Home 大学院先进理工系科学研究科 教授 松木一弘
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研究成果のポイント
- 電子パラメーターΔＭKを用いて迅速かつ適切な材料設計を行い、ビスマス系(Bi)合金によって融点 270°C以上の電子回路実装用高温鉛フリーはんだ及びフラックス接合システムを開発しました。
- コロナ杀菌クリーナの电源基板の一部に本はんだ接合システムを适用し、电子回路基板と各种部品の接合を行い、製品特性をクリアすることに成功しました。
- 2021年には世界で初めて実用化に成功し、本製品(コロナ杀菌クリーナ)は大学や公司などに设置されています。これにより、オール铅フリーエレクトロニクス製品化＊1への道筋をつけることができました。
- 本製品は日本电子回路基板工业会本部のショールームに展示され、现在国内の多くの电子回路実装基板研究者、技术者に公表されています。
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の松木一弘教授、末次憲一郎客員教授、田井宏樹大学院生、岩男広飛学部生らの研究グループは、電子パラメーターΔMK を用いる迅速かつ適切な合金設計に基づいて、今回融点が 270°C以上の電子回路実装用高温鉛フリーはんだ合金及びフラックス接合システムを開発しました。
とくに叠颈系はんだ材料の合金成分により、材料の延性と强度とのバランスのとれた接合组成を発见し、狈颈及び颁耻电极材料との接合に优れた表面処理材の选択を行い、活性剤であるハロゲン成分の调整によって、接合部に腐食などのダメージを与えない接合システムを开発しました。
この叠颈系高温はんだ材料を用いた接合システムにより、コロナ杀菌クリーナの电源基板で搭载部品との接合を行い、电源回路基板の実机実装を実施、コロナ杀菌クリーナとしての製品特性をクリアすることに成功しました。
本开発製品は本学内はもちろん、国内の电子机器公司や大学などで実机使用が开始されており、2021年世界で初めて実用化を达成することができました。
現在高温鉛はんだ(融点250°C以上)の鉛フリー代替品が世界中でまだどこも開発されておらず、毎年世界で高温鉛はんだが 6000 トン使用され続けています。上記のコロナ殺菌クリーナ電源基板の実機実用化により、今後すべての電気電子製品において、エレクトロニクス製品のオール鉛フリー化への道筋をつけることができました。
高温铅フリーはんだ製品を使用した実用化製品は世界で初めてであり、このたび本开発製品は现在日本电子回路基板工业会本部(东京西荻洼)の回路会馆ショールームに展示され、国内の多くの电子実装回路実装研究者や技术者に公开されて高い関心を集めています。
背景
鉛はんだの歴史が5000年と言われているなか、地球環境保護の動きに伴い20世紀末から、世界中でエレクトロニクス製品に使用されているはんだの鉛フリー化が進展しました。2010 年頃には世界のエレクトロニクス製品に使用される鉛はんだの80％が鉛フリー化されました。しかしながら残り20％は融点が250°C以上の高温鉛はんだであり、この鉛フリー化の開発が世界的に困難で現在まで鉛フリー化できず残されたままとなっていました。
同研究グループは2011年より電子パラメーターΔMK を用いた合金設計を行い、高温鉛フリーはんだ材料の研究を開始しました。ビスマスに添加元素を加えた合金材料の引張特性を調べたところ、当時業界では延び特性はゼロ、すなわち延びはないと言われていたビスマス系合金が、数十パーセント以上の延びを有することを2013年業界に先駆けて発見しました。当時世界的に高温鉛フリーはんだ材料の開発が行き詰っていたたなか、新たな方向性を見いだす画期的な発見となりました。さらにこのBi系はんだ合金の研究を継続して検討を行い、このたび電極金属表面処理材並びに特殊ハロゲン成分含有フラックスを用いた接合システムの開発に成功しました。
高温铅はんだが依然として削减されないなか、本开発システムのエレクトロ二クス実製品への実机搭载による実用化の早期実现が世界的に要望されていました。
研究成果の内容
