鉛フリーはんだの実用化技術検討
鉛フリーはんだの実装技術の確立から製品への適用
A Practical Application of Lead-Free Soldering

板 倉 治 男＊Itakura, Haruo

佐 藤 昌 毅＊Sato, Masaki

斉 藤貴＊＊Saito, Takashi

荒 井 孝 一＊＊＊Arai, Kouichi

We selected a promising lead-free solder, used it in a printed circuit board assembly, and tested the reliability of this application. Based on favorable results, we then developed a manufacturing process that employedlead-free soldering. In October 2002, this lead-free soldering process found its place in the full-scale production of a Konica plain paper copier. Reported here are the technologies involved in this success.
を搭載し、高温雰囲気のリフロー炉で固着する方式であ１ はじめにる。 従来はんだ（共晶はんだ）でも電子部品が搭載され電子製品への特定化学物質（鉛 / 水銀 / カドミューム /たプリント配線板をリフロー炉内にて215℃の高温雰囲気六価クロム/PBB/PBDE）の使用をEUのROHS指令（EUを30秒程印加している。 鉛フリー化すると融点の上昇分

Directive on the Restriction of the use of certain Hazard-を加味し、最低でも 230℃以上の加熱が求められる。

ous Substances in electrical and electronic equipment）

フロー法とは従来からの溶融はんだをはんだ槽ではんでは 2006. ７ . １以降禁止しようとしている。電子機器のだ付けする方式であり、250℃程のはんだ温度にて生産し組み立てに使用されるはんだは鉛を含み、電子機器の稼ている。鉛フリーはんだ化されてもほぼ同様の方式で生働後の埋め立て廃棄に伴って流出する鉛が地下水汚染源産可能である。但し、はんだ材質に対応したフラックスの一つとして指摘され、それを飲料水として摂取した場（はんだ付け部の酸化防止剤）の最適化が必要である。

合の血中濃度の上昇と知能指数低下に関係があるとの報

はんだ鏝による手はんだは鉛フリーはんだの融点の上告が背景にある。同指令は 2003 年には法制化される見通昇分、溶け広がり難さへの対応が必要である。

しである。

２．２

電子部品

日本の電子業界ではJEITA（電子情報技術産業協会）が鉛フリーはんだの融点上昇に伴い、搭載する電子部品

1998年より鉛フリーはんだ実装に関する研究プロジェクトの高耐熱化が求められる。電子部品のリフロー耐熱温度を開始し、定期的に成果報告がされている。当社 OD カは 220℃〜 240℃が一般的であり、鉛フリー対応として耐ンパニーでは 2000 年５月環境委員会の８番目の分科会と熱性の向上（260℃が一般的）が部品メーカーに要求されして 鉛フリー分科会 を発足し、鉛フリー化に向けた技ている。同様にプリント配線板の耐熱温度（樹脂材の軟術検討を開始した。その検討成果と実用化事例を報告す化点 / 膨張係数/ 接着強度）も用途に応じ吟味が必要である。

る。更に、はんだ付けする端子部の表面処理は、従来はんだメッキが多かったが、その表面処理の鉛フリー化も求められる。

２ 鉛フリー化の課題

２．３

生産設備

従来の代表的なはんだは錫 63% 鉛 37%（Sn37Pb）の課題となる顕著な例はリフロー炉である。部品を搭載合金組成であり、溶融温度が 183℃で有る。鉛フリーとしたプリント基板の全領域で、高融点化されたはんだをして開発された代表的なはんだは錫 96.5% 銀３%銅0.5%

十分に溶融する為の最低温度（230℃）を確保し、搭載す（Sn3Ag0.5Cu）の合金組成であり、溶融温度が 220℃で従る電子部品の耐熱を越えない最高温度（240℃）を満足す

来より 37℃上昇する。そのはんだ材質の変更が以下のよる必要がある。つまり、基板全面での温度分布は極小

うな課題を生み、多方面からの検討が必要となった。

（△10℃）化が必要である。ところが、従来のリフロー炉

２．１の構造ではその条件を満足することが出来ない。そこで

実装方法

最近のプリント配線板実装は回路の微細パターン化、熱風吹きつけ/加熱部を多分割ゾーン化するなど、高精度電子部品の小型化/表面実装化が大幅に進み、実装方法もな温度の均一化が課題である。

リフロー法が大半を占めている。リフロー法とはプリン

２．４

ト配線板にクリームはんだを印刷し、その上に電子部品＊ コニカテクノプロダクト 八王子技術センター＊＊ OD カンパニー CS 統括部 製品評価センター＊＊＊ コニカテクノプロダクト 都留技術センター

