汚染残渣がPCBスポット溶接に及ぼす影響と洗浄工法に関する検討

電子産業の発展と電子性能に対する需要の高まりに伴い、電子部品は小型化、微細ピッチ化および高集積化の傾向で発展している。隣接する導体間の間隔が小さくなるにつれて、プリント配線板（PCB）上の残渣やその他の汚染物が、PCB の信頼性に及ぼす影響という点で、ますます顕在化する問題となっている。低残渣およびノークリンはんだ付け工法は、従来の表面実装技術（SMT）高い信頼性が求められる製品においては、製品構造の高密度化や部品の小型実装化により、適切な洗浄グレードを達成することがますます困難になっており、洗浄不良に起因する製品故障の増加を招いている。本稿では、PCBスポット溶接部における汚染物残渣の影響と、洗浄に関するいくつかの問題について簡単に述べる。

・PCBスポット溶接における汚染残渣の影響

a.電気化学マイグレーション

電気化学マイグレーション（ECM）は、フラックス残渣などの媒体を介して、電磁場の影響下でイオンが移動する現象を指す。PCB 製品では、環境湿度の変化に伴い、フラックス残渣中の活性剤や塩分などのイオン性汚染物が電解質へと変化し、はんだ付け部の特性変化を引き起こす。これらの PCB が動作している際、ストレス電圧が印加される条件下では、はんだ付け部間で短絡が発生する可能性があり、PCB の信頼性を低下させる断続的な故障を招く。このプロセスは、パス形成、初期化、樹枝状結晶の生成という 3 段階から構成される。パス形成は、フラックス中に残留する塩素や臭素と空気中の水分が結合して生成される弱酸性の電解質中で、金属イオンが溶解することから始まる。金属がこの弱酸中で溶解すると、金属フィラメントが生成される。したがって、電気化学的作用のメカニズムが成立するためには、イオン性残渣、電圧差、湿度といった要素が必要となる。さらに、電気化学的作用は、温度、湿度、バイアスの有無、導体材料、導体間隔、汚染物の種類および量などの要因によっても影響を受ける。

b.クリープ腐食

クリープ腐食とは、PCB 表面に銅または銀の硫化物結晶が生成される現象を指す。電気化学的マイグレーションとは異なり、電位差を必要とせず、環境中に汚染源と湿気が存在するだけでクリープ腐食が発生し得る。空気中の硫黄が PCB 上の銅または銀と結合すると、硫化銅または硫化銀が生成される。硫化銅や硫化銀といったこれらの化合物はあらゆる方向に成長し、微細リードをオープンにしたり、リード間のスペースを短絡させたりして、最終的には PCB の品質不良を引き起こす。PCB のサイズが小型化し、部品が微細化するにつれて、この種の腐食リスクは確実に高まる。クリープ腐食は、周囲空気中に汚染ガスが多く存在するため、主に産業用制御電子機器や航空宇宙分野で発生する。もう一つの理由は、従来の PCB 表面に実装されていた HASL にあり、外層銅箔がスズ鉛によって保護されていた点にある。しかし、鉛フリー工法の発展に伴い、PCB の製造、はんだ付けおよびめっきには銅または銀を含む材料が使用されるようになった。はんだ付け工程において濡れ性が規定レベルに達しないと、一部の銅または銀が空気中に露出し、そこに湿気の影響を伴う悪環境が加わると、クリープ腐食のリスクは大幅に増大する。

c.錫ウィスカー

スズウィスカーは専門家にとって主な懸念事項である。スズウィスカーによって生じる化学的および物理的パラメータに基づく多くの研究を通じて、専門家たちは、高温高湿の影響下でスズを含む合金が他の金属と拡散反応を起こし、それが金属間化合物（IMC）の形成を促進することを示している。このような条件下では、スズ層における電圧ストレスの急速な増加に伴い、スズイオンが結晶粒界に沿って拡散し、ショートのリスクを高めるスズウィスカーを形成する。そのため、リフロー工程においてスズ合金が固化する際、はんだペーストから流出するフラックス中の一部のハロゲン化物および臭化物がイオン性汚染物として作用し、大量のスズウィスカーの発生を引き起こす。また、スズウィスカーはイオン汚染レベルの影響を受けやすく、イオン汚染レベルが高くなるほどスズウィスカーの密度も高くなると結論づけられる。

