があります。例えば、温度が上昇すると、はんだが酸化してしまいます。また、電解コンデンサにも影響を与える可能性があります。
ぬれ性
濡れ性の違いも、差別化要因のひとつです。プリント基板の場合、濡れ性とは、溶融したソルダーペーストがプリント基板の部品といかに適切に結合するかを意味します。ぬれ性が悪いと、はんだは灰色でくすんで見えます。鉛フリーはんだを使うとぬれ方が遅くなり、見た目もくすんでしまう傾向があります。一方、従来の鉛はんだでは、光沢のあるきれいな仕上がりになります。プリント基板の接合部では、ぬれ性が不十分だと危険です。接合部の性能が低下し、回路基板の不良率が高くなります。
適用温度の違い
最後に、適用温度の違いも両者の性能差です。鉛フリーはんだは、はんだごての温度を高くする必要があります。鉛ハンダの場合はそうはいきません。鉛フリーはんだは、再溶解温度も鉛はんだより少し高めに設定する必要があります。
(鉛フリーはんだとソルダーガンの拡大写真)
6.鉛フリーはんだVS.鉛はんだの物理的な違い鉛入りはんだ
鉛ハンダと鉛フリーハンダには、いくつかの物理的な違いがあります。もっとも大きな違いは、原材料です。両者の製造にはフラックスが使われます。鉛入りのソルダーペーストを加えることを「鉛変化」と呼びます。しかし、鉛フリーのソルダーペーストを加えると、「鉛フリーフラックス」と呼ばれるようになる。
次に物理的な違いとして、用途の違いがあります。鉛ハンダが多く使われるのは、主にホビー用のプロジェクトです。これらのプロジェクトは厳しいRoHSガイドラインには該当しません。しかし一方で、鉛フリーはんだは、RoHS指令を満たさなければならない本格的なプロジェクトに適用されます。
鉛フリーのはんだ接合部は、灰色でくすんでいて、ざらざらしています。しかし、鉛入りはんだの接合部を見ると、ほとんどの場合、光沢のあるきれいな状態になっています。また、密度的にも鉛フリーの方が高い。また、密度的にも鉛ハンダの方が無鉛ハンダよりも若干重い傾向にあります。鉛ハンダは8.5g/m2、無鉛ハンダは3.5g/m2です。
(孤立した白い背景に鉛フリーのはんだ)
7.鉛フリーハンダと鉛ハンダの比較-鉛フリーハンダによる不具合について
鉛フリーはんだは、特にRoHS指令に対応したものを使用するなど、新しい概念ではありません。何十万もの回路基板組み立て業者が、基板組み立て時に鉛フリーはんだを使用しています。しかし、鉛フリーはんだにはいくつかの欠点があります。これらの欠陥は、多くの場合、厚手の多層プリント基板で発生します。
錫のひげ
ここでは、鉛フリーはんだが引き起こす重大な欠陥について考えてみたい。鉛フリーはんだが引き起こす不具合の第一は、「錫ウィスカ」です。錫ウィスカとは、PCBの表面から突き出た薄くて導電性のある針状またはフィラメント状の構造のことである。これらの表面は、最終的な表面仕上げとしてスズで構成されています。
残念ながら、錫ウィスカは鉛ハンダによる重大な欠陥である。錫ウィスカが発生すると、回路基板上でショートしてしまうことがあります。このような事態を避けたいのであれば、はんだごてを使った経験が必要です。鉛フリーはんだを使うには、それなりの経験が必要です。ハンダ付けには、経験と練習と知識が必要です。
鉛フリーハンダと鉛ハンダの違い – 金属デンドライトの成長
錫ウィスカの成長の他に、鉛ハンダによるもう一つの問題は、金属デンドライトの成長です。金属樹枝状突起の成長もまた、基板の機能に影響を与える問題として知られています。デンドライトとは、プリント基板の絶縁体の表面に見られる、樹枝状の金属酸化物や金属片のこと。
金属のデンドライトは、錫のひげから発生するいくつかの異なる成長手順を特徴としています。メタルデンドライトは、イオンのエレクトロマイグレーションによって出てくるもので、回路基板にとっても危険なものです。PCBアッセンブラーによると、ショートの原因にもなるという。これらのショートは、基板の機能に影響を与える可能性があります。
CAFの発生
