SMT組立工程におけるはんだ接合部へのESDの悪影響を最小限に抑える方法

現在の時代は、高速な統合と、リード部品の小型化を目的とした大量生産・製造が進行している。SMT（表面実装技術）実装においては、部品は前処理、実装、はんだ付け、検査および梱包といった一連の工程を経る必要がある。工程全体を通して、ESD（静電気放電）が発生すると、程度の差こそあれ損傷を引き起こし、SMT実装の性能を低下させる可能性がある。一方、はんだ付けの過程では、部品内部の湿気が蒸気や圧力を生じさせ、部品内部にクラックを発生させ、それが拡散することがある。その結果、最終的にショートを引き起こし、製品の信頼性を低下させる可能性がある。したがって、はんだ接合部に対してESDがもたらす損傷は非常に深刻であり、十分な注意を払う必要がある。本稿ではまさにその点について述べる。

ESDの発生源

静電気は主に、摩擦、誘導、および人体の三つの要因から発生します。

a. 摩擦によるESD

電気エネルギーの一種である静電気は、通常は物体の表面に留まり、その発生は一部の範囲内における正電荷と負電荷の不均衡に由来します。一般的に言えば、静電気は電子やイオンの移動によって発生します。2つの絶縁体同士が摩擦すると、一方の物体表面にある電気エネルギーが他方の物体表面へ移動し、その物体は負電荷を帯びるようになります。摩擦によるESDは、多くの場合、物体表面の清浄度や大きさ、および環境と関連しています。

b. 誘導によるESD

静電気の分野において誘導を引き起こすことができる物体は、導体と誘電体である。帯電した物体の周囲に導体が存在すると、静電場の影響により導体に分極が生じる。その結果、極性が反対で大きさが等しい誘導電荷が発生し、ESD が起こる可能性が高まる。

c. 人体によるESD

SMT組立の全工程において、人体はESDの主な発生源とみなされている。人が動くと、靴や衣服による摩擦によって帯電した物体が生じる。また、温度、高速な動き、および破損もESDを引き起こす要因となる。

実際のところ、静電気は人々の日常生活の中でよく見られますが、その損傷はほとんどありません。しかし、IC や高分子材料が頻繁に使用される場合、ESD による損傷は増大します。したがって、SMT 実装プロセスにおいて ESD 保護対策を講じることは非常に重要です。

はんだ接合部へのESDによる損傷

はんだ接合部は電子製品全体のシステムにおいて極めて重要な役割を果たしており、回路動作中の接続という責任を担っている。現在、回路はますます高密度化しており、はんだ接合部の数も大幅に増加している。単一のはんだ接合部に不具合が生じると、回路システム全体が故障してしまう。はんだ接合部の欠陥は主に、SMT実装プロセス中に発生する欠陥に起因する。環境温度が変動したり、回路全体の電流が不安定になったりすると、部品が過熱し、熱疲労によって電子製品の性能がさらに低下する。さらに、はんだ接合部周辺の温度が変化すると、はんだ接合部内部に熱応力が発生する。

はんだ接合部のもう一つの欠陥がボイドである。ボイドとは、はんだ接合部内部に存在する微小な気泡を指し、化合物の膨張や、はんだペースト内に残留した空気に由来する。外観検査によって、はんだ接合部の外側にある一部のボイドを見つけることはできるが、はんだ付け工程中に生成されたボイドは、露出させることが難しいほど大きな脅威となる。しかし、ボイドは一連の自然なプロセスによって形成されるため、避けることはできない。一方で、ボイドはき裂の発生を抑えたり、き裂の進展経路を変化させたりすることができる。他方で、ボイドは最終製品の寿命を縮めてしまう。

はんだ接合部の悪影響を最小限に抑えるための対策

ESD保護は、SMT実装プロセス中に発生しうる問題の中で最も重要な項目の一つです。作業者はESD保護に関する十分な知識を身につけ、ESD保護の目的と具体的な対策を完全に理解していなければなりません。さらに、すべての作業者はノウハウを習得し、ESD保護に対する高い意識を維持できるよう訓練を受ける必要があります。

• ESD保護対策#1：導体と絶縁体

導体に静電気が発生した場合、いくつかの機器や装置などを経由する経路を通して、速やかに放電させる必要があります。静電気の漏えい経路としては、導体を接地することで、導体上の静電荷を放出させることができます。ESD保護のために帯電防止線を設置することができ、これらは電源用接地線と帯電防止用接地線を分離するために、独立して設けなければなりません。電荷は絶縁体中を移動できないため、導体向けのESD保護対策は絶縁体には有効ではありません。そのため、絶縁体のESD保護には、通常、電荷の中和が用いられます。イオンファンを用いて正イオンと負イオンを発生させ、静電荷を中和します。同一環境下では、環境温度が低いほど湿度が上昇し、それが導体の導電性にも影響を与えます。電気伝導率が継続的に上昇し、湿度も上がると、そのような環境ではESD保護がしやすくなります。したがって、危険区域におけるESD保護対策としては、湿度を高め、温度を下げることが最適な解決策となります。

・ESD保護対策#2：ESD保護デバイス

静電気の発生を大幅に抑え、既に帯電している静電気を放電するためには、ESD保護デバイスは十分な導電性を備えるとともに、静電気が過剰に漏れないよう、ESDリークの速度を制御できる必要があります。

・ESD保護対策#3：保護回路

ESD保護対策として保護回路を追加することはごく一般的です。しかし、小型化および高密度化された回路では、保護回路は受け入れられません。

ESD保護対策に関しては、最適なESD保護対策を適用できるように、意思決定の際に多くの要素を考慮する必要があります。

追伸：SMT実装工程における最適なはんだ接合生成のためのいくつかのヒント

電子製品が継続的に小型化・多機能化するにつれて、SMT実装プロセス中の不良原因を解析することはますます困難になっています。はんだ接合部の問題はSMT実装プロセスにおける重要な課題であり、リフローはんだ付けの温度プロファイルを適切に設定することで、はんだ接合部の問題に対処することができます。

空洞はき裂の進展速度を加速させ、はんだ接合部の強度を低下させる可能性があります。PCB（プリント基板）上でブラインドビアを使用すると空洞が発生し、また不適切な工法の適用によっても空洞が生じます。ブラインドビア内部には空気が存在し、加熱されるとその体積は膨張します。さらに、はんだペーストが溶融する際に一部の空気は排出されますが、排出されなかった空気ははんだ接合部内で空洞となります。

さらに、ボイドの発生ははんだ付け温度と直接関係している。予熱時間は90～120秒の範囲まで延長し、はんだペースト中に含まれる空気と水分を完全に気化させることで、ボイドが発生する可能性を低減できる。また、はんだペーストの表面張力を低下させることで、高温環境下で気泡を排出することも可能である。