PCB OSP表面処理の一般知識

PCB 上の電気的接続は、銅の導電性に依存しています。しかし、銅は活性な化学物質であるため、大気中の湿気にさらされると酸化されやすく、その結果、高温はんだ付けの際に問題が生じる可能性があり、PCB 上の部品の強固な固定を著しく脅かし、最終製品の信頼性を低下させます。したがって、表面仕上げPCB の性能に関して 2 つの重要な役割を担っています。1 つは銅が酸化するのを防ぐこと、もう 1 つは部品を PCB に実装する際に高いはんだ付け性を提供する表面を用意することです。

ボードの表面仕上げは、使用される技術や関与する化学物質に基づいて、さまざまな種類に分類されます：HASL（ホットエアソルダーレベリング）、浸漬スズ／浸漬銀、OSP、ENIG と ENEPIGなどがあります。あらゆる表面処理の中でも、OSP はその低コスト性と環境に優しい特性からますます普及しており、私たちがそれをよりよく理解する必要性が高まっています。本記事はまさにその点についてお伝えすることを目的としています。

OSPの概要

OSP は「organic solderability preservatives（有機はんだ付け性保存剤）」の略で、アンチターニッシュとも呼ばれます。これは、洗浄された露出銅表面に吸着によって生成される有機皮膜を指します。一方で、この有機皮膜は銅が酸化、熱衝撃、あるいは湿気によって劣化するのを防ぐことができ、他方で、後工程のはんだ付け時にはフラックスによって容易に除去されなければなりません。そうすることで、露出した清浄な銅が溶融はんだと接合し、極めて短時間ではんだ接合部が形成されるようにします。

適用される水系化学化合物は、ベンゾトリアゾール、イミダゾール、ベンzimidazole（ベンゾイミダゾール）などのアゾール系に属し、これらはいずれも銅原子との間に配位結合を形成して銅表面に吸着し、皮膜を生成する。皮膜の厚さに関しては、ベンゾトリアゾールによって形成される皮膜は薄く、イミダゾールによって形成される皮膜は比較的厚い。この厚さの違いは、基板表面処理の効果に明確な影響を及ぼし、その点については本稿の後半で述べる。

OSPの製造工程

実際、OSPには10年の歴史があり、それは…よりも長いですSMT（表面実装技術）こちらがOSPの製造工程です。

注：DI は脱イオン化を指します。

「洗浄」の機能は、油分、指紋、酸化膜などの有機汚染物を除去し、銅箔表面を清浄かつ光沢のある状態に保つことであり、これは基本的な要求事項です。この工程は防錆皮膜の品質形成において非常に重要な役割を果たします。不十分な洗浄は、防錆皮膜の膜厚の不均一を引き起こしやすくなります。高品質な完成品のOSP皮膜を確保するためには、一方で、化学分析によって洗浄液の濃度を標準範囲内に管理する必要があります。他方で、洗浄効果は可能な限り頻繁に確認することが推奨され、もし効果が基準に達していない場合は、直ちに洗浄液を交換しなければなりません。

トポグラフィー強化の工程においては、銅箔上に生成した酸化物を実質的に除去し、銅箔とOSP溶液との密着力を向上させるために、通常マイクロエッチングが適用される。マイクロエッチングの速度は、皮膜の生成速度に直接影響を及ぼす。そのため、平滑で均一な膜厚を得るには、マイクロエッチング速度の安定性を維持することが極めて重要である。一般的に、マイクロエッチング速度は1.0～1.5μm/分の範囲で管理するのが適切である。

他のイオンによってOSP溶液が汚染され、リフローはんだ付け後に変色を引き起こす可能性がある場合に備えて、防錆剤が蓄積する前にDIリンスを使用するのが最適です。同様に、防錆剤が汚染によって分解されるのを防ぐため、防錆剤が蓄積した後には、pH値が4.0～7.0の範囲でDIリンスを使用するのが最適です。

OSP の利点

近年では、以下で述べる利点により、OSp が一般的に適用されています。
・シンプルな製造プロセスで、再加工が可能OSPが塗布された回路基板は、PCB製造業者によって容易にリワークできるため、コーティングに損傷が見つかった場合でも、PCB実装業者は新しいコーティングを施すことができます。
・良好な濡れ性フラックスがビアやパッドに到達した場合、OSP コーティング基板ははんだのぬれ性の点でより良好な性能を発揮します。
・環境にやさしいOSPの生成工程では水性化合物が使用されるため、環境に害を及ぼすことはなく、人々が期待するグリーンな世界に合致しています。その結果、OSPは次のようなグリーン規制に対応する電子製品にとって最適な選択肢となります。RoHS。
・低コストOSP の作成に用いられる化学化合物が単純であり、製造プロセスも容易であるため、OSP はあらゆる種類の表面処理の中でコスト面で優れています。コストが低く抑えられることで、最終的には基板のコスト削減につながります。
・両面実装SMT組立におけるリフローはんだ付けに適合OSPの継続的な開発と進歩に伴い、片面SMT実装から両面SMT実装まで受け入れられるようになり、その適用分野は大幅に拡大しました。
・ソルダーレジストインクに対する要求が低い
・長期保存時間

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OSP コーティングされた PCB の保管要件

OSP技術によって生成される防錆膜は非常に薄く、傷つきやすいため、作業および輸送の過程では細心の注意を払う必要があります。表面処理としてOSPを採用したPCBは、高温多湿の環境に長時間さらされると、PCB表面に酸化が生じる可能性があり、その結果、はんだ付け性の低下を招きます。したがって、保管方法は次の原則に従わなければなりません。
a.真空パッケージは、乾燥剤および湿度表示カードと併用してください。PCB 表面が摩擦によって損傷しないよう、PCB 同士の間に剥離紙を挟んでください。
b.これらのPCBを直射日光に直接さらしてはいけません。最適な保管環境の条件には、相対湿度（30～70％RH）、温度（15～30℃）、および保管期間（12か月未満）が含まれます。

はんだ付け後のOSPにおける可能な問題

時々、OSP基板の色ははんだ付け後に変化しますが、これは主に防錆剤の膜厚、微エッチング量、はんだ付け回数、さらには異常な汚染物質などに関係しています。幸いなことに、この問題は外観だけで確認することができます。通常、次の2つの状況があります。

状況1では、はんだ付けの過程において、フラックスが酸化物の除去を助けることができるため、はんだ付け性能に影響が出ません。したがって、これ以上の対策を講じる必要はありません。 一方で、状況2は OSP の保護性が損なわれているために発生し、その結果フラックスが酸化物を除去できず、はんだ付け性能が大きく低下します。

したがって，有機はんだ付け性保存表面処理の外観および性能を確保するために，以下の改善および対策を講じなければならない。
a.OSP の厚さは、一定の範囲内に管理しなければなりません。
b.マイクロエッチングの量は、一定の範囲内に管理しなければならない。
c.PCB製造中において、汚染物質（ゲル残渣、インクなど）は、部分的な異常やはんだ付け不良が発生しないよう、100％除去しなければなりません。

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