PCB故障を防ぐ：イオン汚染テストガイド

PCBイオン汚染

PCBA故障の約15%は汚染が原因で発生します。イオン汚染は、欠陥PCBにつながる複数の問題を引き起こす可能性があります。組み立て完了前にベアボードのイオン汚染をテストすることで、汚染物質による欠陥リスクを低減できます。このガイドでは、イオン汚染、それが引き起こす問題、メーカーがイオン汚染テストを実施する方法について説明します。

PCBにおけるイオン汚染とは？

イオン汚染は、完成したPCBに信頼性と機能性を妨げるイオン性残留物が残っているときに発生します。イオン性残留物は、溶液中で導電性を持つ原子または分子を含みます。水分にさらされると、イオン性残留物は負または正に帯電した元素に解離し、溶液の全体的な伝導率を変化させます。

PCBには非イオン性汚染も存在し、これは非イオン性残留物を含みます。非イオン性残留物には導電性がないため、通常は生産と組み立て後もPCBに残留しても問題ありません。したがって、ほとんどのメーカーは基板の清浄度を調べる際、イオン汚染に焦点を当てます。生産中にPCBコンポーネントに影響を与えるイオン性残留物には：

• 塩類
• 無機酸と有機酸
• エタノールアミン
• 汗
• フラックス活性化剤
• メッキ化学薬品

イオン汚染には2つの一般的な原因があります：

• ベアボードの清浄度不足： 多くのイオン性汚染物質は基板自体から来ます。基板製造プロセスや環境暴露により、微粒子残留物、油分、塩類、ほこりなどの残留物が残ることがあります。ベアボードにコンポーネントを追加する前に、メーカーは前の生産ステップから汚染物質が残っていないことを確認する必要があります。
• 強力な化学薬品の使用： 銅エッチング液、水溶性はんだ付けケミストリー、その他の強力な化学薬品は、適切に洗浄されない場合、基板の伝導率を変える残留物を残す可能性があります。

イオン性残留物が引き起こす問題

メーカーが過剰なイオン性残留物を除去できない場合、以下の問題が発生する可能性があります：

• 腐食： ほとんどのPCBは金属材料のため、最終的には食します。しかし、イオン汚染は、PCBの予想寿命と比較して、はるかに短い期間で腐食を引き起こす可能性があります。腐食とは、酸素が金属と結合して錆を生成するプロセスです。水分がイオン性残留物と接触すると、短絡リスクが高まります。食した金属が剥がれ落ち、PCBの正常動作に必要な化学的特性を失います。
• デンドライト成長： デンドライト成長では、直流電圧バイアスの影響を受けた電解液を通じて、導電性金属のスリバー（デンドライト）がPCB上に成長します。デンドライトは、ソルダーマスクの孔がフラックスや他のイオン性残留物を保持しているときに急速に現れることがあります。デンドライト同士が接触すると、短絡や断続動作などの欠陥が生じます。
• 電気化学的移行： 電気化学的移行もデンドライトを含みますが、特に誘電体材料を横切って成長する場合です。デンドライトが導電性イオンから形成されるため、PCBの意図した設計とは異なる方向に電流を導く可能性があります。デンドライト成長が電気化学的移行を引き起こし、完全または断続的な故障を生み出します。デンドライト成長と電気化学的移行は密接に関連し、同時に発生する傾向があります。

イオン汚染テストで使用される清浄度測定

イオン性残留物がPCBの寿命を縮めないよう、多くのメーカーは製造プロセスの一環として基板を洗浄しています。イオン汚染テストにより、メーカーは生産中に十分な洗浄技術を使用しているかどうかを判断できます。イオン汚染を検出する清浄度テスト方法には：

• バッチ式水系洗浄システムでの抵抗率テスト： PCB洗浄に使用されるシステムには、組み込みの抵抗率測定ツールが付属していることがよくあります。これらの結果はIPC標準を満たすためには使用できませんが、洗浄システムの有効性についての洞察を提供できます。
• 溶媒抽出抵抗率（ROSE）テスト： ROSEテストは、汚染につながるバルクイオンを検出します。ゼロイオンまたは類似のイオンテストユニットが、PCB上のイオンを溶媒溶液に引き出します。テストは平方インチあたりのバルクイオン数として結果を測定します。
• 改良ROSEテスト： 改良ROSEテストは、標準ROSEテストに熱抽出法を追加したものです。依然としてバルクイオンを引き出す溶媒が関わります。しかし、標準条件でイオンを引き出す代わりに、PCBと溶媒溶液を高温にさらします。その後、イオノグラフタイプの装置で溶液をテストします。
• イオンクロマトグラフィーテスト： イオンクロマトグラフィーテストは、改良ROSEテストと同様の熱抽出法を含みます。抽出後、溶液はイオンクロマトグラフテストユニットでテストされます。このテストの結果は、サンプル内の特定のイオン種と、各種の平方インチあたりのレベルについての情報を提供します。

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