PCB（プリント基板）のビアをソルダーレジストでプラグすることと、ビア内の銅との間には、直接的な相関関係はないように思われます。しかし、不適切に行われたソルダーレジストプラグは、PCB に破壊的な結果をもたらす可能性があります。ステンシル印刷における特殊技術の一種として、PCB 製造におけるソルダーレジストプラグ技術は、SMT（表面実装技術）の適用と継続的な進歩に伴い発展してきました。ビアプラグには、次のような特徴があります。
・PCB基板上のすべてのビアのうち、部品挿入ビア、放熱ビア、およびテストビアを除く大部分は露出させる必要がありません。ソルダーレジストによるビア埋めは、後工程の部品実装段階において、ビアを介してフラックスやはんだペーストが部品面側に露出するのを防ぎます。これは短絡を引き起こす可能性があるためです。さらに、ソルダーレジストによるビア埋め技術を適用することで、はんだペーストを節約することができます。
・ソルダーレジストによるビアのプラグは、SMTで要求される仕様に適合しており、IC（集積回路）などの部品表面に付着した接着剤がビアを通って流れ出すのを防ぎます。
・ソルダーレジストプラグ技術により、フラックス、薬品、湿気がBGA部品と基板の狭い隙間に入り込むことを防ぎ、洗浄の困難さに起因する信頼性リスクを低減します。
・自動組立ラインの要求を満たすために、PCB を搬送または検査する際、真空を利用して基板を吸着する必要がある場合があります。そのため、保持の不安定を引き起こす可能性のある真空漏れを防ぐために、ビアはソルダーレジストで埋める必要があります。
はんだレジスト埋め不良の原因
はんだレジストのプラグ不良の原因の一つは、はんだレジストのプラグが不完全であるか、または不十分であることにあります。
不完全または不十分なソルダーレジスト充填とは、ビアの上部にソルダーレジストインクが存在せず、下部にわずかなソルダーレジストインクだけが残っている状態を指します。
不完全または不十分なソルダーレジスト充填の別の例として、ビアの左側にはソルダーレジストがある一方で、いわゆるエアホールがビアの右側の開口部から孔壁に沿って下方へ広がっている状態が挙げられます。その後、断面が形成される中間部付近に近づくと、エアホールはビア壁の左側へ向かって広がります。ビア銅は、その断面とビア壁の銅との交差部分でほとんど切れかかっています。
ビア銅の断線または薄肉化の原因
一度ソルダーレジストのプラグが不完全または不十分な状態になると、PCB のその後の製造工程において、微エッチング液や酸性溶液がビア内部に流入する可能性があります。ビアの直径は通常 0.35mm 未満の小径です。ソルダーレジストのプラグが発生すると、ビア開口部をテント状に覆うためのソルダーレジストインクがほとんど、あるいはまったく残らない一方で、ビアの中央部や底部にはソルダーレジストが存在するため、ビア内部の溶液が通過する経路がなくなります。溶液はソルダーレジストとビア壁の境界部にのみ滞留し、除去できなくなり、その結果としてビア銅の断線や銅厚の不足を最終的に引き起こします。
不適切に実施されたソルダーマスクプラグに起因するビア銅の破断または薄さによる損傷
a.ビアの内部側の銅が極端に薄くなると、抵抗値はミリオームレベルになります。そのため、二線式測定法では検出できず、不良品が露見しないままになってしまいます。
電気的テストでビア銅の薄さによる問題が検出されない場合、PCBA（プリント基板実装）工程におけるはんだ付けを含む高温動作および Z 軸方向の膨張によって、薄い銅が剥離してしまいます。その結果、電子製品は機能が十分に実現されなかったり、長期的に使用した際に機能が不安定になったりする可能性があります。完全には断線していない薄いビア銅については、通常の検査方法を適用しても検出できず、例えばAOI,AXIそして目視検査です。それが判明すると、同じ生産ロットに属するすべての製品を廃棄しなければならず、大きな損失を招きます。
b.ビア銅切れやクラック（円周方向の断線）に関しては、PCB メーカーは電気検査によってそれを発見することができます。
