はんだペーストの種類：IPCグレード、合金、および選定ガイド

はじめに

はんだペーストは、SMTリフローはんだ付けプロセスにおける重要な材料であり、その性能ははんだ接合部の品質に影響を与えるだけでなく、生産効率、プロセスの安定性、および製品の信頼性とも密接に関連しています。さまざまな電子製品、パッケージ形態、製造要件に対応するため、適切にはんだペーストを選択するには、合金系、プロセス条件、最終用途など、複数の要素を総合的に考慮する必要があります。
現在、業界で一般的に使用されているはんだペーストは、合金系、フラックス種、粉末粒度など、多角的な観点から分類することができます。さらに、パワー半導体や先進的なパッケージング技術の発展に伴い、焼結型相互接続材料も一部の用途において重要な選択肢となりつつあります。したがって、明確な分類体系を確立することは、異なる材料の特徴や適用シーンをより正確に理解する上で役立ちます。
本稿では、はんだペーストの組成、主流のスズ系はんだペースト体系、焼結型相互接続材料、IPC粒度等級、および選定方法について解説し、関連する業界標準と併せて、読者が異なるはんだペースト間の違いをより体系的に理解できるよう支援し、電子製造における材料選定の参考となる情報を提供します。

はんだペーストの基本構成と分類基準

1. はんだペーストの構成成分
SMTリフローはんだ付けで使用されるはんだペーストは、通常、はんだ粉末とはんだ flux 系から構成されており、溶剤、樹脂、および少量の機能性添加剤も含まれています。これらの成分が相まって、はんだペーストの印刷性能、リフロー特性、およびはんだ接合部の品質を決定します。

SMT製造工程において、はんだペーストはまずステンシルを介してPCBのパッド表面に印刷され、その後、部品の実装が行われ、リフロー炉で加熱されてはんだが溶融し、はんだ接点が形成されます。
このプロセス全体において、はんだペーストははんだ接点の外観に影響を与えるだけでなく、ブリッジ、ボイド、トート、濡れ不良などのはんだ付け欠陥にも直接的な影響を及ぼすため、その性能はPCBの設計、部品のパッケージング、およびリフロープロセスと適合している必要があります。

2. はんだペーストの分類基準
合金体系による分類
これは電子製造において比較的よく見られる分類方法であり、本稿の後半で重点的に紹介する内容でもあります。一般的な合金系には以下が含まれます：
•  スズ・銀・銅系（SAC）
•  スズ・銅系（Sn-Cu）
•  スズ・ビスマス系（Sn-Bi、Sn-Bi-Ag）
•  スズ・鉛系（Sn-Pb）
合金系ごとに融点、濡れ性、機械的強度、熱サイクル特性が異なるため、それぞれ異なる製品やプロセス要件に適しています。
プロセス温度による分類
はんだペーストは、リフロー温度に基づいて分類することもできます。例えば：

留意すべき点は、低温はんだペーストは独立した材料体系ではなく、スズ系はんだペーストの応用分野の一つであるということです。例えば、Sn-Biシリーズは本質的には依然としてスズ系合金に属しますが、融点が低いため、通常は低温リフロープロセスに単独で使用されます。
フラックス系による分類
フラックス系は、主にリフロー後のはんだペーストの残留状況やその後の洗浄要件に影響を与えます。一般的なタイプには以下があります：
•  洗浄不要はんだペースト
•  水溶性はんだペースト
•  ロジン系はんだペースト
例えば、民生用電子製品では、洗浄工程を削減するために洗浄不要はんだペーストが頻繁に使用されます。一方、一部の高信頼性電子製品では、製造プロセスの要件に応じて、後工程での洗浄方法を採用する場合があります。
したがって、「洗浄不要」はフラックス体系の分類に属するものであり、合金の分類ではありません。
はんだ粉末の粒度による分類
電子製品が高密度・小型化へと進化し続けるにつれ、はんだ粉末の粒子径も印刷品質に影響を与える重要な要素となっています。
IPC規格では、はんだ粉末の粒子サイズに基づき、はんだペーストをType 3、Type 4、Type 5、Type 6などの異なる等級に分類しており、粒子サイズによって適したステンシル開口サイズや部品パッケージが異なります。
粒度等級および用途の違いについては、本記事の後の章で詳しく解説します。

