無洗浄はんだを使用しているのに、なぜ洗浄する必要性があるのか

無洗浄はんだとは？

無洗浄はんだは、電子部品実装の際に使用されるはんだの一種で、洗浄工程が不要な特性を持っています。
無洗浄はんだは主に低活性なフラックスをベースとして構成され、製品を組み立てた後にもフラックス残渣が安定化し、洗浄を必要としない設計になっているためです。
この無洗浄はんだは、優れた接合性・絶縁特性・対候性を備えています。

洗浄タイプと無洗浄タイプの違い

洗浄タイプと無洗浄タイプのはんだの主な違いは、洗浄工程の必要性とその特性にあります。

洗浄タイプ

溶剤や水による洗浄を前提としたはんだ

高活性な物質を多く含んでいるため、洗浄は必須
洗浄を前提としているので、ワーク表面のフラックスを除去しやすい組成

無洗浄タイプ

フラックス残渣を安定化させた状態とし、洗浄工程が不要なはんだ

洗浄を前提としていないため、溶剤や水への溶解性が乏しい原料も含まれている
洗浄には工夫が必要

無洗浄タイプのはんだは、対候性に優れており、溶剤や温度の変化に対して非常に耐久性が高いため、洗浄を必要としません。
そのため、無洗浄タイプのはんだを洗浄する場合、耐久性が高く安定化している残渣を剥がす行為になるので、洗浄タイプのはんだを洗浄する場合を比べると、洗浄の難易度は格段に高まります。

現代の電子部品実装において、はんだの性能要求がますます高まっています。
単に物をつなげるだけでなく、耐熱性や放熱性、微細接合性など、多岐に渡る要件を満たす必要があります。
特に、パワーデバイスのような高負荷の部品には、ヒートサイクル耐性や接合強度などより高い性能が求められます。
また、最近では、ボイド対策や濡れ性向上のために、改良されたチキソ剤やポリマーを添加している事例もあり、化学的要素も含めた総合的な性能向上が実現されています。

無洗浄はんだは洗浄を考慮した材料選定の制約がなく構成原料の自由度が高いため、様々な特性を付与しやすく、上記で列挙した特性を網羅できるはんだの実現が可能となります。
近年では様々な環境に対応できるようさらなるフラックス残渣の安定化要求が多くなり、絶縁特性や対候性をさらに向上させたものが開発されています。
無洗浄はんだの高機能化に伴い、製品設計の初期段階から無洗浄はんだを選定するケースが日本国内では一般的となっています。

2 | 製造コストの削減

洗浄工程は、製造プロセスにおける追加の工程を意味します。洗浄剤の使用やエネルギー消費に関連し、コストアップに繋がります。多くのユーザーは、工程簡素化やコスト削減を重視しており、無洗浄はんだを採用することで洗浄工程を削減することは、製造コスト低減に貢献しています。

無洗浄はんだの洗浄需要はなぜ生じるのか？

これまで開発されてきた高性能な無洗浄はんだを使用していながらも、あえて洗浄を求めるという、相反する動きが市場で見られます。
そこには、主に2つの要因が影響しています。

1 | パワーデバイスの進化と信頼性確保の取り組み

近年では、電動車（EV）や燃料電池、高感度センサの制御基板など、信頼性が求められる分野において、残渣フリーレベルの高清浄度が必要とされています。また、航空・軍事関連の製品の多くは信頼性の確保のために洗浄工程が必須です。
このような分野では、高性能な無洗浄はんだが使用されつつも、信頼性を確保する観点から洗浄が求められるという相反するニーズが存在します。

さらに、近年は製品の多層化、薄層化、および搭載部品の微細化が進んでおり、特に大電流・高電圧・高温に対応が必要な製品は、フラックス残渣起因で製品の信頼性や絶縁特性が損なわれる可能性があることから、無洗浄はんだの洗浄が必要なケースが増えています。

一例として、5Gデバイスにおいて無洗浄タイプのはんだを使用して、不具合が起きた事例をご紹介します。

➊コーティングの密着不良

残渣があると表面が均一ではないので、密着しにくくなる

コーティング時の有機溶剤との接触や熱の影響で、フラックス残渣は不安定化する危険性が高まる

➋結露の発生

5Gデバイスは電流値が大きく、熱が発生し結露が起きやすい

結露によってコーティング内で水が発生、またワークの発熱により、フラックス残渣は不安定化しやすい

➌マイグレーションの促進

5Gデバイスはバンプ形成が高密度のため電極間の距離が近く絶縁特性を維持するのはシビアとなるが、フラックス残渣に含まれるイオン成分がマイグレーションを助長する

最終的にショートやリークが発生し、絶縁特性が担保できないという影響が出ました。

2 | 海外と日本の洗浄に対する認識のギャップ

現在、日本国内で流通している無洗浄タイプのはんだやフラックスは、アメリカ、欧州、アジアを含む世界中で使用されています。
特に、一般的な民生品において無洗浄化が進んでおり、洗浄不要の製品が主流となっています。海外でも無洗浄はんだ・フラックスの適用例は数多くあります。

しかし、国際的な視点から見ると、数年前から高信頼性を求める分野では洗浄の必要性が高まり、信頼性が問われる製品においては「洗浄」がスタンダードとなっています。

欧州では高信頼性の部品、具体的には自動車の駆動部分など、洗浄を通じて懸念物質を残さないことが基本原則です。
この地域では、懸念物質を最小限に抑えることが目指されており、無洗浄はんだを使用していても、洗浄して懸念物質を残さないことが一般的なアプローチです。

中国などのアジア地域も同様で、信頼性の要求から、欧州に追随するような形で必要に応じて洗浄行います。

一方、日本では高信頼が求められる電子部品でも特段問題が生じていなければ無洗浄での対応が主流となっています。
そのため、海外との洗浄に対する認識の違いが、日本企業のビジネスに悪影響を与えてしまうケースが出てきています。
無洗浄はんだで処理した高信頼性の部品を、海外企業に販売しようとしても、海外では信頼性確保のために洗浄が必須という認識のため、無洗浄はんだの洗浄を求められるケースがあります。