はんだ付けの信頼性

従来のはんだ付け管理は長い歴史の元、常識化した条件を維持すれば問題なし、との意識が強かった。鉛フリー化に伴って、各種パラメーター（はんだ組成/はんだKONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）97

付け温度 / はんだ付け時間 / フラックス材質 / 部品の端子端子処理は、デバイス / メーカーにより対応がまちまち

処理剤/）に対するはんだ付け強度とその長期耐久性が重で、SnBi/Sn/SnCu/SnAg など複数の表面組成が存在し要な品質管理のポイントとなる。ている。そのため、各組み合わせにおけるはんだ接合の信頼性について事前確認を行っている。

３ 課題への取り組みと得られた成果① 実装用＝ SnPb

端子処理＝ SnPb

② 実装用＝ SnPb

端子処理＝鉛フリー

３．１③ 実装用＝ SnAgCu

端子処理＝ SnPb

④ 実装用＝ SnAgCu

端子処理＝鉛フリー

はんだ材料の決定

主なはんだ材料について、融点 / 強度 / ぬれ性 / コストなどについての比較を行った結果をTable１にまとめる。

３．３
Table1 Characteristic of solder materials

製造条件、生産設備

３．３．１

生産設備

Sn-Ag-Cu 使用による約40℃融点の上昇と電子部品における温度制限の両者を同時に満たすことは製造としては厳しく、従来のリフロー装置では達成出来ない。ここで鉛フリー化におけるリフロー装置の条件を下記の４つに絞った。
① 基板内部品の温度分布（Δt）が５℃以下であること② 高温化ゆえに、急冷が出来ること
材料選定のポイントは、以下の通りである。

③ 反り防止機能を搭載していること①④ 従来より濃度の高い窒素雰囲気が可能なこと

設備能力、電子部品耐熱温度に対してはんだ付け特に、基板上の部品毎の温度分布を出来る限り小さく温度が、高すぎないこと。
②共晶はんだに比べて接合信頼性が劣らないこと。

する必要がある。部品はそのサイズ・材料により熱容量③使用に際して、特許が問題にならないことが異なり、全ての部品のはんだ付け部分に対して規定温以上の観点より、コストの点で不利であるが、信頼度以下でかつ融点以上の温度を与えられるかが、ポイン性を重視して Sn3Ag0.5Cu 組成のはんだを鉛フリーはトとなる。複写機で使用している大サイズ基板は、BGA・んだとして選定した。同材料は JEITA 推奨でもある。

CSP・大型 QFP と熱容量の大きい部品と 1005 チップ等の小型部品の混在により共晶はんだでも困難な部分に対し３．２搭載電子部品の鉛フリー対応

３．２．１てこれを満足することは易しくない。ここではプリヒー

耐熱温度

ト温度やピーク温度の均一性、部品温度 235℃以下リフ

これまで採用してきた電子部品は、共晶はんだでの実ロー下限 230℃、高精度加熱Δ t= ５℃以下を目標に、当装を前提としてきたため、各部品の耐熱温度をその採用社最大級のコンピューター基板を用いて各社のリフローの基準とはしていなかった。しかし、鉛フリーはんだに装置を比較し、導入を実施した。実際には、装置の導入よる高温でのはんだ付けに対しては、品質確保のためにだけではなく工場内の湿度管理の徹底と部品保管におけ耐熱温度を把握した上での採用が必須となった。そこ

る湿度管理、定期的加熱温度監視が運用上の大きな条件で、社内電子部品データベースに各部品耐熱温度を登録となる。

し、実装基板ごとの部品耐熱温度がはんだ付け時のピーまたフロー装置についても、溶融温度の上昇に伴うク温度以上であることを設計段階から確認できるシステ

ヒーター容量 UP、高温による槽自体の浸食、共晶はんだムを構築した。また、電子部品耐熱温度調査の結果より、から鉛フリーへの切替時期の共存対応のため、新規購入鉛フリー実装可能な耐熱温度を240℃以上とし、部品選定や従来装置の改造を実施した。の基準とした。

３．３．２

３．２．２a

電子部品端子処理

製造条件

リフローはんだ条件

前述したように、電子部品の端子処理には鉛を含んだ

Fig.１にリフロー温度プロファイル例を示す。ここではんだメッキが使用されていることが多い。鉛全廃のたのポイントを述べると、A 部；初期時部品にストレスめには、この端子処理にも鉛を使用しないことが必要ととなるような急激な温度上昇を加えないこと（２〜４なる。そこで、耐熱温度と同様に社内電子部品データ℃/s）。Ｂ部；融点温度に上昇させる前にはΔ t を最小ベースに端子処理の鉛フリー化情報を登録し、実装基板化する為、主要なはんだ付けポイントをプリヒート設ごとに電子部品端子の鉛フリー化状況の管理を開始した。