3. はんだペーストの分類ロジック
はんだペーストは複数の観点から分類できるため、異なる規格を混在させて使用すると、概念の重複が生じやすくなります。例えば、「スズはんだペースト」「低温はんだペースト」「ノークリーンはんだペースト」を同一レベルで比較すると、これらはそれぞれ合金系、プロセス温度、フラックス系の3つの異なる観点に対応しており、包括的な技術的理解を確立する上で不適切です。
したがって、本稿では以下の論理に沿って展開します：
•  合金系を主軸として、SMTリフローはんだ付けで一般的に使用されるスズ系はんだペーストを紹介する；
•  焼結型相互接続材料を個別に紹介し、従来のリフローはんだペーストとのプロセス上の違いを明確にする；
•  IPC規格を踏まえ、異なる粒度等級と印刷プロセスの対応関係を分析する；

SMTリフローはんだ付けの主流：スズ系はんだペースト体系

現代の電子機器組立において、SMTリフローはんだ付けプロセスの大部分では、スズ系はんだペーストが採用されています。いわゆる「スズ系」とは、スズ（Sn）を合金の主成分とし、用途に応じて銀（Ag）、銅（Cu）、ビスマス（Bi）、あるいは鉛（Pb）などの元素を添加し、異なる融点、濡れ性、および信頼性を実現したものを指します。
現在、業界で一般的に使用されているスズ系はんだペーストには、主にスズ・銀・銅系（SAC）、スズ・銅系（Sn-Cu）、スズ・ビスマス系（Sn-Bi）、およびスズ・鉛系（Sn-Pb）の4つのカテゴリーがあります。

1. スズ・銀・銅系（SAC）――鉛フリーSMTの主流ソリューション
スズ・銀・銅系はんだペースト（Sn-Ag-Cu）は、通常SACはんだペーストと略称され、現在の鉛フリーSMTリフローはんだ付けにおいて広く採用されている合金系の一つである。RoHS規制が世界の電子製造業界で普及するにつれ、SACシリーズは民生用電子機器、産業用電子機器、および自動車用電子機器において主流の選択肢となりつつある。
代表的なグレードには以下が含まれます：
•  SAC305（Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5）
•  SAC0307（Sn99.0/Ag0.3/Cu0.7）
•  SAC405（Sn95.5/Ag4.0/Cu0.5）
配合の違いにより、銀含有量、コスト、はんだ付け性能に一定の差異があり、企業は通常、製品のポジショニングや製造プロセスの要件に基づいて選択を行います。
SACシリーズの主な特徴
•  濡れ性が良好で、均一なはんだ接点の形成に有利
•  優れた機械的強度と熱疲労性能を備えている
•  主流の鉛フリーリフローはんだ付けプロセスに対応可能
•  成熟したサプライチェーンと豊富な実用実績が確立されている

2. スズ・銅系（Sn-Cu）――低コストソリューション
スズ・銅系はんだペースト（Sn-Cu）は、もう一つの一般的な鉛フリースズ系はんだペーストであり、その主な合金成分はスズ（Sn）と銅（Cu）です。SACシリーズと比較して、Sn-Cu系には銀が含まれていないため、材料コストが比較的低く、コストに敏感な場合や、製造プロセスが比較的成熟している一部の電子機器製造現場において、一定の応用実績があります。
業界で比較的よく見られるグレードには、Sn99.3Cu0.7（Sn0.7Cu）などがあり、その液相線温度は約227℃で、標準的な鉛フリーSMTリフローはんだ付けプロセスに適しています。
なお、Sn-Cuはスズ系はんだペーストであり、「銅はんだペースト」ではない。合金に銅元素が添加されているものの、スズが依然として主成分であるため、スズ系合金として分類されるべきである。
Sn-Cuはんだペーストの特徴
•  合金体系が比較的単純で、材料コストが低い
•  多くの標準的なSMTリフローはんだ付けの要件を満たす
•  導電性能およびはんだ付け性能は、一般的な電子製品の用途を満たす
•  確立された鉛フリー生産プロセスに適している
SACシリーズと比較して、Sn-Cuはんだペーストは熱疲労特性や濡れ性において一定の差異が生じる可能性があるため、長期的な熱サイクルや高信頼性が要求される用途においては、通常、製品の使用環境を考慮した上で総合的な評価を行う必要がある。

