鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ：専門家による比較と実践ガイド

ほぼすべての電子機器で、はんだは部品を基板に固定する「接着剤」として使用されています。鉛フリーはんだと鉛入りはんだのどちらであっても、基本的な機能はほぼ同じです。しかし、製品や用途によっては異のはんだが求められる場合があります。

はんだの選択は、はんだ付けプロセスに大きな影響を与えます。間違った選択をすると、はんだ付け作業が困難になります。必要なのは、はんだの種類と選択基準に関する理論的な知識を深めることです。そうすれば、スムーズなはんだ付けプロセスを実現できます。

目的に応じて、鉛入りはんだと鉛フリーはんだのどちらかを選択できます。それぞれにメリットとデメリットがあるため、はんだ接合の品質を確保するには、自分の用途に最適な選択肢を見極める必要があります。

（はんだごて先の自動製造工程：はんだ付けおよびプリント基板の組み立て用）

1. はんだとは？

そもそも「はんだ」とは何でしょうか？ なぜ鉛入りはんだではなく鉛フリーはんだを使うのでしょうか？ 両者にデメリットはあるのでしょうか？ 本記事では、鉛フリーはんだと鉛入りはんだについて詳しく解説します。読み終える頃には、両者について知っておくべきことがすべて理解できるでしょう。

まず、はんだとは何か。はんだは、鉛とスズからなる金属合金で、高温（約600°F / 316℃）に熱したこてで溶かして使用します。冷却すると強固な電気的接合が形成されます。

電子業界で伝統的に使用されてきたはんだは、鉛とスズの混合物です。重要なのは、用途によって異なる種類のはんだが使われることです。配管工事でも大量にはんだが使用されています。

電子機器組み立てで使われる一般的なはんだは、鉛40%、スズ60%の割合で、「共晶混合物」と呼ばれます。これは化学用語ですが、この混合物は予想よりも低い温度で溶けるという特徴があります。

（電子部品実装基板のはんだ付け工程）

2. 鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ

はんだの基本を理解したところで、鉛フリーはんだと鉛入りはんだの違いを見ていきましょう。鉛入りはんだの用途は？ ここでは両者の明確な違いと、特に電子業界における鉛入りはんだの主なメリットを解説します。

電子機器における鉛の使用量削減の流れを受け、現在では鉛フリーはんだがほぼあらゆる場面で採用されています。健康と環境への配慮から、一部の指令では鉛を含む従来のはんだの商業利用を禁止しています。つまり、従来型の鉛入りはんだは、あらゆるはんだ付け作業（特にホビーユース）で入手できなくなりつつあります。

近年、従来のスズ-鉛はんだは、さまざまな鉛フリーはんだに急速に置き換わっています。市場には複数の種類が登場しており、例えばスズ99.3%、銅0.7%の組成などがあります。

しかし、これらはホビーユーザーや自作ユーザーにとって問題にはなりません。新しい鉛フリーはんだは、従来のはんだとほぼ同じように機能します。

一方、鉛入りはんだはどうでしょうか。

鉛ベースのはんだは、エレクトロニクス革命の出発点となりました。スズ60%、鉛40%の混合物で、融点は約170〜190℃です。「軟らかいはんだ」とも呼ばれ、融点が低いため扱いやすく、またウィスカ（ヒゲ状の金属結晶）の発生を抑える効果もあります。

鉛入りはんだを使う理由はたくさんあります。多くのホビーユーザーは、ほぼすべてのプロジェクトで鉛フリーはんだを使用しています。非商用プロジェクトや公的用途では、鉛入りはんだを使用することもあります。これらのプロジェクトでは、RoHS指令のような厳格な規制は適用されません。

鉛入りはんだは、融点が高いためプロジェクトに適しています。ここでは高熱を必要としません。融点が高いため冷却時間が短く、コールドジョイント（不良はんだ）のリスクが低減します。

鉛入りはんだなら、ホビーユーザーは大量のはんだを消費しません。商業メーカーとは異なり、冷却が速いため使用量が少なく、廃棄物も減らせます。使用量が少ないため、多くのホビーユーザーは規制の影響を受けずに済んでいます。

