電子機器の熱問題に対処するための、はんだの熱伝導率向上

現代の電子デバイスの設計と製造において、熱管理は重要な要素となっています。電子部品の集積密度と電力密度が向上し続けるにつれて、デバイス内で発生する熱量も劇的に増加しています。この熱を効果的に放散できない場合、部品の温度が上昇し、最終的にデバイスの性能、信頼性、寿命に影響を及ぼします。

電子冷却システム内では、はんだが重要な役割を果たします。はんだは、部品間の機械的および電気的なブリッジとして機能するだけでなく、重要な熱伝達媒体としても機能します。はんだの熱伝導率は熱伝達効率に直接影響するため、適切な材料の選択、熱設計の最適化、高性能電子製品の作成には、はんだの熱特性を十分に理解することが不可欠です。

はんだは、電子機器製造において不可欠な材料であり、主に部品間の機械的および電気的接続に使用されます。その機能には以下が含まれます。

• 機械的接合: はんだは、さまざまな動作条件下で信頼性を維持する安定した構造的接続を作成します。
• 電気的接続: 優れた導電性により、はんだは部品間の途切れることのない信号伝送を保証します。
• 熱伝達: 熱伝導媒体として、はんだは部品からヒートシンクまたはその他の冷却構造に熱を伝えます。

電子技術の進歩に伴い、電力密度の増加は、より厳しいはんだの性能要件を要求しています。従来の機械的および電気的特性に加えて、熱伝導率が重要な評価指標となっています。LED照明、電力増幅器、コンピューターCPUなどの高出力アプリケーションでは、はんだの熱性能が動作温度とデバイスの寿命を直接決定します。

スズ鉛（SnPb）合金は、優れた濡れ性、低い融点、優れたはんだ付け性により、長い間電子機器を支配してきました。しかし、鉛の環境および健康への危険性から、規制変更が促され、特に2006年のEUのRoHS指令では、電子機器における有害物質が制限されました。

この移行により、スズ銀銅（SAC）、スズ銅（SnCu）、スズ亜鉛（SnZn）合金などの鉛フリー代替品の開発が促進されました。これらの合金は、機械的および電気的性能においてSnPbに匹敵しますが、熱伝導率はしばしば劣ります。さらに、これらの合金の信頼性の高い熱伝導率データを得ることは依然として困難です。

はんだ材料は、通常、用途レベルによって分類されます。

• レベル1相互接続: チップとパッケージの接続に使用され、その後の組み立てプロセスに耐えるために、より高い融点を特徴としています。これらは、デバイスの最も重要な接合部を形成するため、極度の信頼性が要求されます。
• レベル2相互接続: パッケージ化された部品を回路基板に接続し、チップ接続を妨げることなく組み立てを容易にするために、より低い融点を備えています。これらは、コスト、信頼性、およびはんだ付け性のバランスをとっています。

単位面積あたりの温度勾配あたりの熱伝達（W/m·K）として定義される熱伝導率は、はんだの放熱能力を決定します。値が高いほど、部品から冷却構造への熱伝達が速くなります。

表1は、一般的なはんだ合金の熱伝導率を融点順に比較しています。単一融点の項目は共晶組成を表し、組成許容差は、≤5％の成分については±0.2％、>5％の成分については±0.5％です。

表1の高融点ハンダは、通常、航空宇宙、軍事、その他の高信頼性用途の密閉型チップパッケージングに使用されます。これらには、冷却中の応力誘起故障を防ぐために、半導体材料と一致する熱膨張係数を持つ基板材料が必要です。

金スズ共晶ハンダは、優れた濡れ性、機械的強度、耐食性を提供しますが、高コストのため、プレミアム用途に限定されます。

Sn96.5Ag3.0Cu0.5やSn95.5Ag4.0Cu0.5などのスズ銀銅（SAC）バリアントは、主要なSnPb代替品として登場し、機械的および電気的性能を一致させながら、熱伝導率（25°Cで〜60 W/m·K）でわずかに遅れをとっています。

特に、純粋な元素の値に基づいて単純な混合則を使用して合金の熱伝導率を推定すると、大きな誤差が生じる可能性があります。たとえば、AuSn（80/20）は57 W/m·Kの熱伝導率を示し、金（315 W/m·K）とスズ（66 W/m·K）の両方よりも低く、組成だけでなく、微細構造と粒界が熱性能にどのように影響するかを示しています。

はんだボイドは、有効な伝導面積を減らし、応力集中点を作成します。最適化されたはんだ付けプロセス（温度制御、材料の清浄度など）を通じて気孔率を最小限に抑えることは、熱的および機械的性能を最大化するために不可欠です。

正確なはんだ熱伝導率データは、有限要素解析（FEA）および有限差分法（FDM）熱モデルの精度を高め、より優れた冷却システム設計を可能にします。

次世代のはんだは、より高い熱伝導率、強度、信頼性を追求し、より厳しい環境基準を満たします。研究は、ナノコンポジットはんだ（ナノ粒子添加剤を使用）と、気孔率を減らすためのレーザーおよび超音波はんだ付けなどの高度なプロセスに焦点を当てています。

最適なはんだの選択には、次のバランスが必要です。

• 用途固有の融点
• 熱的/機械的性能要件
• コスト制約
• 環境コンプライアンス

• 高出力LED: AuSnまたはナノ粒子強化SAC合金
• コンピューターCPU: AuSnまたは液体金属合金
• モバイルデバイス: 低融点SACまたはSnCu合金

はんだの熱伝導率は、電子デバイスの冷却効率に根本的に影響します。熱的、機械的、経済的、および生態学的要因を考慮した上で、材料を選択することで、最適な熱管理が可能になります。はんだ材料とプロセスの継続的な革新は、次世代電子機器における性能要求の高まりに対応します。