3. スズ・ビスマス系（Sn-Bi / Sn-Bi-Ag）——スズ系はんだペーストの低温タイプ
フレキシブルエレクトロニクス、小型化デバイス、および熱に敏感な部品の絶え間ない発展に伴い、PCBや部品が受ける熱応力を低減するため、リフロー温度の引き下げを求める製品が増えています。このような背景から、スズ・ビスマス系はんだペースト（Sn-Bi）は、低温SMTリフローはんだ付けにおける重要な材料となりつつあります。
強調すべき点は、低温はんだペーストが独立した材料カテゴリーではなく、スズ系はんだペーストの一つの応用分野であるということだ。現在、業界で一般的に見られる低温はんだペーストは、主にSn-BiやSn-Bi-Agなどのスズ系合金体系を採用している。
その中でも、Sn42Bi58は比較的広く使用されている低温共晶合金であり、その融点は約138℃で、SACシリーズよりも明らかに低いため、より低いリフローピーク温度ではんだ付けを完了させることができます。
Sn-Biシリーズの主な特徴
•  リフロー温度が低く、熱衝撃を低減できる
•  PCBの反りや、一部の熱に敏感な部品の熱影響を低減するのに役立つ
•  温度に敏感な電子製品に適している
•  一部の低温製造プロセスと併用可能

4. スズ鉛系（Sn-Pb）――RoHSの適用除外分野では依然として使用されている
RoHS規制の施行以前、スズ鉛系はんだペースト（Sn-Pb）は、長年にわたり電子製造業界における主流のはんだ付け材料として使用されてきました。中でも、Sn63Pb37共晶合金は、融点が安定しており、濡れ性が良好で、プロセスウィンドウが広いことから、各種電子製品の製造に広く採用されていました。
鉛フリープロセスの発展に伴い、現在ではほとんどの民生用電子製品で鉛フリーはんだペーストが順次採用されている。しかし、一部のRoHS適用除外分野においては、スズ・鉛系はんだペーストが依然として一定の用途を有している。
Sn-Pbはんだペーストの特徴
•  融点が低く、リフロープロセスが確立されている
•  濡れ性が良好で、はんだ接点の成形が安定している
•  プロセスウィンドウが比較的広く、成熟した生産ラインに適している
•  一部の特殊な業界では依然として使用されている

現在、スズ・鉛はんだペーストは、主に一部のRoHS適用除外製品、修理・リワーク工程、または特定の業界用途で使用されています。企業は、この種の材料を選択する際、対象市場の規制要件および製品のコンプライアンス要件を総合的に考慮して評価を行う必要があります。

パワー半導体の先進パッケージング：焼結型相互接続材料

新エネルギー自動車、太陽光発電用インバータ、エネルギー貯蔵装置、および産業用電源の発展に伴い、SiC（炭化ケイ素）やGaN（窒化ガリウム）などのワイドバンドギャップ半導体デバイスの応用が拡大し続けており、相互接続材料に対する耐熱性、熱伝導性能、および長期信頼性に対する要求がますます高まっている。
このような先進パッケージングにおいて、焼結型相互接続材料を採用する企業が増えています。この種の材料はペースト状で供給されることもありますが、そのプロセスメカニズムは従来のSMTリフローはんだペーストとは明らかに異なります。
従来のSMTはんだペーストは、はんだの溶融によってはんだ接点を形成するのに対し、焼結材料は、温度、圧力、および特定の大気条件などの下で、金属粒子が徐々に拡散し、緻密な接続層を形成する。
両者とも電子相互接続技術に属しますが、接続を形成する方法は異なります。
したがって、材料選定を行う際には、まず両者が異なる技術路線に属することを明確に認識すべきである。

