【鉛フリーはんだとは？】融点や成分などを解説！

この記事では鉛フリーはんだについて

鉛フリーはんだとは
鉛フリーはんだの融点
鉛フリーはんだの成分
「鉛フリーはんだ」と「共晶はんだ」の違い

などを説明しています。

鉛フリーはんだとは

最初に鉛フリーはんだのポイントについて説明します。

鉛フリーはんだのポイント

鉛フリーはんだとは、その名の通り、鉛(Pb)を含まないはんだのことを指します。
成分は主にスズ(Sn)を用いています。スズ(Sn)に他の金属(銀や銅)を含有しています。
鉛フリーはんだの中でも一般的なのが、「スズ(Sn):96.5%、銀(Ag):3.0%、銅(Cu):0.5%」で構成されたものです。
上記の構成の鉛フリーはんだの融点は約217度となっています。

ではこれから上記のポイントとその他の情報を詳しく説明していきます。

プリント基板にははんだが使用されています。

このはんだは大きく分けて、鉛を含まない「鉛フリーはんだ(無鉛はんだ)」と鉛を含む「鉛入りはんだ(有鉛はんだ)」があります。

また、鉛入りはんだにおいて、「スズ(Sn):63%、鉛(Pb):37%」の成分で構成されたものは「共晶はんだ」と呼ばれており、非常に使い勝手が良く、優れたはんだであるため、鉛入りはんだでは主流となっています。

鉛フリーはんだと共晶はんだの違い

鉛を含まない「鉛フリーはんだ」と鉛を含む「共晶はんだ」はぬれ性やコストなど様々な違いがありますが、一番の違いは成分と融点(はんだが溶け出す温度)です。

これから様々な違いについて説明していきます。

成分の違い

鉛フリーはんだ

「スズ(Sn):96.5%、銀(Ag):3.0%、銅(Cu):0.5%」の成分で構成されています。その他の構成もありますが、主流ではないため、この記事の後半に説明しています。

共晶はんだ

「スズ(Sn):63%、鉛(Pb):37%」の成分で構成されています。

融点の違い

鉛フリーはんだ

約217度

共晶はんだ

約183度

ぬれ性の違い

鉛フリーはんだ

ぬれ性が悪い(金属からはんだが弾かれているような状態)。そのため、はんだ付けの難易度が高くなります。

共晶はんだ

ぬれ性が良い(金属表面に薄くはんだが流れるような状態)

鉛フリーはんだの成分のほとんどがスズ(Sn)です。スズ(Sn)は鉛(Pb)と比較して酸化膜が還元されにくいため、表面張力が大きくなり、ぬれ性が悪くなります。このぬれ性の悪さは基板や部品だけでなく、はんだこてのこて先にも現れます。なお、ぬれ性の悪さは、はんだのこて先温度を高くしてもあまり改善されません。

鉛フリーはんだは粘度が高く、広がり性が悪いため、イモハンダになりやすいので注意してください。

コストの違い

鉛フリーはんだ

高コスト

共晶はんだ

低コスト

はんだ表面の違い

鉛フリーはんだ

表面は光沢がなく、白くざらざらしてます。なお、鉛フリーはんだの場合、はんだ表面が白くざらざらしても不良ではありません。

共晶はんだ

表面は光沢があります。なお、共晶はんだの場合、はんだ表面が白くざらざらしてていれば、オーバーヒートを起こした不良と判断されます。

機械的強度の違い

鉛フリーはんだ

鉛を使用していないため強い。

共晶はんだ

鉛フリーはんだより弱い。

重さの違い

鉛フリーはんだ

鉛を使用していないため軽い。

共晶はんだ

鉛フリーはんだより重い。

電気抵抗の違い

鉛フリーはんだ

小さい。

共晶はんだ

鉛フリーはんだより大きい。

鉛フリーはんだの歴史

共晶はんだは、比較的低い温度(約183度)で溶け、ぬれ性も良いため作業しやすく、低コストという特徴があります。そのため、ひと昔前までは、基板のはんだには鉛を含む「共晶はんだ」が主に使用されていました。

しかし、1990年代に入り、廃棄された電子部品やプリント基板から、酸性雨によって鉛が溶け出して地下水を汚染するという問題が起こりました。

地下水はやがて川や海に流れ込みます。鉛に汚染された水を人が摂取すると、「中毒症状」や「成長の阻害」などを起こし、人体に大きな影響を及ぼします。

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。

また、欧州連合(EU)では「RoHS指令」と呼ばれる法律が2006年7月1日に制定され、電気・電子機器において特定有害物質(鉛など)の使用が原則禁止されました。

欧州に流通する製品も「RoHS指令」の対象となるため、日本でも多くの会社が鉛を含んだ「共晶はんだ」の使用をやめ、鉛を含まない「鉛フリーはんだ」を使用することになりました。

補足

高い信頼性が求められる機器(航空・電車・ロケット・車など)のはんだ付けには共晶はんだが主流となります。

鉛フリーはんだの成分

鉛フリーはんだは、スズ(Sn)に他の金属(銀や銅)を含有したはんだです。

その中でも鉛フリーはんだの中でも一般的なのが、「スズ(Sn):96.5%、銀(Ag):3.0%、銅(Cu):0.5%」で構成されたものです。

この組成のはんだは今のところ最も多く使用されており、信頼性のある鉛フリーはんだとなっています。電子情報技術産業協会(JEITA)では、この組成を標準組成として推奨しています。

補足

鉛フリーはんだの成分は上記の「スズ(Sn)-銀(Ag)-銅(Cu)系」以外に、「スズ(Sn)-亜鉛(Zn)-ビスマス(Bi)系」や「スズ(Sn)-銅(Cu)系」、「スズ(Sn)-銀(Ag)-インジウム(In)-ビスマス(Bi)系」、「スズ(Sn)-亜鉛(Zn)-アルミニウム(Al)系」などがあります。

鉛フリーはんだの融点

「スズ(Sn):96.5%、銀(Ag):3.0%、銅(Cu):0.5%」で構成された鉛フリーはんだの融点は約217度なっており、共晶はんだの融点(約183度)と比較して約40度高くなっています。

そのため、鉛フリーはんだを使用すると、はんだこてのこて先の寿命を短くしたり、はんだに含まれているフラックスが炭化したり、はんだやフラックスや飛散したりします。また、実装時において、基板や熱に弱い電子部品にダメージを与える可能性があります。

鉛フリーはんだを使用すると、『銅食われ』という現象によって、こて先の消耗が共晶はんだと比較して3～4倍程度早くなると進むれています。そのため、ランニングコストが高いというデメリットがあります。『銅食われ』とは、はんだに銅成分が溶け出す現象です。はんだこてのこて先だけでなく、基板の銅パターンも長時間熱を加えると銅成分が溶け出してしまいます。