（鉛フリーはんだ、はんだ付け工具、グリーンのプリント基板）

3. なぜ鉛フリーはんだを使うのか？

鉛フリーはんだは、鉛入りはんだと比較して優れています。鉛フリーはんだに切り替えたPCBAアセンブラーは、そのメリットを実感しています。

新しいRoHS規制

まず、RoHS指令への準拠のために鉛フリーはんだを使用します。RoHS（有害物質制限指令）は電子業界全体に影響を与え、電子製品の製造にも関わっています。EU発祥のこの指令は、電子製品製造における有害化学物質の使用を制限しています。

RoHS規制に基づき、すべての指令を満たさない電子機器メーカーはビジネスができません。2006年7月1日以降、対象製品はすべてRoHS指令をパスする必要があります。鉛以外にも、フタル酸ベンジルブチル、六価クロム、フタル酸ジイソブチルなどが規制対象です。

環境保護

RoHS規制以外にも、環境保護の観点から鉛フリーはんだを採用するアセンブラーが増えています。地面に染み出した鉛は土壌、大気、水質へと広がり、長期間環境に留まり続けます。

燃料中の鉛は、特に都市部で大気汚染を引き起こします。高速道路沿いの土壌には時間とともに鉛が蓄積します。粉塵が舞うと鉛粒子が湖や川へ流入し、水生生物や周辺住民に悪影響を及ぼす可能性があります。

鉛汚染された飲料水を長期間摂取すると危険です。高濃度の鉛曝露は、虚弱、貧血、脳障害、腎臓障害を引き起こす恐れがあります。妊婦にとっては特に危険で、胎児の神経系にダメージを与える可能性があります。

より良いPCBはんだ付け

最後に、メーカーが鉛フリーはんだを採用する理由は、PCBはんだ付けの結果が良好だからです。鉛フリーはんだはリフロー時に広がりにくいため、PCBはんだ付けの仕上がりが向上します。鉛フリーはんだ付けでは、急速なステンシル摩耗やその他の重大な問題が発生しにくくなります。

鉛入りはんだを使用する基板メーカーは、ボイド（気泡）やスルーホールフィレットのリフティング（浮き上がり）を経験しやすくなります。これらは鉛入りはんだ使用時に発生しやすい事例です。一方、鉛フリーはんだを使用すれば、PCB上の結果は優秀です。

鉛フリーと鉛入りのはんだで仕上がったPCBを比較すると、大きな違いがわかります。鉛フリーPCBから生まれる製品は完璧です。鉛フリーはんだを使えば、すべての部品が基板にしっかりと固定されます。

（白背景に隔離された鉛入りはんだワイヤーのロール）

4. 鉛フリーはんだのデメリット（鉛入りはんだと比較して）

鉛入りはんだは扱いやすい

鉛フリーはんだも優れた性能を発揮しますが、鉛入りはんだが勝る分野もあります。まず、鉛入りはんだが比較的扱いやすい点です。幼児が誤飲しても、体内で毒性として吸収されます。（※原文の意訳：鉛の毒性はよく知られていますが、物理的な取り扱い自体は容易です）

鉛フリーはんだとは異なり、純鉛は手から簡単に拭き取れます。鉛フリーはんだではそうはいきません。また、鉛入りはんだは学習しやすいです。はんだについて学びたいなら、まず鉛入りはんだで訓練を受けるのが一般的です。

低温で溶ける

扱いやすさに加え、鉛入りはんだは溶解温度が低いです。鉛フリーはんだは約217℃/422°Fで溶けますが、鉛ベースのはんだは183℃/361°Fで溶けます。電子部品とPCB材料は、非常に高い温度に耐えられる必要があります。

ヘッド（こて先）の品質トラブルが少ない

鉛入りはんだなら、こて先の品質トラブルも少ないです。鉛フリーはんだ付けには高ワットのこてが必要で、これがこて先を傷める原因になります。その結果、基板に品質問題が生じることもあります。鉛入りはんだなら、こうした事態を避けられます。多くの基板メーカーがこの点を熟知しています。