1. 銀焼結ペースト
銀焼結ペーストは、現在、先進的なパワーデバイスのパッケージングにおいて多く採用されている焼結相互接続材料の一種です。
通常、ナノメートル級またはマイクロメートル級の銀粒子で構成されており、適切な温度および圧力条件下で高密度の銀接続層を形成することで、優れた熱伝導性能と長期的な信頼性を実現します。
従来のはんだ接点と比較して、銀焼結層は界面熱抵抗が低く、高電力密度デバイスにおいて一定の優位性を持っています。
代表的な用途
•  SiCパワーモジュール
•  IGBTモジュール
•  パワーコントローラ
•  新エネルギー車の電気駆動システム
•  高出力電源モジュール
主な特徴
•  熱伝導性能に優れる
•  高い接合部温度の用途に適している
•  熱サイクル信頼性の向上に寄与
•  一部の高出力パッケージの要件を満たす
なお、銀焼結ペーストは焼結相互接続材料であり、従来のSMTはんだペーストとは異なるため、両者を同一の材料カテゴリーとして混同すべきではありません。

2. 銅焼結ペースト
銀焼結ペーストに加え、近年では銅焼結ペーストもパワー半導体パッケージング分野で徐々に注目を集めている。
銅は優れた導電性と熱伝導性を持ち、かつ原材料コストが比較的低いため、一部の高出力デバイスの相互接続ソリューションにおいて一定の応用可能性を秘めています。ただし、銀と比較して、銅は高温環境下で酸化しやすいため、その焼結プロセスでは通常、より厳格なプロセス制御が必要となります。
現在、銅焼結ペーストは一般的に窒素やギ酸などの保護雰囲気と併用する必要があり、粒子間に安定した金属結合層を形成させるために、一部のプロセスでは加圧も必要となる。
銅焼結ペーストの特徴
•  優れた熱伝導性と導電性を有する
•  原材料コストが比較的低い
•  焼結雰囲気およびプロセス制御に対する要求が高い
•  現在は主に、一部の先進的なパワーデバイス封止の研究および工業化プロジェクトに適用されている
注意すべき点として、銅焼結ペーストは、従来のSMTリフローはんだ付けで使用される「銅はんだペースト」とは異なります。これは焼結型相互接続材料に属し、そのプロセスメカニズムはスズ系はんだペーストとは全く異なるため、材料選定の際にはSn-Cuスズ系はんだペーストと混同しないようにする必要があります。

3. 焼結ペーストとリフローはんだペーストの本質的な違い
両材料ともペースト状で供給され、電子相互接続に使用されますが、対象とする製造プロセスや適用シーンには明らかな違いがあります。

大多数のPCB電子組立企業にとって、日常的に扱っているのは依然としてスズ系はんだペーストです。一方、焼結型相互接続材料は、パワー半導体、先進パッケージング、および一部のハイパワー電子システムに多く用いられており、これら2つはそれぞれ異なる技術路線に対応しています。

粉末粒度と印刷プロセスの適合

合金系に加え、はんだ粉末の粒子径もSMT印刷品質に影響を与える重要な要素の一つです。
01005や008004などの超小型部品、およびファインピッチ、マイクロBGAなどのパッケージが普及するにつれ、はんだペーストの粒度グレードの選択に注目する製造企業が増えています。
現在、業界では一般的にIPC J-STD-005やIPC J-STD-006などの規格が採用されており、はんだペーストの性能およびはんだ粉末が規定されている。その中で、はんだ粉末の粒度階級は通常、Type 3、Type 4、Type 5、Type 6などの等級に分類される。