・清掃に関するいくつかの問題

a.汚染物質

はんだ付け後に洗浄する必要がある対象は、主にプリント基板（PCB）上に残留したフラックスなどの残渣です。化学的性質に基づくと、これらの残渣は、水溶性の極性残渣、水に不溶な非極性残渣、およびイオン性有機化合物に変化しない水溶性だが非極性の残渣の3種類に分類できます。これらの汚染物質は、PCBの性能変化や、さらには故障を引き起こす主な原因とみなされています。そのため、残渣を完全に洗浄することが極めて重要です。さらに、PCBは高密度化および微細ピッチ化の方向へ発展しており、PCBの洗浄は一層重要になっています。

b.フラックス

フラックス残渣は、～の中で最も大きな割合を占めていますPCB製造そのため、洗浄方法の種類を検討する際には、まずフラックス残渣を考慮しなければならない。化学的性質に基づき、フラックスは J-STD-004 によってロジン系、レジン系、有機系、無機系の4種類に分類され、それぞれさらにフラックス／フラックス残渣の活性度およびハロゲン化物含有量によって区分される。これはまた、世界中のあらゆるフラックスが酸化物を除去し、はんだのぬれ性を高める能力を有していることを側面から示している。PCB 製造工程では、フラックスはフローはんだ付け、リフローはんだ付けおよび手はんだ付けに使用されるが、フラックスの種類は1種類に絞るのが最善である。PCB 全体の洗浄においては、1種類のフラックスだけを除去する工程となる。複数種類のフラックスを使用した場合、これらフラックスの互換性が洗浄を困難にする。なぜなら、これらのフラックスは特性が複雑であり、それらが組み合わさることでさらに複雑な状態を生み出すからである。

c.クリーニングクラフト

PCB洗浄には通常、溶剤洗浄、セミウォッシュ洗浄、水洗浄の3種類の洗浄工法が用いられる。溶剤洗浄とは、溶剤系の媒体を用いてPCBを洗浄するプロセスを指す。このプロセスでは、乾燥は独立した装置で行われる。セミウォッシュ洗浄とは、溶剤でPCBを洗浄した後、水によって有機溶剤をPCBから洗い流し、フラックスやその他の汚染物を除去するプロセスを指す。水洗浄とは、水のみを用いてPCBを洗浄するプロセスを指す。装置および製品の特性に応じて適切な洗浄工法を選定することで、PCBの信頼性を大幅に向上させることができる。

d.洗浄溶剤

フラックスの種類に応じて、残留するフラックスのタイプと互換性のある洗浄溶剤を選定する必要があります。洗浄溶剤にはさまざまな種類があり、その成分も異なります。日本工業洗浄協議会（JICC）の規定に基づき、洗浄溶剤はリンス工程を基準として分類されています。そのため、洗浄溶剤は水溶性洗浄溶剤と非水溶性洗浄溶剤の2種類に分類されます。リンス工程で水を使用する洗浄溶剤を水溶性、使用しないものを非水溶性と呼びます。

e清掃機器および清掃方法

現在、洗浄装置は主にバッチ式とセルラー式に分類され、洗浄方法には超音波、スプレー、浸漬、ジェット、バブルなどがあります。一般的な洗浄方法はスプレーまたは蒸気相によって行われ、攪拌や回転などの機械的洗浄方法が補助的に用いられます。

f.清掃基準

異なる洗浄対象には、それぞれ異なる洗浄基準があります。したがって、適切な洗浄基準は、関連する産業分野および製品特性と整合していなければなりません。なぜなら、製品ごとに使用環境、使用寿命、技術パラメータが異なるためです。IPC規格によれば、一般的な最高洗浄グレードは次のとおりです。
イオン性汚染物質 < 1.56μgNaCl/cm²;
またはフラックス残渣 < 40μg/cm²;
または絶縁抵抗が 2×10 より大きい場合²Ω。

総じて、残渣の悪影響に関するPCBスポット溶接の故障メカニズムを十分に理解し、洗浄プロセス設計に従って適切な洗浄溶剤および方法を選定すれば、物理的および化学的な故障リスクは大幅に低減され、その結果、PCBの信頼性は向上する。

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