皆さん、
はんだ付けは、現代の電子機器を支える技術です。はんだがなければ、電子機器は存在し得ません。銅の融点は1085°Cですが、はんだを用いることで、現在の鉛フリーはんだであれば約235°C以下で銅と銅を接合することができます。電子パッケージやプリント基板（PWB）は、235°Cを大幅に上回る温度には耐えられない高分子材料でできているため、このような低い温度での接合が求められます。
RoHS規制の導入以前、スズ・鉛はんだの融点は、鉛フリーはんだよりも約35°C低かった。そのため、現在のはんだ付け温度は史上最高水準にある。一部の用途では、スズ・鉛はんだの融点に近い温度で溶融するはんだが望ましい場合もある。こうした要望から、スズ・ビスマスはんだなどの低融点はんだへの関心が高まっている。 共晶SnBiの融点は138°Cであるため、170°C前後のリフローオーブン温度で使用可能です。このような低いリフロー温度は、一部の壊れやすい部品やプリント基板（PWB）への負担が少なく、PWBのポップコーニングやミースリングといった欠陥を低減します。しかし、SnBiは融点が低いため、自動車や軍事用途など、過酷な環境下での使用には制限があります。 経験則として、はんだはケルビン温度スケールでその融点の80～90％を超える温度で使用すべきではない。SnBiはんだの場合、この温度範囲は55.8～96.9°Cとなる。これらの温度は、一部の過酷な環境における使用温度をはるかに下回っている。さらに、SnBiはんだは脆くなりやすいため、落下衝撃試験では性能が低下する。
So, the electronics world could use a solder that can reflow at a little over 200°C, but still have a high use temperature. This situation would appear to be an unsolvable conundrum. However, my colleagues at Indium Corporation, lead by Dr. Ning-Cheng Lee, have solved it. They used an indium-containing solder powder, Powder A, that melts at <180°C and combined it with Powder B that melts at ~220°C. By reflowing at about 205°C, Powder A melts and Powder B is dissolved by the melted Powder A. To achieve this effect, the 205°C temperature must be held for approximately two minutes. The remelt temperature of the final solder joint is above 180°C. I discussed the phenomenon of a liquid metal dissolving another that melts at a higher temperature in a previous post. An extreme example of this effect is mercury dissolving gold at room temperature. So, don’t drop any gold or silver jewelry into a wave soldering pot and expect to fish it out an hour later!
粉末Aは、113°Cと140°Cの両方で融解が見られるため、単独では候補とはならない。
上記の基準に基づき、この新しいはんだ粉末混合物の使用温度は、再溶融温度が180°C以上であるため、リフロー後の89.4～134.7°Cの範囲内となります。リー博士とそのチームが実施した試験では、このはんだペーストを用いて形成されたはんだ接合部は、熱サイクル特性および落下衝撃特性において良好から優れた性能を示すことが確認されました。この新しいはんだペーストは「DurafuseTMLT」と呼ばれています。
図1～3は、ピークリフロー温度205°Cにおいて、2種類の粉末がどのように溶融するかを模式的に示している。
図1. 室温における粉末Aと粉末B。
図2. 205°Cでは、粉末Aが溶融し、粉末Bへと溶解し始めている。
図3. 205°Cで約1分間保持すると、粉末Bが溶解し始める。十分な時間を置けば、粉末Bは粉末A中に完全に溶解し、再溶融温度が180°Cを超え、熱サイクル特性および落下衝撃特性が良好から極めて良好な新しい合金が得られる。
私にとって、この発明はここ数十年でSMT分野において最も重要な発明の一つです。これは、はんだ付けにおける「聖杯」のようなものだとさえ言えるでしょう。つまり、低温で溶融し、高温環境下でも長寿命を実現するものです。Durafuse™ LT に関する詳細については、インジウム・コーポレーションの同僚であるクレア・ホットヴェットが投稿したブログ記事をご覧ください。
乾杯
ロン博士
追伸：使用温度を計算するためのExcel®スプレッドシート を作成しました。このスプレッドシートは摂氏（℃）をケルビン（K）に変換する機能を備えており、上記の使用温度の計算にもこれを使用しました。もしこのスプレッドシートをご希望でしたら、[email protected] までご連絡ください。
