皆さん、
スズ・鉛共晶はんだやSAC305のような一般的な鉛フリーはんだといったスズ系はんだを用いて銅と銅を半田付けする場合、スズ・銅の金属間結合を形成するには、液状のはんだと銅さえあれば十分です。この単純さ（ただし、1つだけ小さな注意点がありますが）を、私は Speedline Technologiesの同僚たちによって痛感させられました。彼らは、スルーホール部品が実装されたプリント基板を、フラックスを一切使用せずにウェーブはんだ付け機に通しました。その結果は滑稽なものでした。基板には巨大なはんだの氷柱がぶら下がっており、その重さは約10ポンドにもなっていました。 銅の表面に形成された酸化物が、この惨状を引き起こしたのです。その後、窒素ガスを流しながら基板を再度通したところ、出荷可能な状態の美しいウェーブはんだ付け基板が完成しました。つまり実際には、はんだと銅に加えて、フラックスか窒素、できればその両方がウェーブはんだ付けを成功させるために必要ですが、それでも比較的単純なプロセスであることに変わりはありません。
1970年代後半から1980年代初頭にかけてのはんだ研究者を憐れむべきだろう。SMTは新興技術であり、世界中ではんだペーストの需要が高まっていたが、多くの研究者が持っていた経験はウェーブはんだ付けに限られていた。ウェーブはんだ付けにおいて、フラックスの主な役割は、プリント基板のパッドや部品から酸化物を除去することである。はんだは溶融状態にあるため、その酸化は主な懸念事項ではない。はんだ付け工程において、はんだが基板に接触するのはほんの数秒間であり、基板が高温にさらされるのもこの短い期間に限られる。
初期のはんだペーストの中には、ウェーブはんだ付けで使用されるものと同様のはんだ粉末とフラックスを配合したものもあったのではないかと想像します。もしそうだとすれば、おそらくあまりうまく機能しなかったでしょう。 ウェーブはんだ付けにおけるはんだとは、はんだペーストが直面する条件には劇的な違いがあることを考えてみてください。はんだペーストに含まれる「フラックス」は、プリント基板のパッド、部品のリード、およびはんだ粒子から酸化物を除去するだけでなく、リフローオーブン内において数分間、これらすべての表面を再酸化から保護しなければなりません。この保護を実現するためには、「フラックス」には酸素バリアとして機能する物質が含まれている必要があります。 ノークリーンはんだペーストに最も一般的に使用される材料は、ロジン／樹脂です。ロジン、あるいは改質ロジンや合成ロジンである樹脂は、一般的に80～90％のアビエチン酸を含む中～高分子量の有機化合物です。これらは通常、針葉樹に含まれています。ロジン／樹脂は本質的に粘着性があり、リフロー工程において一定のはんだ flux 作用と耐酸化性を発揮します。
私が上記の段落で「フラックス」と書いたのは、多くの人がはんだペースト中のフラックスと呼んでいるものが、実際には複数の材料が複雑に組み合わさったものであるからです。これらの「フラックス」は、以下の成分で構成されています：
- ロジン／樹脂：酸素バリア性およびある程度のフラックス作用を目的として
- レオロジー添加剤：最適な印刷特性（例えば、休止後の回復性の良さ、高い転写効率、優れたスランプ耐性、良好な粘着性など）を実現するため
- 溶剤：他の物質を溶解させるため
- 活性剤：主なフラックス作用（酸化物の除去）を行う
図。はんだペーストは、最も高度に設計された材料の一つである。現代のはんだペーストには、優れた酸素バリア性が求められます。ほとんどのリフロープロファイルにおいて、はんだペーストは150℃以上の温度に数分以上さらされます。この間、はんだ粒子とパッドおよびリードの表面の両方を保護するために、酸素バリアが必要です。
はんだバリア性が不十分な場合の代表的な例として、「グレーピング欠陥」や、それに類似した「ヘッド・イン・ピロー欠陥」が挙げられます。これらの欠陥のいずれかが発生している場合は、酸素バリア性に優れたはんだペーストを使用することで、確実に改善が見込めます。
リフローの前に、はんだペーストは良好な印刷性を持ち、休止時間に対する応答性が良く、せん断希薄化を起こさず、低温スランプに強く、また、部品の実装後にそれを支えるための良好な「タック性」を備えている必要があります。リフロー中は、酸素バリアの問題に加え、はんだペーストは高温スランプを起こしてはならず、「空白を避けるTM」、「『ヘッド・イン・ピロー』（HIP）欠陥を生じさせず、一般的なPWPパッドの表面処理すべてに対応し、さらに熱サイクル、落下衝撃、振動環境下でも信頼性の高いはんだ接合を実現すること。ふぅ！ なんて複雑な課題なんだろう。
したがって、はんだペーストは世界で最も高度にエンジニアリングされた材料の一つであると言えるでしょう……そして、それは間違いなく「コモディティ」ではありません。
乾杯、
ロン博士