鉛フリーはんだ付けでは高温が必要なため、こて先を素早く交換しなければならないケースがあります。しかし、鉛入りはんだならその心配がありません。

表面張力の不足

鉛フリーはんだの最大のデメリットは、表面張力が不足していることです。鉛フリーはんだは外力に耐えられません。過酷な環境にさらされると、部品が容易に剥がれてしまう可能性があります。

保存期間（シェルフライフ）

メーカーが使用する鉛入りはんだフラックスの保存期間は延長可能です。しかし、鉛フリーはんだではそうはいきません。鉛フリーはんだは酸素にさらされると劣化が早まり、長期保存が困難です。純鉛は劣化メカニズムが少なく、鉛フリーはんだと比べて保存期間が2倍長いです。

（プリント基板上の鉛フリーはんだ付け部品）

5. 鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ：性能の違い

融点の違い

性能面では、鉛入りと鉛フリーのはんだはわずかに異なります。最初の違いは融点です。鉛フリーはんだは、より高温のこてを必要とします。融点が高いため、より長いウェルタイム（溶融保持時間）が必要になります。

前述の通り、従来の鉛入りはんだの融点は約183℃です。一方、鉛フリーはんだは217℃です。鉛フリーはんだの融点が高いため、いくつかの影響が生じます。例えば、温度上昇によりはんだが酸化しやすくなります。また、はんだ付け温度が電解コンデンサに影響を与える可能性があります。

ウェッタビリティ（濡れ性）

濡れ性の違いも重要な差異です。PCBにおいて、ウェッティングとは溶融はんだペーストが部品とどれだけ適切に結合するかを指します。不十分なウェッティングのはんだは灰色で鈍く見えます。鉛フリーはんだではウェッティングが遅く、見た目も鈍い傾向があります。一方、従来の鉛入りはんだ接合部は光沢があり、きれいです。濡れ性不足はPCB接合部の性能低下や、基板の高い不良率につながります。

適用温度の違い

最後に、適用温度の違いも性能差の一つです。鉛フリーはんだは高温のこてを必要とします。鉛入りはんだではそうではありません。リメルト（再溶融）温度も、鉛フリーはんだの方が鉛入りはんだより高く設定する必要があります。

（鉛フリーはんだとはんだごてのクローズアップ）

6. 鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ：物理的な違い

鉛入りはんだと鉛フリーはんだには、いくつかの物理的違いがあります。最大の違いは原材料です。両者の製造にはフラックスを使用します。鉛入りはんだペーストを加えると「鉛フラックス」と呼び、鉛フリーはんだペーストを加えると「鉛フリーフラックス」と呼ばれます。

次に用途の違いがあります。主に鉛入りはんだはホビーユーザーのプロジェクトで使用されます。これらのプロジェクトは厳格なRoHSガイドラインの対象外です。一方、鉛フリーはんだは、RoHS指令を満たす必要がある本格的なプロジェクトに適用されます。

鉛フリーはんだ接合部は灰色で鈍く、粗い外観になりがちです。一方、鉛入りはんだ接合部の多くは光沢があり、きれいで、磨かれたような柔らかな外観をしています。密度の面から見ると、鉛入りはんだの方が鉛フリーはんだよりわずかに重いです。鉛入りはんだは8.5g/m²、鉛フリーはんだは3.5g/m²です。

（白背景に隔離された鉛フリーはんだ）

7. 鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ：鉛フリーはんだが引き起こす欠陥

RoHS準拠の鉛フリーはんだ付けは、もはや新しい概念ではありません。数十万の基板アセンブラーが組み立て時に使用しています。しかし、鉛フリーはんだ付けにはいくつかの顕著な欠陥があり、特に厚い多層PCBで問題になります。

ウィスカ（錫ヒゲ）

ここでは、鉛フリーはんだによって引き起こされる主要な欠陥を検証します。第一は「ウィスカ（錫ヒゲ）」です。ウィスカは、最終表面仕上げがスズで構成されるPCB表面から突き出る、細く導電性の針状またはフィラメント状の構造物です。

残念ながら、ウィスカは鉛フリーはんだによって引き起こされる重大な欠陥です。ウィスカは基板上で短絡を引き起こします。これを防ぐには、はんだごての経験が必要です。鉛フリーはんだを扱うには、十分な経験、練習、知識が求められます。

