ENIG と ENEPIG の比較

PCB製造プロセスで適用される技術の中でも、表面処理に関わるものは、PCB実装およびプリント基板を用いた電子製品の応用において極めて重要な役割を果たします。

PCB 上の銅層は空気中で酸化されやすく、銅の酸化物が生成されやすいため、はんだ付け品質が著しく低下してしまいます。しかし、表面処理は銅パッドの酸化を防止することができ、その結果、優れたはんだ付け性とそれに伴う電気的性能を保証できます。電子機器に対する小型化、高機能化および高信頼性の市場要求の高まりにより、PCB は薄型・軽量・高密度化および信号伝送の高速化へと進んでいます。それに伴い、表面処理も、前述の開発要件に適合するために、安定性および信頼性の面で新たな課題に対応しなければなりません。

さらに、環境に優しい持続可能な開発への意識の高まりに基づき、PCB表面処理に関する環境汚染の問題は、世界からますます多くの注目を集めている。EUによって制定されたRoHS（有害物質使用制限指令）およびWEEE（廃電気電子機器指令）といった法規制の施行は、電子製品から鉛や水銀などの有害物質を排除することを目的としており、環境に優しい、あるいは鉛フリー製造PCB表面処理の一種として、ENIG（無電解ニッケル／浸漬金）および ENEPIG（無電解ニッケル／無電解パラジウム／浸漬金）は、PCB市場が求める技術的要件を満たすだけでなく、鉛フリーはんだへの傾向にも対応可能であり、将来性の高い表面処理方法である。

それにもかかわらず、ENIG と ENEPIG の違いを見分けることは人々にとってやや難しく、ましてやどちらに依存すべきかを理解するのはなおさらです。本記事の以下の内容では、ENIG と ENEPIG の定義およびそれらの製造プロセスを示し、それぞれの長所と短所を論じ、特定の状況において各表面処理をいつ使用すべきかについての指針を提供することを目的としています。

表面仕上げ選定における考慮事項

現在まで、広く受け入れられている主な表面処理は、HASL（ホットエアレベラー）、OSP（有機保護膜）、浸漬スズ、浸漬金、ENIG、および ENEPIG です。 それぞれに長所と短所を持つさまざまな表面処理を前にして、自社製品に適合する一種類を選ぶ際に頭を悩ませたことはありませんか。 実際のところ、PCB 製品の種類や満たすべき要件が何であれ、表面処理の選定は、コスト、最終製品の使用環境、微細ピッチ部品、鉛入りか鉛フリーか、RF アプリケーション（高周波の可能性）、保存寿命、耐衝撃性・耐落下性、耐熱性、生産量およびスループットといった要素を総合的に考慮して行わなければなりません。

したがって、上記で述べた検討要素は、PCB の表面処理を最終的に決定する際の参考の一つとして利用できます。もちろん、これらの項目がすべて同じ重要度を持つわけでは決してありません。そのため、このリストをあなたの製品の具体的な状況を踏まえて活用する前に、各項目の重要度の度合いを明確にしておく必要があります。

ENIG および ENEPIG の登場

早くも1990年代には、PCB がより微細配線およびマイクロビアへと発展し、さらに HASL と OSP の欠点（前者の平坦性の問題や、後者のフラックス除去の問題など）が顕在化したことから、ENIG が別の代替手段として使用され始めました。PCB製造における表面処理。

黒ニッケルパッド（ブラックパッド）を防ぐため、ENIG の主要な弱点を克服するアップグレード版として ENEPIG が登場しました。無電解ニッケルと浸漬金のあいだにパラジウムめっきを追加することで、ENEPIG には抵抗用の薄い層が形成され、その厚さは通常 0.05μm から 0.1μm の範囲に収まります。パラジウム層は、浸漬金プロセスによるニッケル層の腐食を防ぐ役割を果たします。その結果、ENEPIG は ENIG に見られるブラックパッド欠陥を克服することができます。さらに、ENEPIG は高い信頼性を持つワイヤボンディング性能、優れた複数回リフローはんだ付け性能を備え、スイッチ接点表面としても機能するため、高密度かつ複数種のパッケージを同時に搭載する PCB の厳しい要求を満たすことができます。これらの利点に基づき、ENEPIG は「ユニバーサルフィニッシュ」とも呼ばれています。

