PCBにおける吸湿感受性の理解：予防、検出、除去

ジャンプ先： 湿気がPCBに与える影響｜湿気の検出と除去｜なぜ起こるのか？｜湿気に関するIPC規格｜PCBへの湿気侵入防止｜PCBからの湿気除去｜MCLからのプリント基板

 

剥離の影響はサーモグラフィーと音響顕微鏡で検出可能ですが、変色や膨れのような明確な症状として常に現れるわけではありません。全体として、最初から湿気がPCBに到達しないよう防止することが強く推奨されます。この保護は、プリベーキングと適切な保管といったプロセスで達成できます。PCBの設計も、湿気が問題になりやすいかどうかに影響します。プリント基板（PCB）に関する最も厄介な問題の一つは、湿気の存在です。PCB内部に湿気が存在する場合、それによる不安定化が表面要素に剥離効果をもたらす恐れがあります。PCBに半田付けやリワークが適用されるたび、湿気含有量の結果として剥離が容易に拡大する可能性があります。

 

湿気がPCBに与える影響

湿気の存在は、拡散が進行するにつれてどのコンポーネントや導電パスが接触するかに応じて、PCB上で様々な機能不全を引き起こす可能性があります。湿気はエポキシガラス、樹脂、ガラス界面、基板のクラックに潜伏します。湿気に関連する一般的な問題には、対応デバイスの機能における回路速度の低下と遅延時間の増加が含まれます。問題が一定の限度を超えると、デバイスが単純に起動しなくなる可能性があります。

メッキスルーホールの密度が異なるPCBで、湿気吸収と脱着の影響を示す試験が実施されています。密度の異なるメッキスルーホールを持つPCBでは、孔の間隔に基づいて、閉じ込められた湿気量が異なる脱着率を示します。高濃度に飽和したPCBでは、高温環境下で脱着に数百時間かかることがあります。

PCBが、基板とそのコンポーネントの抵抗を超える大気湿気圧の環境に置かれると、湿気がPCBに浸透する可能性があります。PCBに湿気剥離の影響を及ぼさせないためには、0.1%未満の湿気含有量での高温半田付け、または0.2%未満の湿気含有量での低温半田付けでのみ実施すべきです。高温半田付けは約260℃、低温半田付けは約230℃付近です。

 

湿気の検出と除去

PCBの電気エネルギー蓄積能力を測定すると、基板内の湿気含有量の変化を検出できます。このプロセスには静電容量センサーが使用されます。静電容量レベルは孔密度に反比例して変化します。後者が高い場合、前者は低くなります。なぜなら、湿気と表面の距離が短い一方で、湿気が逃げるスペースが多いためです。

非PTH PCBでは、静電容量がより速いペースで減少します。したがって、これらの基板では湿気レベルを十分に低くするために必要なベーク時間が短くなります。PTH基板では、湿気が逃げる露出表面スペースが少なくなります。

銅プレーンが脱着プロセスに逆の効果を持つため、設計を考慮してベークする必要があります。一方で、ベークプロセスを長期間実行することで基板から湿気をより効果的に除去できますが、そうすると基板の半田付け性と機能容量が低下する可能性があります。従って、これらの副作用を避けるためにベーク時間を測定すべきです。

湿気除去プロセスは、常に予測可能な結果を生むわけではありません。例えば、同一の銅プレーンのペアが、ベーク開始時に中央部分で湿気が一時的に膨らみ、すぐに拡散することがあります。この一時的な湿気の膨らみが、剥離が最も起こりやすい基板領域で発生すると、ベークの意図しない副作用となる可能性があります。

一部の基板では、湿気が複数層を通過して拡散した後では、湿気除去が単純に不可能です。したがって、PCBの初期組立プロセス中に湿気が基板内部に入らないよう防止策を講じることが極めて重要です。

 

なぜ起こるのか？

PCBが湿気にさらされる最も一般的な方法の一つは、冷たい冬の空気との接触です。低温では、大気中の空気が湿気を吸収するのに十分な熱を持っていません。その結果、空気の湿気含有量が冷たい表面に放出されます。表面が空気自体より冷たくなると、その表面は放出された湿気、つまり凝縮水の磁石として機能します。これが、冬に窓が曇る理由です。