しかし一方で、マイクロエッチング液による銅のエッチングは非常に長いプロセスであるため、その不具合は製品が顧客の手元に届く段階になるまで発生しないという問題があります。
つまり、ビア銅切れは電子製品の動作が不安定であることに気づいた顧客によってしか発見されないということです。
例えば、顧客が電子製品の画面が真っ黒になったりフリーズしたりする現象に気づいた場合、その原因がビア銅切れである可能性があります。
ソリューション
a. 工学設計の観点から
PCB製造工場のエンジニアリング部門が顧客からPCB設計データを受け取った後は、ビアのプラグ処理孔径とその要求事項に注目する必要があります。一般的に、プラグビアの孔径は0.35mm以下であるべきであり、大きすぎてはなりません。孔径が大きすぎると、プラグが不完全または不十分になりやすいためです。顧客はビアのプラグ処理を要求してきますが、通常、ビアプラグの充填率について具体的な規定は設けていません。IPCの規格においても、ビアプラグの充填率は明確に定義されていません。最も広く分布するPCBメーカーの要求事項と、私の長年のエンジニアリング経験に基づけば、ビアプラグの充填率は75％以上であることが最適だと考えます。
b. ソルダーレジストプラグ技術の改善の観点から
これまで、PCB業界は以下の種類のソルダーレジストプラグ技術を習得しています。
テクノロジー#1 ビアプラグ → ソルダーレジスト印刷（ビアプラグにアルミ板が使用され、排気プレートが用いられる）
テクノロジー#2 ビアのプラグ埋めは、ソルダーレジストインクの印刷と同時に行われます。
技術#3 レジンプラグ → ソルダーレジスト印刷
テクノロジー#4表面仕上げ→ プラグ接続によって
ビアプラグの充填率に関しては、高い充填率が得られるため、第1および第3のビアプラグ技術の適用が推奨されます。しかし、これらの方法ではアルミニウムシートや排気プレートが必要となり、製造プロセスが複雑になるという問題があります。さらに、同期印刷には2台以上のプリンターが必要であり、基板のベーキングにもより多くの時間を要します。
テクノロジー#2は高い製造効率を特徴としていますが、ビア充填率による制御がかなり難しいです。この記事の前の部分での議論によると、ビア充填率が低いとビア銅が薄くなったり、ビア銅の断線を引き起こしたりするため、この種のテクノロジーは推奨されません。
テクノロジー#4 は通常は適用されないため、本記事の後半では取り上げません。
c. 電気試験で露呈した開口部による経路
ビア開口部の検査により、ビア銅が薄い場合や銅の断線が発生している場合に、不完全または不十分なビア埋めが生じているかどうかを判定します。
前述のとおり、電気的テストでは薄いビア内の銅を検出できることはほとんどないが、円形の銅切れの問題を調査することは可能である。電気テスト中にオープンビアが検出された場合、それが無電解銅めっき、電解めっき、あるいは不適切に実施されたソルダーレジストによるビア埋め込みに起因するかどうかを検証するために利用できる。問題の原因が究明されれば、それに対応する対策をその後列挙することができる。
d. ソルダーマスクまたは樹脂品質の観点から
新しいビアプラグ用ソルダーレジストインクおよびビアプラグ用レジンについては、その品質を保証するために技術的なテストを実施しなければならない。その後、小ロット試作に使用して、その性能と品質をさらに検証する必要がある。本稿の前の部分で述べたように、ビアプラグ用ソルダーレジストまたはビアプラグ用レジンの品質が低いと、例えばピンホールのような問題を引き起こす。マイクロエッチング液がピンホール内部に入り込むと、ビア内の銅が徐々にエッチングされ、ビア銅が薄くなったり、ビア銅が断線したりする。その品質は、低コストであることを理由に決して妥協してはならない。
ソルダーレジストの適用はPCB製造において重要な役割を果たしており、ビアの充填度は、製品の外観に関わるだけでなく、不完全または不十分なビア充填によるビア銅品質の問題とも関連するため、非常に重要です。その結果、実務管理には格別の注意を払う必要があります。具体的には、規定された手順に従うこと、製造管理を精緻化すること、検査基準を明確にすることによって、ビア充填の充実度を十分に保証しなければなりません。
