PCB技術 - PCBの鉛フリー溶接用IMCとスズひげ

1.溶接中に働く鉛金属

PCB基板の低温半田付けは、共晶（または共晶）スズ鉛合金（Sn 6 3／Pb 37）をベースとしている。品質が良く、操作が便利で、信頼性があるだけでなく、技術が成熟し、供給が完備し、価格が安いことも鉛の参加のおかげだ。それの唯一の致命的な欠点は人体に有毒で有害である。今、環境保護には鉛を除去しなければなりません。様々な鉛フリーはんだの性能は鉛を含むはんだにはるかに及ばないだけでなく、代替品もありません。私が永遠に去る時、私は突然「鉛」を思い出して、神聖はどこにあるのでしょうか。どうしてそんなに素晴らしいのでしょうか。以下は溶接における鉛の重要な機能のまとめです。

これはスズ鉛合金の様々な割合の均一な構造である

A.鉛はスズと任意の割合で容易に溶融し、均一な合金を形成することができる。相互間に互換性のないD en dr ite SIMCは存在しない。最大で鉛リッチ領域（lead rich area）、すなわちマイクロエッチング後の単色領域にのみ分けられる。鉛含有量は50〜70%wtの間）、またはスズリッチ領域（スズリッチ領域はマイクロエッチング後に黒色、スズ含有量は5〜80%wt）である。鉛は錫と緊密に結合できる唯一の金属である。

B.鉛は錫より11倍安く、これにより半田のコストを下げることができる。また、鉛が存在すると、固体Cuが液体Snに溶解する速度が遅くなり、これにより、溶接点における分岐ダミーIMCの発生を低減し、非常に均一な状態で溶接強度を高めることができる。

C.鉛の融点は32℃であり、錫の融点は2 3 1℃である。合金化後、融点が低下する。共晶成分はSn 6 3/Pb 37 m.P.183℃であり、電子部品や回路基板に危害はない。

D.鉛を20%以上に添加した後、スズは成長しなくなり、またスズ鉛めっきの各種処方は非常に成熟しており、部品の足とPCBめっきに非常に便利である。もちろん、スズ鉛膜や溶接点は会長ではありません。

E.鉛スズ合金Sn 6 3は、低表面張力（380 dyn E/260摂氏度、これはより少ない凝集力を意味する）、低カロリー消費、スズに接触しやすく、非常に短い浸漬時間（平均0.7秒）、非常に小さな接触角を有する。最も主流になることが期待される無鉛SAC 305については、表面張力は460ダイン/260°Cに達し、錫浸漬時間は1.2秒に達し、接触角は4 3-4°である。スズが緩みにくい場合、パッドは通常銅を露出します。

F.鉛錫合金は非常に柔らかく、凝固後の組織は細かく均一で、割れにくい。SAC 305は硬化後に硬いテクスチャ（Ba 1 l She ar Te St 226 Sの偽高読み取り値を有し、これはしばしば無鉛が無鉛より優れており、ヘテロ構造が粗雑で破裂しやすい。

2.SMT加工のスズ−銀−銅無鉛半田IMC

SAC 305について（3.0%Ag、0.5%Cu、残りはSn、略称SAC 305）、その製造過程で成分の均一分布を実現するのは難しい。したがって、全体的に均一な共晶成分を実現することはほとんど不可能である。あり得るSn 63／Pb 37は、加熱と冷却の間にペースト状の状態を経ずに均一な状態に達することはできないが、液化と凝固の間を直接往復し、その構造は明らかなデンドライトを持たずにほぼ均一な状態に達することができる。

SAC 305の冷却過程では、純粋なスズの一部は最初に凝固し、次に分散して樹枝状のフレームを形成する。他の残りの液体材料が各空フレーム内で冷却及び硬化を続けると、それらの体積は収縮及び収縮し、次いで軽い亀裂の収縮（外面の中心部、半田塊の最終冷却）を形成する。輸送中に振動が発生すると、さまざまなマイクロクラックが広がり、強度が悪くなる可能性があります。SAC 305が急速な冷却速度（例えば5−6°C/SeC）で溶接できる限り、ブランチの発生を低減し、より均一な場合、全体的な構造はより精緻になるだろう。

非均一はんだ合金はPCB無鉛はんだ付けにおいて理想的な共晶状態を達成することが困難である

ヘテロはんだ合金は理想的な共晶状態に達するのが難しいため、凝固過程で「ペースト状」（pasty）、すなわち固相（樹枝状）と液相が一時的に共存する過渡期が現れる。硬化が完了するまでに、より多くの不純物と脆弱で不安定な境界があります。

基板溶接におけるマイクロクラック現象

スズの融点は231°C、銀の融点は961°C、銅の融点は1083°C、SAC 305の融点は217°Cにすぎない。そのため、銀を3%添加し、銅を0.5%添加することで合金の融点を低下させる効果があることが知られている。Agの添加は溶接点の硬度と強度を高めることもできるが、溶接点においてAg 3 Snの長IMCを迅速に形成することもあり、長期信頼性に悪影響を与える。銅を添加すると、追加の銅浸透を減らすもう一つの利点がある。ピーク溶接に用いられる鉛フリーはんだでは、銅の量が1.0重量%を超えると、はんだスポットの内部や表面に針状結晶が現れることが多い。強度が低下するだけでなく、針体が長すぎると短絡する問題がある。

ピーク溶接PCB加工は、SACであれ錫銅合金（99.3 Sn、0.7 Cu）であれ、過剰な銅汚染が発生しやすい。この問題を解決する一般的な方法は、補充時に銅ではなく錫や錫、銀を添加することです。しかし、管理プロセスをどのように改善するかには依然として多くの実践経験が必要である。

鉛波溶接の銅汚染が高すぎると、溶接される不平坦な表面は溶接点の強度に悪影響を与える。

鉛フリーピーク溶接では、過剰な銅汚染が橋梁や氷山の問題を引き起こすことが多い