凝縮領域の近くに置かれた冷たい物品も、空気から湿気を引き寄せる可能性があります。例えば、曇った窓の敷居に置かれた花瓶は、湿気の滴で濡れる可能性があります。内部の空気より冷たくなり、滞留水を保持できるあらゆる表面が磁石となり得ます。コンピュータコンポーネントの表面もその一つです。

非稼働コンピュータや周辺機器の内外部表面は、冬場に容易に冷たくなります。表面が内部空気より冷たくなると、湿気を引き寄せます。内部コンポーネントでは、湿気が逃げるベントホールがない場合、問題が悪化する可能性があります。PCBは、例えばコンピュータボックス、スキャナ、ビデオプレーヤー、ステレオデバイス内で水平に配置されることがあります。家が空で、外気温が低いにもかかわらず暖房と電気が両方切れている時間帯には、これらのデバイスが湿気の磁石となり得ます。

湿気がPCBやその他の内部回路の表面に拡散すると、デバイスは最終的に再起動しなくなる可能性があります。冬の間デバイスが休止状態で、春になって起動しなくなった場合、内部化した湿気が原因であることがあります。デバイス自体が非稼働だったため、問題の期間中、ユニット内で内部熱発生がなかったからです。

PCBに湿気が蓄積するその他の方法には以下が含まれます。

• 不十分な梱包： PCBは、不完全な袋やキャビネットで梱包・保管される際にも湿気と接触する可能性があります。基板が周囲環境から保護しない不完全なパッケージで出荷されると、特定条件下で湿気が浸透します。場合によっては、湿気が顧客の手に渡る前にPCBの層に拡散します。
• 実装： 組立プロセス中に周囲の空気から水微粒子が基板に付着し、PCBが湿気と接触する、最も捉えにくくフラストレーションのたまる方法の一つです。半田付け前に水が基板自体に付着し、層を通過して拡散すると、基板は本質的に欠陥を持って製造されたことになります。湿気除去のステップが存在しても、それら同じステップが基板をさらなる曝露に開く可能性があります。
• ベーキング： PCB湿気対策で最も一般的なプロセスであるベーキング中でさえ、基板内部で湿気が膨らむことがあります。ベーキングの意図は、PCBを加熱して湿気を追い出すことですが、内部化した湿気分子は基板内部の温度上昇に伴い一時的に膨張することがよくあります。最終的には大部分の湿気がPCBから追い出されますが、一時的な膨張が基板内部でさらなる不可逆的な拡散を引き起こす可能性があります。

 

湿気に関するIPC規格

2010年、PCB湿気管理に関するIPC規格が確立され、このトピックがPCBメンテナンスの全体的範囲で軽視されてきたことを是正しました。コーティングされた半田基板は、湿気が基板に入らないよう対策を講じる限り、より長期間半田付け性を保持できます。あるいは、適切なステップで湿気を拡散させれば、基板をより長持ちさせられます。

ガイドラインによれば、既存のプロセス制御が湿気侵入を防止できなかったPCBからの湿気除去には、ベーキングが実用的な方法です。しかし、ガイドラインはベーキングがコスト増、サイクルタイム増、半田付け性低下を招くことも警告しています。ベーキングプロセスは更なる取り扱いを伴うため、PCBに損傷を与えたり汚染を招いたりする可能性があります。したがって、組立、取り扱い、保管時の予防的メンテナンスで、ベーキングの必要性を可能な限り回避すべきです。

文書は特に、有機半田付け性保存剤（OSP）コーティングのベーキングを警告しています。ベーキングの効果で仕上げが劣化するためです。鉛フリー半田付けでは、コスト効率と簡単な適用手順からOSPコーティングが一般的です。これらの利点にもかかわらず、OSP層はコーティング層のシンプルさ（基盤となる銅表面を保護する唯一のもの）のため、容易に酸化します。OSPコーティングでは、表面分離と湿気拡散がわずか数分で起こり得ます。

PCBは、基板を湿気吸収に対して脆弱にするパッケージで出荷されることがよくあります。多くの場合、PCBはホイル袋やESD袋で出荷されます。その結果、このような基板は危険な量の湿気拡散を伴って到着することがよくあります。受け取り後にそれらのパッケージで保管すると、数ヶ月で基板が容易にダメージを受ける可能性があります。PCBは代わりに、防湿バリア袋（MBB）で出荷・保管すべきです。