金属デンドライトの成長

ウィスカの成長に加え、鉛フリーはんだによって引き起こされるもう一つの問題が「金属デンドライトの成長」です。デンドライトは、PCB絶縁表面に見られる樹枝状の金属酸化物堆積物や金属片です。

金属デンドライトは、ウィスカとは異なる複数の成長メカニズムを持ち、イオンの電気移動によって発生します。これも基板にとって危険で、短絡を引き起こし、基板機能に影響を与えます。

CAF（導電性アノードフィラメント）の発生

第三に、鉛フリーはんだはCAF（Conductive Anode Filament：導電性アノードフィラメント）を発生させる傾向があります。CAFも電気化学反応によって発生します。前二者と同様、CAFもPCB故障の大きな原因となります。

鉛フリーはんだ付けは鉛入りはんだ付けより理想的ですが、デメリットもあります。CAFはその一つです。メーカーが早期に対処しなければ、後で大きなコストを招く可能性があります。

錫疫（すずえき） / 錫欠陥

最後に、錫疫または錫欠陥も鉛フリーはんだの引き起こす問題です。多くの電子機器メーカーがこの分野で苦労しています。錫疫/欠陥の発生は望ましくありません。

錫疫は、自発的な多形相転移の際に発生します。温度が13℃以下になると、顕著な変化が起きます。白錫（密度7.30g/cm³）から灰色錫（密度5.77g/cm³）へと変化します。

理論上、錫疫/欠陥は信頼性リスクとなり得ます。多くの基板メーカーは、錫疫の発生を防ぐために最善を尽くしています。信頼性リスクにはなり得ますが、スズには通常不純物が混入しているため、実際には滅多に発生しません。

以上が鉛フリーはんだ使用時に発生し得る主な欠陥です。これらがすべてではありません。他にも銅汚染、銅侵食、フィレットリフティング、収縮ボイド、流動性低下、動作パラメータの厳格化などの報告があります。

ご覧の通り、鉛フリーはんだの引き起こす欠陥は多岐にわたります。しかし、これらを排除または最小化するのは、それほど困難ではありません。メーカーが最新のはんだ付け技術を遵守すれば、これらの問題を回避できます。

（鉛フリーはんだ付けの欠陥）

8. 鉛フリーはんだ vs 鉛入りはんだ：最適なはんだ付けソリューションの選び方

どの種類のはんだを使うべきか、どう判断すればよいでしょうか？ 鉛入りか、鉛フリーか？ 長い間、鉛ベースのはんだは普遍的なものとされ、誰も疑いませんでした。しかし、鉛が人体に有害であることが判明すると、状況は変わり始めました。

鉛は肝不全や腎臓障害を引き起こします。妊婦が摂取するとさらに深刻です。鉛の有害性が広く知られるようになると、鉛フリーはんだへの移行運動が始まりました。鉛フリーはんだは鉛を含みません。大手商業電子機器メーカーは、鉛フリーはんだの使用を強調しています。

今日、注意深く観察すれば、ほぼすべての電子機器に鉛フリーはんだが適用されていることがわかります。一部では「扱いにくい（融点が高いなど）」との声もありますが、これらの困難は徐々に克服されています。

現時点で言えるのは、はんだの選択はあなたのプロジェクト次第だということです。はんだ付けを学びたいホビーユーザーですか？ 商用の基板メーカーではないですか？ それなら、鉛入りはんだが適しています。安価で、非商用ならRoHS指令に違反しません。

一方、製品を販売する高品質メーカーなら、鉛フリーはんだを選ぶべきです。鉛フリーはんだは環境に優しく、人体に無害です。また、最高レベルの基板はんだ付け結果をもたらします。品質を最優先するなら、鉛フリーはんだ一択です。

（鉛フリーはんだで基板を修理する様子）

まとめ

以上が、鉛フリーはんだと鉛入りはんだについて知っておくべき包括的なガイドです。プロジェクトに応じて、鉛入りはんだと鉛フリーはんだのどちらかを選択する必要があります。鉛入りはんだを使うと、当局とのトラブルになる可能性があるため注意してください。鉛フリーはんだでの作業が、最良の結果をもたらします。

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