今日の電子機器製造において、最も広く使用されているプリント基板の表面処理の一つが無電解ニッケル／浸漬金（ENIG）です。その優れた平坦性、高い耐酸化性、および微細ピッチ部品への適用が可能であることから、ENIG は次のような製品に一般的に使用されています。HDI基板、BGAアセンブリ、自動車用電子機器、医療機器、および通信機器。
電子組立品がより複雑かつ高密度になるにつれて、プリント基板は複数回のリフロー工程にさらされることがますます多くなっている。高温での複数回のリフローが、基板に対して行われるのは両面SMT実装、部品交換、修理作業、および繰り返し行われる熱プロファイリング。ENIG は多くの過酷な用途で優れた性能を示しますが、長期間にわたる繰り返しの熱サイクルへの曝露は、ENIG のはんだ付け性、機械的特性、および信頼性に影響を与える可能性があります。
複数回のリフローサイクルで何が起こるのか？
リフローサイクル：はんだペーストを加熱して溶融させ、部品とPCBパッド間に電気的接続を形成するプロセス。一般的なピークリフロー温度は鉛フリー製造は240°Cから260°Cの範囲であり、PCBの表面仕上げに大きな熱的ストレスを与えます。
ENIG仕上げは、2つの金属層で構成されています。
無電解ニッケル：銅とはんだの間に拡散バリアを提供します。
イマージョンゴールド：はんだ付け前にニッケルが酸化するのを防ぎます。
はんだ付けの際、薄い金層がはんだに溶け込み、はんだは金の下にあるニッケル層と接触します。この界面は、繰り返しリフローを行うことで継続的に変化し、長期的な信頼性に影響を及ぼす可能性があります。
金属間化合物の成長
ENIG における複数回のリフローサイクルの重要な影響は、金属間化合物が段階的に形成されていくことである。
溶融はんだがニッケル層と接触すると、はんだ接合部の界面でニッケルとスズの化合物（Ni₃Sn₄）が生成されます。IMC の成長ははんだ接合の形成に不可欠ですが、IMC が過剰に生成されると、接合部の信頼性が損なわれます。
繰り返しリフローにさらした試験によると、リフローのたびにIMC層の厚さが増加し、はんだ接合部の抵抗率も上昇することが示されている。その結果、熱ストレスを受けたはんだ接合部は脆くなり、機械的疲労に対する抵抗力が低下しうる。
金属間化合物が過度に成長すると、次のような結果を招く可能性があります。
はんだ接合部の脆さ
機械的強度の低下
配管システムで亀裂が発生するリスクが高い
熱ショック耐性と安定性を低下させる
一般的に、ENIG 上のはんだ接合部は、他の銅系表面処理と比べて IMC の成長速度が遅くなりますが、過酷な動作環境では、リフローサイクルを繰り返すことで、時間の経過とともにはんだ接合部が弱くなる可能性があります。
リン濃縮と界面劣化
ENIG における無電解ニッケル層には、中～高リン範囲のリンが含まれています。繰り返しの加熱により、界面でリンが蓄積し、ニッケルがはんだ中へ拡散します。
このようなリンに富んだ領域は、複数回の熱履歴を受けることで脆くなり、界面で破損が生じる可能性があります。使用中に追加の応力が加わると、接合状態があまり良くない界面で亀裂が発生することがあります。
リンの富化は次のような結果を招く可能性がある：
はんだ付けの接合不良
濡れ性の低下
脆性破壊帯
適切に接合されていないはんだ接合部。- はんだ接合部の不良
したがって、良好な組立性能を確保するためには、安定した ENIG 薬品組成と適切なめっき管理が重要です。
ブラックパッドとはんだ付け性の懸念
ENIG の一般的な信頼性問題として、「ブラックパッド」現象があります。浸金処理の過程でニッケル層が過度に腐食すると、リンを含む暗色の表面が形成され、はんだ付けプロセスを妨げることで「ブラックパッド」を引き起こします。