定温度で均一化させる（170 〜 180℃）。Ｃ部；はんだ溶

また、鉛フリー化への移行の過渡期には、以下のよう融温度以上、部品耐熱温度以下になるよう設定するな組み合わせが混在することになる。さらに、鉛フリー（225 〜 235℃）。Ｄ部；はんだの硬化・強度を上げる為、

98

KONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）

必要な加熱の完了後冷却器による強制空冷を実施する。

は記載した通りである。これらの変更が前述の項目にど

一般的に鉛フリーはんだはヌレ性が悪く、ヌレ不足のように影響し、結果として信頼性要求事項が確保できによる接合強度の悪化が問題となる。ここではリフるか評価する必要性がある。

ロー炉内を窒素雰囲気（酸素濃度 1000ppm 以下）にし３．４．１

はんだ自体の酸化を抑制することでヌレ不足を解消する。またこれは外観検査の検出力向上に繋がる。

信頼性試験項目

鉛フリーはんだの実用化に向けての信頼性試験項目とし以下の試験項目を実施する事とした。
① 冷熱衝撃試験② 高温放置試験③ オゾン暴露試験④ マイグレーション試験⑤ はんだ接続部の強度劣化（ピール強度測定試験）⑥ ベンディング試験⑦ 振動試験
⑧ はんだ濡れ性⑨ クリープ試験
上記試験は、鉛フリーはんだに対し、特別に実施するというものではなく、従来からはんだ付け部の接続信頼性を評価する事を目的とした試験である。
JEITAや溶接学会等の研究より、Sn-Ag-Cu系鉛フリー

Fig.1 Reflow profile

はんだは共晶はんだより接続後の信頼性は優れている事s

フローはんだ条件がわかってきている。よって、実用化に向けては、接合基板への挿入部品のはんだ付けは電子部品の面実装が正確、確実に行われている事を確認することが重要と化の加速によって少なくなってきてはいるが、 パワーなってくる。合わせて、製品寿命範囲内で共晶はんだと系・駆動系の基板関連では未だ多く用いられている。

同等以上の接続信頼性を確保している事を確認するため、フローはんだ付けでの注意点は、リフロー部分の再溶評価試験は基本的に共晶はんだとの相対比較をすること融である。まだまだ電子部品自体の鉛フリー化は遅れを前提とした。ており、端子部の表面処理に鉛はんだが用いられてい３．４．２る例が多い。 鉛を含むはんだで端子処理されている電子部品は、フローはんだ付け温度にて、基板上面のリフロー部品面の温度が187℃近辺まで上昇すれば、はん冷熱衝撃試験による評価

冷熱衝撃試験の一例として、鉛フリーはんだで試作、評価した結果を以下に記載する。
a 目的
冷熱衝撃試験後のはんだ付け部の断面観察を実施し、だが再溶融を始めはんだ付け強度の劣化を招くので基板上面の温度プロファイルを165℃以下に設定すること実用化に向けての課題を抽出する。とした。

s

またフローはんだ付けでは、はんだ槽内の材料組成の管理が重要になる。 はんだメッキされた部品端子からの Pb 溶融による混入、プリント配線板の銅箔からの試験条件− 40℃←→125℃ （各 30 分）

500 サイクル実施
d 試料

Cu の槽への混入は避けられず、槽内の材料組成の変化

・Stios7065 画像処理基板

ははんだ融点の低下に繋がり、接合強度に悪影響を及・Sn-Ag-Cu 系

ぼす。定期的に組成管理を行うことが必要となる。

鉛フリーはんだ実装品

・共晶はんだ実装品
f 断面観察結果

３．４

はんだ付けの信頼性

冷熱衝撃試験後の断面観察結果より以下の事が分プリント配線板におけるはんだ付け部の信頼性要求事かった。

項は「電気的接続を製品寿命まで維持確保すること」と整

１）共晶はんだ、鉛フリーはんだともクラックが発生理出来る。つまり、はんだ接続部の断線 / 短絡（マイグする部位に変わりはない。特に注意が必要な部品は、レーション）の発生なきことと言える。

フロー工程で実装されるコネクタ（Fig. ２ /Fig. ３）、上記を左右する要因として、①はんだ外観、②フィおよびリフロー実装のBGAである。
（Fig.４ /Fig.５）