ENIG と ENEPIG の長所と短所

1990年代、PCBの微細配線化やマイクロビアの発展動向、さらにHASL（ホットエアレベラー）の平坦性の問題やOSP（有機保護膜）のはんだ濡れ不良の問題に伴い、ENIG技術はPCB製造において大量に使用され始めた。

ENIG と比較すると、ENEPIG 技術は 1980 年代の早い時期から PCB 製造に適用されていた。しかし、コストが高く、製品側の表面処理に対する要求も低かったため、ENEPIG は広く大量に使用され普及するには至らなかった。現在では、小型化、薄型化および多機能化の要求により、ENEPIG により多くの機会がもたらされている。

ENIG と ENEPIG の利点は、次の表に示されています。

ENEPIG技術は、ENIG技術にパラジウム層を追加して発展したものであり、その性能は大幅に向上しています。その理由は次のとおりです。
a. 緻密な膜構造を有するパラジウム層がニッケル層を完全に覆い、パラジウム層中のリン含有量はニッケル層中の通常の含有量よりも少ないため、ブラックニッケルの発生条件が回避され、ブラックパッドが生じる可能性がなくなる。
b. パラジウムの融点は 1,554℃ であり、金の融点（1,063℃）よりも高い。そのため、高温におけるパラジウムの融解速度は比較的遅く、ニッケル層を保護する抵抗層が生成されるのに十分な時間がある。
c. パラジウムは金よりも硬度が高く、その結果、はんだ接合の信頼性、ワイヤボンディング性能、および耐摩耗性が向上します。
d. スズ‐パラジウム合金は最も強力な耐食性を有しており、ガルバニック腐食によって引き起こされるクリープ腐食を抑制できるため、寿命を延ばすことができます。
e. パラジウムを使用することで金層の厚みを減らすことができ、ENIG と比較してコストを 60% 削減できます。

どの硬貨にも表裏があります。利点とは別に、ENIG と ENEPIG にもいくつかの欠点があります。

コスト効率の高い表面仕上げのための対策

ENIG と ENEPIG の長所と短所を踏まえると、信頼性を最優先に考える場合、より優れたソリューションとして ENEPIG を選択するのは自然なことです。 しかし、そのコストの高さから、一部の企業は収益の一部を犠牲にすることをためらいます。 とはいえ、品質とコストの間で最適なバランスを取ることは十分可能です。PCBCartENIG を適用することでブラックパッド問題を防止する対策を講じているためです。

ブラックパッドは、ENIG（無電解ニッケル／浸金）の登場とともに生じた現象です。ENIG における浸金プロセスの過程で、操作条件が不適切な場合、ニッケルの腐食によってブラックパッドが発生しやすくなります。過度なニッケル腐食は、はんだ付けのぬれ性および接合性能を著しく低下させ、腐食したニッケル表面に接合される際、はんだにはより大きな応力がかかることになります。最終的には、はんだとニッケルの間の接触層が破壊され、黒く変色したニッケル表面が生成されますが、これがいわゆるブラックパッドと呼ばれるものです。

ENIG には無電解金層が含まれているため、ブラックパッドが存在するかどうかを一概に判断するのはかなり困難です。ニッケルは、化学的な方法で表面から金を剥離しない限り露出しません。さらに、ニッケルと金の接触部（はんだ付け前）およびはんだとニッケルの接触部（はんだ付け後）には、リン濃度の高いニッケル層が形成されます。これは実際には自然な現象であり、ブラックパッドとは無関係です。

ブラックパッドの主な原因は、2つの側面から説明できます。 第一に、技術実装時の管理が不十分なため、結晶粒子が不均一に成長し、多数の亀裂が結晶粒子間に発生し、その結果、品質の低いニッケル膜が生成されます。 第二に、金の浸漬工程に長時間を要することで、ニッケル表面に腐食が生じやすくなり、その際に亀裂が発生します。