ブラックパッド欠陥は、検査時には必ずしも明らかにならない場合がありますが、リフロー回数の多さにより、すでに弱くなっている界面に熱ストレスが加わることで、リフローによって問題がさらに悪化することがあります。はんだ接合部は、最初は良好に見えることもありますが、振動、熱サイクル、または機械的衝撃によって破損する場合があります。
ブラックパッドに加えて、複数回のリフローサイクルによって、はんだ付け性が低下する原因として次のようなものがある。
ニッケルの酸化
表面汚染
過度なIMCの形成
濡れ性の低下
電子製品の可搬性の向上、小型化および複雑化に伴い、信頼性の問題がますます重要になってきている。
鉛フリー実装における課題
鉛フリーはんだを使用する場合、複数回のリフローサイクルが加速されます。鉛フリーはんだ付けプロセスは、従来の錫鉛はんだ付けに比べて、より高い温度と、液相線温度を超えるより長い時間を必要とします。
これらのより過酷な熱条件は、次のものを加速させます。
ニッケルの溶解
金属間化合物の成長
酸化
熱疲労
したがって、ENIG 表面は、熱サイクル後の鉛フリー条件下で劣化しやすくなります。これは、自動車、航空宇宙、産業用電子機器など、長い使用寿命を要する用途において特に重要です。
リフローに起因する故障を減らす方法
複数回のリフロー条件は、多くの場合、メーカーがENIG仕上げの信頼性を確保するためにいくつかの予防措置を講じる必要があることを意味します。
厳密なプロセス管理
ニッケルの厚さ、金の厚さ、リン含有量およびめっき薬品組成は、ブラックパッドやはんだ付け性の問題が発生する可能性を最小限に抑えるため、慎重に管理されています。
最適化リフロープロファイル
不要な熱への曝露を避けることが重要です。メーカーがピーク温度、液相線を超える時間、そして不要なリワークサイクルを最小限に抑える最良の方法の一つは、そのような極端な状態を可能な限り制限することです。
適切な保管と湿度管理
はんだ付け性能は、湿度や汚染によって悪影響を受ける可能性があります。適切な保管、乾燥キャビネットでの保管、および湿気に敏感な部品の取り扱いにより、繰り返しリフロー工程における信頼性が向上します。
代替表面仕上げ
高温特性がアプリケーションにとって重要な要件である場合、組立要件に応じて、いくつかのメーカーは ENEPIG か浸銀のいずれかを採用することを検討する場合があります。
ENIG は、現在の電子機器製造において依然として最も信頼性が高く多用途な PCB 表面処理の 1 つです。その高い平坦性、優れた耐食性、ファインピッチへの適合性により、高密度 PCB と先進的な SMT 実装が可能になります。
しかし、複数回のリフローサイクルは多くの信頼性問題を引き起こす可能性があります。複数回の熱曝露は、金属間化合物の成長やリンの濃縮、はんだ接合部の脆化を促進し、場合によっては潜在的なブラックパッド問題を悪化させることがあります。さらに、鉛フリー環境では処理時の温度が高くなるため、これらの影響は一層強まります。
長期的なはんだ接合部の信頼性を保証するためには、メーカーはENIGめっきの品質、リフロープロファイル、およびはんだ付け実装プロセス全体における熱管理を最適化する必要があります。
電子製品がより高密度かつ高機能へと進化する中、経験豊富なPCB製造パートナーと協力することがこれまで以上に重要になっています。PCBCartはプロフェッショナルなPCB組立および製造サービス厳格な品質管理システムにより、電子製造における高い信頼性が求められる用途に対応しています。
役立つリソース
・PCB表面処理の概要と比較
・表面仕上げ選定のための最も包括的なガイドライン
•PCBAにおける鉛はんだ付けと鉛フリーはんだ付けの製造手順の比較
•SMT はんだ付け品質に影響を与える要素と改善策