レット形状、③金属間化合物、④内部欠陥などが上げられる。鉛フリー化を推進する中で、共晶はんだと組成が変わることはもちろん、部品実装条件も変わってくる事

KONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）

99

る。
g 改善策の検討
f 項の断面観察結果より、問題事象への対策を検討し、以下の結果を得た。
１）フロー工法時に使用するキャリアの材質を熱容量の小さい材料に変更し、被はんだ付け部品に熱が十分伝わる構造とした。
Fig.2 Connector

Fig.3 Connector

２）リフロー工法時の温度プロファイルの見直しを実施。その結果 BGA はんだボール内のボイドの低減がBlank Condition

After

Thermal Shock Test

確認された。これはピーク温度保持時間を長くする等の対策により、はんだボール内のガスが十分抜けたものと推定する。但し、半導体の耐熱性や、その他の部品耐熱には十分な配慮が必要であり、基板種毎に対応する必要がある。
３．４．３

はんだ接続部の機械的強度劣化

はんだ接続部の機械的強度の劣化を初期および冷熱衝撃試験後で比較した。試料はチップ抵抗、QFP、アルミFig.4 BGA Solder Ball

電解コンデンサである。結果は、冷熱衝撃試験後に強度Blank Condition低下が認められるが、絶対値は共晶はんだ同等以上であり、実用上問題ない結果が得られた。チップ抵抗の結果を Fig. ６に示す。
鉛フリーはんだ
共晶はんだ

Fig.5 BGA Solder Ball After Thermal Shock Test２）はんだ付け部にクラックが発生する主要因は、プリント配線板と電子部品の線膨張係数の違いによるものである。しかしながら、断面観察結果、はんだFig.6 Cyclic stability of share strength

内部のボイドを起点としてクラックが発生している場合が有ることが確認された。よって、クラック発生を助長させる要因としてボイドの発生があると考えられる。

３．４．４

はんだ接続部の接触抵抗変化

冷熱衝撃試験、および、高温放置試験を通じて、はんだ接続部の接触抵抗値変化を観測した。その結果、電気今回、鉛フリーはんだを使用した場合、共晶はんだに比べてボイドの発生が多い傾向が認められた。

的にオープンに至るものは無く、良好な結果が得られた。
チップ抵抗の結果を Fig. ７に示す。

これは、プリヒート温度や BGA のはんだボールの材質にも影響されていると推定される。
鉛フリーはんだ

３）共晶はんだ、鉛フリーはんだともにクラックの発共晶はんだ

生レベルは同等であり大きな差異はない。しかしながら、一般的に、クラックの発生は、はんだの濡れ広がりや、はんだ上がりによって左右される。はん
だ付け条件の適正化は、鉛フリーはんだの接続信頼性を確保するために極めて重要な項目である。
４）はんだクラックは基板表面では微細であっても、内部にてクラックが進行している場合があり、十分注意が必要である。
５）はんだ付け部の評価に際し、断面観察は有効であ100

Fig.7 Cyclic stability of Contact resistance

KONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）

３．４．５

製品寿命に対する試験条件の検証

はんだ付け部の冷熱衝撃試験における加速係数は、一般的に修正 Coffin Manson 式によって予測できる。
この式より前述の試験条件は、機器の一般的な使用環

Sitios7145 への適用評価

鉛フリーはんだの基本特性は把握できたので、量産適用の可否を判断するために、適用予定機種のすべての基板に対して信頼性の評価を実施した。以下にその一例を報告する。

境に対して５年以上であると推定できる。
今回、それを裏付けるため、市場にて５年以上、且つ製品寿命まで稼働した機械より電装基板を回収しはんだa 評価基板
Sitios7145 本体制御基板 （Fig. ８）
Sitios7145 パラメータメモリ基板 （Fig.10）