無電解ニッケルに影響を及ぼすすべての要素の中で、ソルダーマスク以下の理由で際立っています：
理由#1ソルダーレジストは架橋結合および剛性が不十分であるため、汚染物が銅表面に残留しやすく、活性化反応の進行を妨げる。高温の無電解ニッケル浴中では、水素が発生する際にソルダーレジストのモノマーが放出される。その結果、無電解ニッケルの反応が阻害され、化学的平衡が崩れる。
理由#2不良なソルダーマスクの表面により、パッド表面が劣化する。
理由#3マイクロビア内に充填されたソルダーレジストは電気化学反応を起こしやすく、その結果、均一な触媒表面の形成が妨げられます。

ブラックパッドの問題をうまく解決するためには、次の3つの対策を講じることができます。
対策#1無電解ニッケル浴の pH 値は管理しなければならない。
対策#2無電解ニッケル浴中の安定剤含有量を分析する必要がある。
対策#3金めっき浸漬中は、ニッケル表面の腐食を防止しなければならない。

これまでのところ、浸金技術の向上は良好な効果をもたらしている。新たに開発された浸金技術は、ニッケル表面の腐食を低減するだけでなく、コストの削減にも役立っている。前世代の浸金液（pH＝4.5～5.5）と比較すると、新世代の浸金液はほぼ中性であり、pH値は7.0～7.2の範囲にある。中性の液体は、水素イオンによるニッケル表面の腐食を防ぐうえで最も優れた性能を発揮する。さらに、新世代の浸金技術は、より低濃度の金溶液で実施することが可能であり、その結果、初期原材料コストを50％～80％削減でき、下地のニッケルへの影響もごくわずかである。

表面仕上げに関して言えばフレキシブルPCB現在のENIGをフレキシブル基板にそのまま適用すると、基材が曲げられた際に、層状構造をもつニッケル膜に亀裂が生じ、さらにその結果として下層の銅にも亀裂が発生してしまいます。フレキシブル基板の表面処理に対する要求に対応するため、新たに開発された無電解ニッケル技術は、柱状構造をもつニッケル膜を形成することが可能です。基材が曲げられても、表面には微小なクラックが生じるだけで、その亀裂が下層の銅へと伝播することはありません。

上記で挙げたすべての解析および対策は ENIG に対してのみ有効であり、ENEPIG は ENIG の上位版であるため、それらを必要としません。

実際のところ、上記の対策は、高い信頼性と低コストに対するお客様の要求を満たすために、PCBCart が蓄積し検証してきたものです。いったん ENIG が選択された以上、「致命的」な欠陥を抱えているとしても、お客様志向の原則に基づき、その品質を確保することは当社の責任となります。

ENIG と ENEPIG の用途比較

ENIG と ENEPIG の適用分野は、それぞれの際立った利点に基づいて異なります。ENIG は、鉛フリーはんだ付け、SMT（表面実装技術）に適しています。BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージなど。ENIG が対応可能な産業および製品には、データ／通信、ハイエンドコンシューマー、航空宇宙、防衛・軍事および高性能デバイス、医療関連産業が含まれます。さらに、ENIG は高い信頼性からフレックス市場で特に使用されています。

ENEPIGは、THT（スルーホールテクノロジー）、SMT、BGA、ワイヤボンディング、プレスフィットなど、複数種類のパッケージにおけるより厳しい要件を満たすことができます。さらに優れている点として、ENEPIGは異なる実装技術を用いたPCBにも適用可能です。その結果、ENEPIGが対応できる応用分野には、高密度かつ高信頼性が求められる航空宇宙、軍事および高性能機器、医療産業などが含まれます。

実は、それはPCB基板メーカー顧客に最高品質の製品を提供することは、彼らの仕事です。PCB 製造の過程における重要なステップとして、表面処理の高い品質は、基板の高品質を確実に左右します。したがって、PCB メーカーは、表面処理がプリント基板およびそれが使用される最終製品から求められる要件を満たすことができるよう、保証しなければなりません。