1. IPC規格とはんだペーストの粒度等級
はんだペーストの選定過程では、Type 3やType 4といった表記をよく目にします。
ここでは、2つのIPC規格を区別する必要があります：
IPC J-STD-005
はんだペースト製品そのものを主な対象とし、はんだペーストの性能要件、試験方法、品質評価を規定しています。例えば：
•  粘度
•  沈下特性
•  濡れ性
•  リフロー特性
•  保存安定性
この規格は、製造企業がはんだペーストが生産要件を満たしているかどうかを評価するのに役立ちます。
IPC J-STD-006
主に、はんだ合金およびはんだ粉末の分類方法を規定しており、以下が含まれます：
•  合金グレード
•  化学成分
•  はんだ粉末の粒度等級（Type）
したがって、よく言われるType 3、Type 4、Type 5、Type 6などの分類は、主にIPC J-STD-006に由来しています。

2. Type 3～Type 6の粒度等級および代表的な用途
はんだ粉末が微細であればあるほど、小型のステンシル開口部や高密度PCBに適していますが、その一方で、保管、印刷環境、および工程管理に対してもより高い要件が求められます。

近年、電子製品がますます高集積化が進むにつれて、Type 4以上のグレードのはんだペーストの使用割合が徐々に増加しています。
しかし、粒度を細かくしたからといって、必ずしもはんだ付け品質が向上するとは限りません。実際の応用においては、ステンシル厚、PCB設計、部品サイズ、印刷装置の能力などの要素を総合的に考慮する必要があります。

3. 微細粒度のはんだペーストでは、どのような工程管理に注意すべきですか？
Type 3と比較して、Type 5およびType 6のはんだペーストは、粉末粒子がより微細で比表面積が大きいため、製造環境の影響を受けやすくなります。
通常、以下の点に重点を置くことが推奨されます：
常温復帰管理
はんだペーストを冷蔵環境から取り出した後は、製品技術資料の要件に従って適切な常温復帰を行い、温度差による水蒸気の凝縮を防ぎ、印刷性能への影響を回避する必要があります。
環境湿度
生産環境の湿度が高すぎると、フラックス系の安定性に影響を及ぼしたり、はんだの酸化リスクを高めたりする可能性があるため、工程仕様に基づいて作業場の環境を管理する必要があります。
開封後の使用期間
はんだペーストは開封後、時間の経過とともに性能が徐々に変化します。実際の生産においては、サプライヤーの技術文書および現場の管理規定を踏まえ、使用期間を適切に設定し、材料の無駄や工程のばらつきを低減する必要があります。
印刷パラメータ
微細ピッチおよびマイクロBGA製品については、通常、以下の要因を総合的に考慮して工程の最適化を行う必要があります：
•  ステンシル厚さ
•  開口部の設計
•  スクイージの圧力
•  印刷速度
•  離型パラメータ
これらのパラメータは、はんだペーストの転写効率およびはんだ接点の一貫性に総合的に影響を与えます。

4. 微細ピッチ印刷における一般的な問題と最適化の考え方
部品の小型化が進むにつれ、はんだペーストの印刷品質は、SMTの歩留まりに影響を与える重要な要因の一つとなっています。
実際の生産において、微細ピッチPCBでは以下のような状況が発生する可能性があります：

なお、これらの問題は通常、PCB設計、部品パッケージ、はんだペーストの性能、装置パラメータなど、多岐にわたる要因が複合的に影響しているため、実際の生産においては、単一の材料調整のみに頼るのではなく、DOE（実験計画法）を組み合わせて検証を行う必要がある場合が多い。

はんだペースト選定決定マトリックス

実際の選定プロセスでは、通常、製品設計、製造プロセス、最終用途、規制要件など、複数の要因を総合的に評価する必要があります。
以下に、一般的な選定基準について説明します。

1. 最終用途に応じて適切な合金系を選択する
用途分野によって、はんだ接点の信頼性、熱サイクル耐性、コストに対する重視点が異なるため、はんだペーストの選定にも一定の差異が生じます。