 

PCBへの湿気侵入防止

PCB製造中、ラミネーションプロセスは、空気システムが乾燥剤で調整された温度管理された環境で実施すべきです。また、異なるコンポーネント間の汚染拡散を避けるため、各作業サイクルで新しい手袋を着用することも重要です。

PCBラミネーションプロセス自体が、完成品に脱水効果を持ちます。この段階で、プリプレグとコアが配置され、層が単一基板に接着されます。一部のメーカーは、層内に湿気を閉じ込める可能性のある内部ボイドを防ぐため、この段階で低圧真空効果を適用します。

一部のPCB製造業者では、ラミネーション前にプリプレグをベーキングするのが一般的です。ここでの目標は、完成基板に湿気ポケットと膨れが形成されるのを防ぐことです。このステップは、プリプレグが事前に非管理環境で一定期間保管されていた場合に最も有用です。それ以外の場合、このステップは一般的に不要です。

PCBでの湿気防止で最も効果的な手段の一つは、メッシュ銅プレーンです。これは層間および基板内外への湿気移動を阻害し、層間のより強力な接着材としても機能します。ただし、PCBにこれらが存在すると、基板の電気容量が低下する可能性があります。

 

PCBからの湿気除去

PCBから湿気を除去する主な方法はベーキングで、高熱を加えて埋め込まれた湿気の痕跡を追い出します。ベーキングは、高温がほとんどの環境で湿気除去に効果的であるため人気があります。熱がこの処理を受ける層を通り抜けると、効果は通常徹底的で持続的です。ベーキングは、PCBが店舗や電子機器工場に出荷される前の組立段階でよく採用されます。

しばしばポジティブな効果があるベーキングですが、欠点もあります。PCBに大きな銅プレーンが含まれる場合、ベーキングプロセス中に湿気濃度が最初に膨らみ、剥離を引き起こす可能性があります。湿気拡散が起こるのは、この膨張の数秒間です。一度それが起こると、湿気除去プロセスは遥かに困難、あるいは不可能になります。

PCBは、理想的な温度と0.05g/m³未満の空気蒸気で基板を保持する乾燥エンクロージャに配置することで、湿気含有量を排出できます。この環境はPCBに真空効果を提供し、湿気の定着と拡散を止めます。乾燥エンクロージャは酸化と金属間化合物の発生も防ぎます。PCBは、衰退リスクがほぼなく、乾燥エンクロージャで無期限に保管できます。

PCBを乾燥コンパートメントで適切に保管することは重要です。出荷時と保管時、PCBはMBBで梱包すべきです。除湿空気の乾燥保管ユニットは、PCBがコンピュータや電子デバイスで使用されるのを待つ数週間〜数ヶ月の間、湿気曝露を防止できます。

アクティブデバイス内のPCBは、デバイス自体が湿気の多い環境に置かれていた場合、湿気と接触している可能性があります。曇った窓のある部屋に置かれた非稼働デバイスは、内外の表面が湿気を含んでいる可能性があり、それが肉眼では明らかでないこともあります。寒い時期に電子ユニットを稼働させ、適度に暖かい室温を維持することで、この問題を回避できます。例えば、アクティブなコンピュータは、PCBやその他のコンポーネントから湿気を除去する十分な内部熱を生成します。

電子部品の湿気対策のもう一つの方法は、デバイスを垂直位置に設置することです。水平なコンピュータボックスでは、横向きのPCBが滞留湿気を宿す可能性があります。コンピュータタワーでは、PCBは垂直位置に配置されます。あらゆる手段で湿気を除去することが目的なら、垂直の方が水平より好ましいです。

 

Millennium Circuits Limitedからのプリント基板

PCB吸湿は、あらゆる種類の製品にプリント基板を使用する場合に認識すべき重要な問題です。長寿命基板を確保するには、組立、取り扱い、出荷、保管、設置、メンテナンス、移設のすべての段階でPCB取り扱い予防策を習得する必要があります。

MCLでは、技術者がPCBの安全な取り扱いについて専門的に訓練されており、当社から出荷される各PCBが湿気対策済みパッケージで送られることを保証します。PCBの詳細については、今すぐMCLにお問い合わせいただき、見積もりを取得してください。

 

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