第三に、鉛フリーはんだはCAF（Conductive Anode Filament）を発生させやすい。導電性アノード・フィラメントも電気化学反応によって発生します。この導電性陽極フィラメントも、先の2つと同様、プリント基板の故障につながる大きな問題だ。
鉛フリーはんだは、鉛入りはんだに比べて理想的ではあるが、デメリットもある。導電性陽極フィラメントもその一つである。この問題を早期に解決しないと、メーカー側に負担がかかることになります。
錫の欠陥
最後に、鉛フリーはんだが引き起こす可能性のあるもう一つの問題として、「スズペスト」または「スズ欠陥」があります。多くの電子機器メーカーがこの分野で苦労しているようです。錫の害虫や欠陥が発生することは、決して望ましいことではありません。
スズ欠陥は、自然発生的な多形性の相変化の際に発生する。例えば、温度が13℃以下になったとします。いくつかの注目すべき変化があるだろう。密度7.30g/cmの白い錫から、密度7.30g/cmの白い錫へと変化する。
理論的には、錫の害虫や欠陥は脅威である。多くの回路メーカーは、錫の害虫が発生しないように最善を尽くしています。信頼性のリスクにつながる可能性もあるが、ほとんどの場合、錫の中には不純物が混じっているので、滅多に発生しない。
以上が、鉛はんだを使用した場合に発生する可能性のある欠陥です。重要なのは、これらがすべてではないということです。他にも、銅汚染や銅の侵食などがあります。フィレットの浮き。また、収縮ボイドや流動性の低下を報告するものもあれば、動作条件を厳しくするものもある。
このように、鉛フリーはんだが引き起こす不具合は非常に多い。しかし、そのような欠陥をなくす、あるいは最小限に抑えることは、それほど難しいことではない。最新のはんだ付け技術を用いれば、このような事態は避けられるのだ。
(鉛フリーはんだの欠陥)
8.鉛フリーハンダと鉛ハンダ-鉛ハンダをどう選ぶべきか？
では、どのようにしてはんだの種類を選べばよいのでしょうか。鉛入りハンダと鉛フリーハンダのどちらにすべきでしょうか？長い間、鉛を使ったハンダ付けは普遍的なことのように思われていました。誰も疑問に思わなかったのです。しかし、その情報が個人の健康に悪影響を及ぼすものであることから、状況は変わり始めました。
鉛は肝機能障害や腎機能障害の原因になります。また、妊娠中の母親が鉛を摂取すると、さらに悪化する可能性があります。多くの人が電荷の有害な影響を目の当たりにしたので鉛フリーのはんだを採用する動きが出てきたのです。鉛フリーハンダとは、鉛を含まないハンダのことである。大手家電メーカーでは、情報の活用を重視しています。
現在では、鋭敏な人であれば、ほとんどの電子機器に無鉛ハンダが使われていることに気づくでしょう。ただし、融点が高いなど、作業性が若干悪いという意見もあります。とはいえ、その難しさは少しずつ克服していくものだ。
ただ、今言えるのは、鉛の選択はプロジェクトによって異なるということです。あなたは、はんだ付けについて何かを学びたいと思っている趣味の人ですか？もしかしたら、あなたは商業的な回路メーカーではないかもしれません。そうであれば、鉛入りのハンダが理想的だ。安価ですし、商用ではないのでRoHS指令にも反しません。
しかし、あなたは高品質な製品を作り、それを販売したいと考えていますか？そうであれば、鉛フリーのハンダに頼ってみるのもいいかもしれません。鉛フリーはんだは、環境にやさしく、人体にも無害です。また、回路基板のはんだ付けにおいても、最高の結果が得られます。品質を重視するのであれば、鉛フリーはんだを使用することをお勧めします。
(鉛フリーはんだを使った回路基板の修理)
まとめ
以上、鉛フリーはんだと鉛入りはんだの違いについてご紹介しましたが、いかがでしたか？プロジェクトによっては、鉛ハンダと鉛フリーハンダのどちらかを選択しなければならない場合があります。有鉛ハンダを使うと当局とのトラブルになる可能性がありますので、必ず使用しないでください。鉛フリーはんだでのはんだ付けは、最高の結果をもたらします。
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