鉛フリーPCB（プリント基板）は、当初はEU（欧州連合）によるRoHS（有害物質使用制限指令）への適合のためだけに求められました。RoHSは、すべての電子機器がその規制に準拠することを要求しています。その結果、PCB製造は鉛使用から鉛フリーへの転換が始まりました。
はんだ接合部中の鉛は主に、部品のめっきピン、PCB のめっきパッドおよびはんだに由来する。はんだ接合部中の鉛含有量が ROHS 規制（質量分率は 0.1％ 未満であること）に適合するようにするために、表面仕上げしたがって、PCB に適用される場合、鉛フリー対応でなければなりません。現在、鉛フリー製造を実現するためにいくつかの表面処理が開発されており、その中でも ENIG、ImAg、ImSn および OSP が最も広く用いられています。
各種の表面処理にはそれぞれ長所と短所があるため、あなたのプロジェクトにとってどの種類の表面処理が最適であるかを明確にしておくことが重要です。そこで本記事では、適用条件、コスト、鉛フリー要件との適合性、保存寿命、はんだ付け性などの観点から、4種類の表面処理を主に比較し、鉛フリーPCBに最適な表面処理を見極められるようにします。
エニグ
ENIG は Electroless Nickel/Immersion Gold の略であり、その構造は以下のとおりです。
・概要
鉛フリーの表面処理として、ENIG には長期保存が可能であること、優れたはんだ付け性、平坦な表面といった明確な利点があります。その主な欠点は、比較的コストが高いことと「ブラックパッド」のリスクにあります。
・ブラックパッド
ブラックパッドとは、ENIG が適用されたはんだ接合部に発生する欠陥であり、ニッケル層が深刻な侵食を受けることによって生じます。破断したニッケル層が灰色や黒色に見えるため、ブラックパッドと呼ばれます。
ブラックパッドの最大の欠点は、除去が困難であるという点にあります。さらに、肉眼で検査することができません。そのため、製品の信頼性に対する脅威が一層高まります。
・デメリットの検討
a. 非濡れ性
非濡れ性はブラックパッドの直接的な原因である。一般的に言えば、ENIG コーティングが施された PCB がブラックパッドを起こすと、応力の影響に耐えられなくなる。その結果、製品が高低温サイクル試験、振動試験、日常的な抜き挿しを経ると、はんだ接合部に亀裂が生じ、製品の信頼性が低下する。
b. 浸食の傾向
ENIG が適用されたはんだ接合部は、金層が非常に薄くピンホールを有しているため、湿気の中で侵食されやすくなる傾向があります。しかし金自体は侵食されず、その下にあるニッケル層が侵食の影響を受けます。
・概要
イム・スン
Im-Sn はイマージョン・スズ（immersion tin）の略称で、置換反応によって銅表面に純粋なスズ層を形成することで得られます。置換反応であるため、表面処理の膜厚には限界があり、通常は 1μm です。
・デメリットの検討
a. 保管に対して耐性がない
常温においても、すず層と銅母材は互いに拡散しやすい傾向がある。室温では、すずの拡散速度はおおよそ 0.144～0.166nm/s の範囲にあり、室温で 30 日間保管することができる。このとき、すずの膜厚は 0.23μm 失われ、IMC に変換される。リフローはんだ付け後には、その膜厚は 0.8μm 以上減少する。180 日間の保管が必要な場合、はんだ付けは 3 回行う必要がある。Im-Sn の最小膜厚は 1.28μm 以上でなければならない。しかし、これは通常達成されず、一般的な膜厚はわずか 1.15μm である。
b. 色の変化
はんだ付けの過程で温度が継続的に上昇すると、Im-Sn 層は有機汚染物質やスズの酸化により変色しやすくなります。一般的に、酸化スズ層が厚くなるほど、その色はより濃くなります。
c. 微細ピッチ実装には不適合
錫めっき用の薬液はほとんどのソルダーレジストに悪影響を及ぼすため、ソルダーレジストをあまり小さくすることはできません。そうしないと、破損してしまいます。したがって、Im-Sn はファインピッチ実装には適用できません。
d. 錫ウィスカー
錫ウィスカは、ENIG におけるブラックパッドと同様に、Im-Sn にとっての問題です。錫ウィスカは通常 Im-Sn で発生し、パッド間の間隔は 0.4mm 以上に設定することができます。
e. ソリューション攻撃
薬液による攻撃のため、ビア充填インクは亀裂を生じやすく、その亀裂にはしばしば薬液が残留します。これらはリフローはんだ付け中に絞り出され、外観と信頼性を著しく低下させます。
・概要
イム‐アグ
Im-Ag は、溶液の作用によって銀層を生成することを目的としたイマージョンシルバー（浸漬銀）の略称です。純粋な銀層とは異なり、Im-Ag には有機物質が含まれており、その質量分率はおよそ 30% です。
・デメリットの検討
a. マイクロキャビティ
直径が0.05mm未満の微小な空洞が銀表面に発生しやすくなります。これらの空洞ははんだ接合部の強度を著しく低下させ、特にPCBが衝撃を受けた場合にその影響が顕著になります。その結果、最終製品が故障に至る可能性があります。
b. クリーピング侵食
クリーピングエロージョンは、表面処理として Im-Ag が適用される場合の主要な欠陥の一つである。はんだレジストの端部で露出した銅と、広い面積を持つ銀表面との組み合わせによってガルバニック結合が生じるため、湿度の高い環境では電気化学的腐食が発生しやすくなる。
c. シルバー移行
銀のマイグレーションは通常、厚膜回路やIC内部で発生します。
d. カラー変更
イマージョンシルバー処理が施された基板表面の色は、空気にさらされると黄色または黒色に変化しやすくなります。空気中での変色は主に、銀の表面に微小な孔が存在し、空気中のハロゲン化物がその銀の孔と反応することで起こります。
このような変色の原因に加えて、はんだ付け後に表面色が変化することがあります。はんだ付け後の変色を引き起こす要因は、めっき厚さと曝露時間の2つです。めっき厚さの増加は耐変色性の向上に有効であることが実証されており、曝露時間を短縮することも、表面色の変化を比較的抑制することが可能です。
・概要
OSP
OSPは「Organic Solderability Preservatives（有機はんだ付け性保存剤）」の略です。OSP は、化学的な方法によって清浄な銅表面上に生成される有機皮膜のことです。これは銅表面が酸化するのを防ぐために用いられます。さらに、耐熱衝撃性およびぬれ性にも優れています。
• はんだ付け後にOSPが直面する課題
チャレンジ#1
リフローはんだ付け炉の高温下では、揮発はほとんど起こらず、質量損失は10％以上にはならないため、OSP上では最小厚さを使用できることを示している。
チャレンジ#2
OSPは260℃の温度では分解しません。この過程において、OSPは固体から直接気体へと変化し、熱は発生しません。
チャレンジ#3
はんだ付けの過程で、OSP は酸素と反応しやすい傾向があります。
チャレンジ#4
OSPがリフロー炉に入るとすぐに、はんだ付け性が劣化して錆びたような色になりやすくなります。
チャレンジ#5
OSPはフラックスを塗布すると除去しにくくなる傾向があるため、代わりにより強力なフラックスを使用する必要があります。
・概要
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