なお、業界内でも製品要件に差異が生じる可能性があるため、上記の内容は固定的な対応関係というよりは、製品選定の参考としてご利用いただくのが適切です。

2. プロセス条件に基づいた選定
最終製品に加え、製造プロセスもはんだペーストの選定に影響を与えます。
企業は通常、以下の点に重点を置いて検討することができます：
鉛フリー製造を採用するか？
製品がRoHSなどの環境規制に準拠する必要がある場合、通常はSACシリーズやSn-Cuシリーズなどの鉛フリースズ系はんだペーストを優先的に検討する必要があります。
リフロー温度に制限はありますか？
フレキシブルPCB、光学モジュール、その他の熱に敏感な部品については、製品設計に応じてSn-Biなどの低温スズ系はんだペーストを採用し、リフロー工程における熱応力を低減することができます。
PCBは高密度設計を採用していますか？
ファインピッチ、マイクロBGA、または超小型部品については、はんだペーストの粒度グレード、ステンシル設計、および印刷装置の性能を総合的に評価し、必要に応じてType 4またはそれより微細な粒度のはんだペーストを選択する必要があります。
先進パッケージングプロセスに該当しますか？
SiCやIGBTなどのパワーデバイス封止が関与する製品の場合、リフローはんだ付けと焼結プロセスを区別し、従来型のSMTはんだペーストではなく、適切な焼結型相互接続材料を選択する必要があります。

3. 信頼性要件に基づく評価
はんだペーストの性能は、製造プロセスに影響を与えるだけでなく、実際の使用環境における製品の長期的な性能にも関わる。
製品開発段階では、以下の点を踏まえて総合的な評価を行うことができます：
•  動作温度範囲
•  熱サイクル条件
•  振動および機械的負荷
•  耐用年数の要件
•  製品の保守方法
信頼性が特に求められる製品については、材料パラメータのみに基づいて判断するのではなく、はんだペーストの選定案を、はんだ付けプロセスの検証、環境試験、および信頼性試験と組み合わせて確認することを推奨します。

4. よくある選定上の誤解
実際のプロジェクトにおいて、いくつかの一般的な認識がはんだペーストの選定結果に影響を与える可能性があります。
誤解その1：銀含有量が高ければ高いほど良い
銀元素は一部の性能を改善できますが、銀含有量によってコスト、プロセスウィンドウ、および適用目標が異なるため、製品の要件を踏まえて総合的に評価する必要があります。
誤解その2：粒子が細かければ、すべての製品に適している
Type 5またはType 6のはんだペーストは、主に高密度パッケージング用途向けです。一般的なSMT製品において、PCB設計やステンシル開口部に特別な要件がない場合、より微細な粒度を選択しても必ずしもプロセス性能が向上するとは限らず、かえって材料コストの増加やプロセス管理の難易度を高める可能性があります。
誤解その3：低温はんだペーストはすべての標準はんだペーストの代替となる
低温スズ系はんだペーストは主にリフロー温度を下げるために使用されるものであり、すべての用途に適しているわけではありません。長期的な熱サイクルや高い信頼性が求められる場面では、具体的な使用条件に合わせて検証を行う必要があります。
誤解その4：焼結ペーストとはんだペーストは互いに代替可能である
焼結型相互接続材料と従来型のSMTはんだペーストは、異なるプロセス体系に属しており、装置要件、接合メカニズム、および適用対象に明らかな違いがあるため、同種の材料として置き換えるべきではありません。

5. はんだペースト選定クイックリファレンスマトリックス

まとめ：選定検証と規格の引用

はんだペーストの選定は、はんだ付け品質だけでなく、生産効率、製品の信頼性、およびその後の製造コストにも影響を与えます。スズ系はんだペーストの合金体系から、焼結型相互接続材料、さらにはIPC粒度等級や印刷プロセスに至るまで、材料ごとに適した用途があり、すべての製品に適用できる統一的なソリューションは存在しません。
実際のプロジェクトにおいては、企業は製品設計、プロセス条件、およびエンドユーザーのニーズに基づき、試作やプロセス検証と組み合わせ、はんだペーストのソリューションを総合的に評価することを推奨します。特定の業界要件を満たす必要がある製品については、関連する規格や基準を参照することも可能です。例えば：

規格、プロセス検証、および信頼性試験を組み合わせることで、企業はより体系的なはんだペースト選定プロセスを構築し、その後の量産を支援することができます。

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