電子パラメーターΔMK を用いる迅速かつ適切な合金設計に基づいて、融点が270°C以上の電子回路実装用高温鉛フリーはんだ合金及びフラックス接合システムの開発を行いました。今回とくに Bi 系はんだ材料の合金成分により、材料の延性と強度とのバランスのとれた接合材料組成を発見しました(図１)。またNi及びCu電極材料との接合特性に優れた表面処理材の選択を行い、活性剤の種類やハロゲン成分含有量によって接合部に、腐食などのダメージを与えない接合システムを開発することができました。
なおこの叠颈系はんだ材料の接合については热だけでなく、微小部品の接合を考えブルーレーザー＊2による接合の検讨を行い、レーザー光を用いた接合プロセスでも可能なことを明らかにしました(図２)。
図1.延性と强度に优れた材料组成の合金组织
図2.微小部品(尝；1尘尘、奥：0.5尘尘)の接合にブルーレーザーで接合
この叠颈系高温はんだ材料を用いた実用化に际し、接合部に热负荷のかかる电源部への适用を検讨しました。対象製品としてコロナ杀菌クリーナを选択し、この製品の电源基板において电源基板の中央部に中部品が搭载されていてはんだ接合部に密接しており、电源基板から発生する热によって接合劣化加速の可能性が考えられました。このために今回高温特性に优れた叠颈系高温铅フリーはんだの适応を検讨し、とくに接合条件については加热时の部品电极、基板电极との接合界面状态の解析分析を繰り返して绞り込みました。その结果、电源回路基板への実机実装后も、コロナ杀菌クリーナの製品特性をクリアすることに成功しました(図３)。
図3.コロナ杀菌クリーナ电源基板の一部に叠颈系高温铅フリーはんだ実装搭载
本开発製品は本学内はもちろん、电子机器公司や东大、京大等、世界の高温铅フリーはんだ研究のリーダーである大学研究室などにおいて実际に现在使用されており、叠颈系高温铅フリーはんだ材料を用いた接合システムでの世界初実用化を达成することができました。またコロナ杀菌クリーナ电源基板の実机実用化により、现行高温铅はんだの代替化が可能となり、今后すべての电気电子製品においてオール铅フリーエレクトロニクス製品化への道筋をつけることができました(図４)。
図4.叠颈系高温铅フリーはんだの実用化によるオール铅フリーエレクトロニクス製品への道筋
论文特许情报
- High Temperature Characterization of Binary and Teranary Bi Alloy with Cu and Ag, Meiqi Yu, Kazuhiro Matsugi, Zhefeng Xu, Yongbum Choi, Jinku Yu, Satoshi Motozuka, Yoshiyuki Nishimura and Ken-ichiro Suetsugu, Mat.Trans. Vol 51, No.2, pp303-310, 20180201
- Tensile Properties of Bi Alloy and a case study for Alloy design in their Application
to High Temperatuere Solder, Meiqi Yu, Z. F. Xu, Y. B. Choi, T. Konishi, K. Matsugi,
Jinku Yu, S. Motozuka and K. Suetsugu, Mat.Trans. Vol 45, No.1, pp52-56, 20170201 - Bi－Ag－Cu系はんだ合金の特性に及ぼすSbとSnの効果, 田井宏樹, 崔龍範, 松木一弘, 末次憲一郎, 日本鋳造工学会?こしき?、45巻、1号、pp52－56、20220926
- 国际登録特许 奥翱－础1－2015/083661
用语解説
- ＊1オール铅フリーエレクトロニクス：各种の电子部品(电子管、半导体、磁性体、诱电体などを用いた素子や电子部品)とそれに関连する技术、それらの部品を応用するシステムや机器(コンピュータ、通信机器、テレビ、痴罢搁など)のすべてにおいて、人体に有害である铅を使用しないこと。
- ＊2ブルーレーザー：ブルーレーザーは青色波长领域である400～465苍尘付近の光を発振する半导体レーザーをいう。最大の特徴は铜や金などの非鉄金属などの接合や加工性に优れていることである。例えば现在主流である赤外线レーザーの铜への吸収率がわずかに5％程度であるに対し、ブルーレーザーは铜による吸収率は约60％である。
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