PCB表面コーティングの機能と選定原則

PCB（プリント基板）は、その優れた導電性と物理的特性により、導電材料として銅が選択されています。しかし、銅の表面は空気にさらされると酸化しやすく、表面に固く薄い酸化膜が形成されます。これにより、はんだ接合部に欠陥が生じることが多く、その結果、製品の信頼性が低下し、保存寿命も短くなります。したがって、銅表面の酸化を防ぐための保護対策を講じることが非常に重要であり、これが耐熱性とはんだ付け性を備えた表面コーティングが登場した本来の理由です。現在までに、PCB表面コーティングは急速に発展し、多くの分類が生まれており、どの種類を選択するかはいまだ重要な課題です。そこで本稿では、PCB表面コーティングの機能と分類について論じ、いくつかの選定原則を紹介します。

PCB表面コーティングとは何ですか？

・PCB表面コーティングの重要性

PCB上のパッドの銅表面が、はんだ付け前に酸化および汚染されるのを防ぐためには、保護機能を果たす銅上の表面コーティング（表面処理とも呼ばれる）を施すことが極めて重要である。

銅は、（最も優れているのは銀ですが）導電性および物理的特性が第2位であり、さらに埋蔵量が豊富でコストも低いため、PCBの導体材料として選択されています。 しかしながら、銅は活性金属の一種であり、非常に酸化されやすく、表面に酸化膜（酸化銅または亜酸化銅）が生成されやすいため、はんだ接合部に欠陥を引き起こし、製品の信頼性を低下させ、保存寿命を短くしてしまいます。

統計によると、PCB基板の欠陥の70％は、次の2つの理由によりはんだ接合部に起因しています。

理由#1PCB上のパッドに発生する汚染や酸化は、不完全なはんだ付けやコールドジョイントを引き起こしやすくなります。

理由#2銀と銅の間の拡散により拡散層が生成されやすく、一方、錫と銅の間では金属間化合物（IMC）が生成されやすいため、界面は疎で脆くなりやすい。

したがって、はんだ付けされる銅表面には、はんだ付け性を有する、または絶縁機能を持つ保護層を施し、不良を軽減または回避できるようにする必要があります。

・PCB表面コーティングの要件

PCBパッド上の表面コーティングは、次の要件に適合していなければなりません。

a. 耐熱性

はんだ付け時の高温環境下では、表面処理はPCBパッド表面の酸化を防ぎ、はんだが銅と直接接触できるようにする必要があります。

有機表面コーティングの耐熱性とは、融点および熱分解温度に関する性能を指す。表面コーティングの融点は錫の融点と同程度かそれ以下であるべきであり、一方でその熱分解温度は、はんだの融点およびはんだ付け温度より十分高くなければならない。その結果、はんだ付け中に銅表面で酸化が生じることはない。

b. 被覆性

基本的に、PCB の表面処理は、はんだ付けの前および最中に酸化や汚染を受けることなく、銅パッドの表面を完全に覆うことができる必要があります。表面処理は、ずれたり、分解したり、はんだ接合部の表面に浮き上がったりしてはなりません。したがって、溶融したはんだがパッド上に完全にはんだ付けされるようにするためには、溶融した表面コーティングの表面張力が小さく、分解温度が高いことが求められ、これによってはんだ付けの前および最中に高い被覆性が保証されます。

c. 残渣

ここでいう残渣とは、はんだ付けの実施後にパッドやはんだ接合部の表面に残る残留物を指します。一般的に、残渣は有害であり除去すべきものとされているため、通常はんだ付け後には洗浄処理が行われます。

d. 腐食性

ここでいう腐食性とは、はんだ付け後に残留はんだによって、PCB基板材料や金属層などの回路基板表面に生じる腐食を指します。

e. 環境面での懸念

近年、環境問題は業界からますます高い関心を集めています。PCB の表面コーティングに関しては、コーティングの生成時および洗浄・はんだ付け後に発生する排水が、処理しやすく環境に優しいものでなければなりません。

PCB表面コーティングはどのように分類されますか？

・製造技術に基づく

製造技術に基づき、PCB の表面処理は表面コーティングと金属コーティングに分類できます。

a. 表面コーティング

表面コーティングとは、物理的な方法によって銅表面に耐熱性とはんだ付け性を兼ね備えた薄いコーティングを施すプロセスを指します。表面コーティングの主要な特性は、はんだ付け工程において、はんだ付けのために純粋な銅表面を提供できる点にあります。HASL（ホットエアはんだレベリング）のような表面処理やOSP（有機はんだ付け性保存剤）は、この分類に属します。

b. 金属コーティング

金属コーティングとは、ENIG（無電解ニッケル浸漬金）、ENEPIG（無電解ニッケル無電解パラジウム浸漬金）、浸漬金などのように、無電解めっきおよび電解めっきの方法によって、PCB上のパッドの純銅表面に耐熱性およびはんだ付け可能な金属被膜を形成するプロセスを指します。

・アプリケーション効果に基づく

適用効果に基づくと、表面仕上げは次の3つのカテゴリーに分類される。すなわち、絶縁層上のコーティングに半田フラックスを半田付けしたもの、拡散層上の金属コーティングに半田フラックスを半田付けしたもの、および金属コーティングの絶縁層に半田フラックスを半田付けしたものである。

カテゴリ#1絶縁層上のコーティングにフラックスを用いてはんだ付けします。

この種の表面コーティングの主な特性は、高温はんだ付けの際に、溶融したはんだが銅から離れた後、はんだの表面上を流動することである。しかし、はんだ接合部の界面にはIMCが生成され、それにより欠陥が発生する可能性が高くなる。

カテゴリ#2拡散層上の金属コーティングに、はんだフラックスがはんだ付けされます。

この種の技術の出現はIMCを排除することを目的としているが、明らかな欠点を有している。一方では拡散を引き起こしやすく、他方では基板が脆くなりやすく、その結果として回路に欠陥が生じる原因となる。

カテゴリー#3: はんだフラックスは、金属コーティングの絶縁層上にはんだ付けされます。

この種の技術の主な利点は、はんだが銅表面に直接ではなく、金属コーティングの絶縁層表面にはんだ付けされることである。そのため、界面に安定したIMCが生成されず、金属間の拡散も生じない。

PCB表面処理の選び方

PCB の表面コーティングには、はんだ付け性、信頼性、および保存寿命と密接に関係しているため、細心の注意を払う必要があります。使用条件や用途分野に基づいて、特に慎重に選定しなければなりません。

表面コーティングは特性や適用効果が異なるため、適用要件および具体的な適用分野に応じて選定する必要があります。PCB製造プロセスそして、製造の複雑さやコストを主な判断基準とすることはできません。

一般的に、民生用または一般産業用の電子製品に関しては、はんだ付けフラックスが絶縁層なしで直接はんだ付けされる表面コーティング、例えば HASL や OSP などを選択する必要があります。

しかし、医療、輸送、軍事、航空宇宙などのように、高い信頼性と長い保存寿命を追求する用途に関しては、はんだフラックスが絶縁層上にはんだ付けされる表面コーティングを選択する必要があります。例えば、ENIG と ENEPIG。