付け部の断面観察を実施した。
この基板は機内の高温部に配置されており、機内での最悪環境に曝されていたといえる基板である。
a３．４．８s 評価項目①

温度サイクル試験（− 20 ←→ 70℃

外観観察結果
冷熱衝撃試験ではんだクラックが発生した電源コネ②（−40℃←→125℃

各30分500C）

d 評価結果断面観察結果
クラックは内部に進行していたが、冷熱試験品より①

温度サイクル試験
基板２種とも、試験後の基板動作は正常で、外観やや良好な状態を維持していた。
d500C）

冷熱衝撃試験

クタ部に微細なクラックが認められた。
s

各 30 分も特に問題なし。

まとめ
冷熱衝撃試験条件（− 40℃←→ 125℃

各 30 分、500②

冷熱衝撃試験

サイクル）は、劣悪な市場環境下での５年以上を再現

基板２種とも、試験後の基板動作は正常。各部のしていると考えられる。但し、今回はガラスエポキシ

断面観察結果は、本体制御基板にのみ各部にはんだ（FR-4）基板での比較であるため、他種基板に適用すクラックが認められた。
（Fig. ８、Fig.10）

る際には注意が必要である。
３．４．６

はんだ接続部の寿命シミュレーション

冷熱試験結果と市場回収基板より冷熱衝撃試験条件の妥当性が検証できた。更に、今回、シミュレーション技術を用いてはんだ接続部の寿命推定を行った。その結果、今回採用した冷熱衝撃試験条件は、製品寿命を十分保証できる事の結論を得た。以上の結果から「はんだ付け部の寿命予測式（修正 CoffinManson 式）、冷熱衝撃試験、市場回収基板、シミュレーション結果」が、ほぼ一致する事が確認できた。
３．４．７
a

その他試験結果

オゾン暴露試験製品の使用状態におけるオゾン量 / 使用時間を想定し、10ppm/100hr 放置後において、はんだ付け部の接触抵抗及びはんだ付け部外観に異常は無くオゾン環境下での使用においても問題ない結果を得た。
sFig.8 Main

ControlBoard

マイグレーション試験
供試はんだペーストにおいてマイグレーションの発生は無く、良好な結果を得た。
d

振動試験
試験基板は、トランス等、重量電子部品が実装されている DC 電源ユニット（鉛フリーはんだ試作品）とし試験を実施した。試験条件は、加速度 2.5G 一定、周波数 10-55-10Hz（１分間）掃引、加振方向Ｘ , Ｙ , Ｚの３方向、試験時間各２時間実施とした。

結果、部品脱落、はんだクラックの発生無く、良好な結果を得た。

Fig.9 IC6 after Thermal

KONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）

Shock Test

101

４ まとめと今後の課題
鉛フリーはんだ材料、はんだ付け条件、品質確認方法、品質の基準、等実用化技術課題についてはほぼ確立した。
大量に生産される製品の信頼性を、製品寿命まで確実な物とする為には、生産初期の外観検査では検知出来ないはんだ付け接続の信頼性を確保する事、生産プロセスの中で、材料管理 / はんだ条件管理 / 電子部品管理 / 等、製造現場での日々の管理を徹底する事が最も重要である。
現在量産中の製品の中で、電子部品自体の耐熱性が前記温度を確保出来ず、鉛フリー化が未適用な基板もある。
Fig.10 Parameter Memory

電部品メーカーでの部品自体の耐熱性向上対策、低融Board

点はんだ材料による実装検討を精力的に取組中である。

５ 謝辞
本活動は前述のように、第８分科会として検討した成果である、ODC 開発 C/CS 統括部 /KTP 購買 C/KTP 都留事業所 /KTP 技術センターからの委員各位に紙面を借りて感謝致します。
Fig.11 IC2 after Thermal

Shock Test
●参考文献f１）鉛フリーはんだ研究開発成果報告（2000/2001/2002）

まとめ
これまでの評価は、KTP 都留事業所をパイロット工場として中心に行ってきた。しかし、製品への適用評
価においては、実際に量産製品の実装を行う海外 EMS：JEIDA/JEITA
２）鉛 フ リ ー は ん だ 規 格 化 の 為 の 研 究 開 発 プ ロ ジ ェ ク ト 報 告（2000）：日本溶接協会
３）エレクトロ実装学会研究会資料でも行った。そのため、使用する基板材質の違い、リフロー炉、フロー槽などの設備の違いなどが生じ、今回のような結果が出たと推測される。今回行った信頼性試験後に基板の動作上問題がないことは、製品寿命まで基板動作を保証できることとなるが、これまでの検討結果に対して、そのレベルが劣るものについては量産適用を控え、今後の課題として現在対応中である。
３．５

製品への適用本格的な鉛フリー適用製品として Sitios7145 を選定した。その適用では、国内の GPN（Green PurchasingNetwork）
登録を考え、電子部品を基板へ接続するためにはんだを使用している実装基板/電気部品をすべてリストアップし、さらに、各基板/部品で使用しているはんだ量の調査を行った。自社にてコントロール可能な実装基板に合わせ、海外EMSや他社から購入している部品への適用状況 / 計画を調査し、海外 EMS や部品購入先へ積極的に働きかけることにより、適用率の拡大に努めた。その結果、Sitios7145では50％を超える鉛フリーはんだ適用率となりクラスＡを達成することができた。

102

KONICA TECHNICAL REPORT VOL.16（2003）