技術と製造プロセス

ENIG と ENEPIG の技術や製造プロセスを理解することは少し退屈かもしれませんが、これら 2 種類の表面処理で何が起こっているのかを正確に把握することができます。

1) ENIGの技術と製造プロセス

ENIG では、銅、ニッケル、金の3層の金属構造が関係します。プロセスには主に、銅の活性化、ENP（無電解ニッケルめっき）、浸漬金が含まれます。

・銅の活性化

銅の活性化は、無電解ニッケルめっき（ENP）で行われる選択的析出の特権である。置換反応が必要とされるのは、触媒表面として機能する銅層上に薄いパラジウム層を生成するためである。PCB 製造中、PdSO₄および PdCl₂は、以下の反応式において活性化剤としてよく使用されます。

Cu + Pd²⁺→ Cu²⁺+ Pd

・ENP

ENIG技術において、ニッケル層には2つの機能があります。バリア層として、銅と金の相互拡散を防ぐことができます。一方で、すずと反応し、優れたIMC（金属間化合物）Niを生成します。₃Sn₄これにより、良好な実装はんだ付け性を確保することができる。触媒表面の作用の下、ENP は NaH との酸化還元反応によってニッケル層の析出をもたらす。₂PO₂還元剤として使用される。ニッケル層がパラジウム触媒表面で完全に覆われると、元素ニッケルは ENP の触媒として作用し、ニッケルの析出を継続させる。

還元剤である NaH の加水分解によって放出される原子状の活性水素であることを指摘することが重要である₂PO₂Ni を作る²⁺Hの存在下でニッケルの単体に還元される₂PO₂^-したがって、ENIG 技術における ENP 層は、実際にはニッケル‐リン合金層である。 この工程の反応式は次のように示される。

H₂PO₂^-+ H₂O → H⁺+ HPO₃^2-+ 2時間

ニ²⁺+ 2H → Ni↓ + 2H⁺

H₂PO₂^-+ H → P↓ + OH^-+ H₂O

H₂PO₂^-+ H₂O → H₂↑ + H⁺+ HPO₃^2-

・イマージョンゴールド

ENIG技術において、金層は接触抵抗が低く、酸化の可能性が少なく、高強度で耐摩耗性に優れているという利点があり、回路の導電性要求を満たすとともに、銅層およびニッケル層を酸化から保護し、その結果としてニッケル層のはんだ付け性を保証することができる。浸金とは、置換反応によってニッケル層表面に金層を生成することであり、生成された金層がニッケル層を完全に覆うまで反応は停止しない。そのため、金層は比較的薄くなる。この工程を示す反応式は以下のとおりである。

2Au(CN)₂^-+ Ni → 2Au + Ni²⁺+ 4CN^-

2）ENEPIG技術および製造プロセス

ENIGとは異なり、ENEPIGは銅、ニッケル、パラジウム、金の4層の金属構造を採用しています。ENEPIGのプロセスは、無電解パラジウムめっきがENPと浸金の間に追加されている点を除き、ENIGと同じです。

ENEPIG 技術では、パラジウム層はバリア層として追加され、金めっき工程における溶液によるニッケル層の腐食や、ニッケル層から金層への拡散を防止します。同時に、パラジウム層は緻密であるという特性により、はんだ付け性を向上させる防酸化層および防食層として扱うことができます。無電解ニッケルめっきと同様に、無電解パラジウムめっきは NaH との酸化還元反応によってパラジウム層を析出させます。₂PO₂還元剤として。この工程を示す反応式は次のとおりである。

H₂PO₂^-+ H₂O → H⁺+ HPO₃^2-+ 2時間

Pd²⁺+ 2H → Pd↓ + 2H⁺

H₂PO₂^-+ H → P↓ + OH^-+ H₂O

H₂PO₂^-+ H₂O → H₂↑ + H⁺HPO₃^2-

PCBCartは、ENIGやENEPIGを含む複数の表面処理オプションでプリント基板を製造することが可能です。当社のプリント基板には 100％ の品質保証をお約束していますが、価格は非常に経済的です。以下のボタンをクリックして、ご希望のあらゆる表面処理仕様で即時見積もりを取得できます。

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