PCB製造における非濡れ欠陥を排除するエキスパート戦略

ジャンプ先： 非濡れ欠陥とは？ | 非濡れ欠陥を修正する重要性 | 非濡れ欠陥の一般的な原因 | 非濡れ欠陥の修正方法 | ミレニアムサーキッツで高品質PCBを

プリント基板（PCB）の製造プロセスには通常、リフローはんだ付け（リフロー）と呼ばれる手順が含まれます。リフローでは、PCBの表面にはんだペーストを塗布し、基板上の数千個の微小な部品をそれぞれのPCBパッドに一時的に固定します。はんだペーストは、高熱を加えるまで部品を安定させます。高熱によりはんだをリフローさせ、つまりペーストを溶融物質に変えて基板全体に流れさせ、部品をしっかりと固定する永久的なはんだ接合部を作ります。

リフローはんだ付けは有用な技術ですが、特に微小部品の大量実装を伴う多くの製造プロセスと同様に、エラーが発生する可能性があります。PCBのリフローはんだ付け欠陥の中でも、非濡れは珍しくなく、欠陥基板の構造的完全性と性能に深刻な影響を与える可能性があります。幸い、基板の濡れ性を改善し、この欠陥を防止するための予防措置を講じることができます。

このガイドでは、非濡れと呼ばれるはんだ付け欠陥について説明し、その頻繁な原因と潜在的な対策を解説し、はんだ付け欠陥の画像を提供することで、何が 잘못될 수 있는지、そしてどう修正するかを視覚的に明確に理解できるようにしています。

非濡れ欠陥とは

非濡れ欠陥とは、溶融はんだが基板上のベースメタルと結合できないときに発生するはんだ付け欠陥です。この結合が形成されないと、はんだが部品の端子やPCBパッドに付着せず、それらが互いにしっかりと固定されません。基板の表面材質が露出したままとなり、はんだ自体が粒状に見えたり光沢を失ったりすることがあります。非濡れは直接ボイド（はんだ接合部内にはんだ材料がない穴）の形成につながります。

非濡れとディウェッティングの違い

非濡れ欠陥はディウェッティングとは異なります。はんだディウェッティングとは何でしょうか？

ディウェッティングは、溶融はんだが最初に部品端子とPCBパッドを覆うものの、その後これらの部分から後退し、ベースメタル上に薄い部分のはんだと不規則で厚い塊を残す現象です。基板の表面材質は通常露出したままになりません。ディウェッティングが発生すると、通常ははんだ接合部とそのフィレットの品質に影響を与えます。

非濡れ欠陥は、鉛フリーはんだ（スズ-銀-銅はんなど）で頻繁に発生します。異なるメタライゼーションには異なるウィッキングと広がりの特性があるため、一部の金属は他よりも非濡れしやすくなっています。有機はんだ付け性保護剤（OSP）でコーティングされたベア銅基板は、特に複数の熱サイクルを経た場合、PCBパッドの非濡れを起こしやすくなっています。一方、純スズはよく広がり非濡れを減らす傾向があり、銀浸漬仕上げも同様です。ニッケル-金合金も、不純物を含まない限り、よくはんだ付けでき非濡れを最小限に抑えます。

非濡れ欠陥を修正する重要性

なぜPCBの非濡れ欠陥に対処することがこれほど重要なのでしょうか？非濡れは、基板の機能と性能を損なう深刻な構造的問題を引き起こす可能性があります。

PCB上の非濡れは不安定なはんだ接合部を生み出します。回路基板上の接合部が不安定になると、破損したり電気伝導性が低下したりする可能性があります。また、はんだがベースメタルに付着しないと、部品とPCBパッドが基板にしっかりと固定されません。それらは緩んで不良接続を形成したり、すぐにまたはストレスがかかったときに脱落したりする可能性があります。適切な部品が所定の位置にしっかりと固定されていないと、PCBは正しく機能しません。

非濡れ欠陥の一般的な原因

非濡れ欠陥にはいくつかの一般的な原因があります。以下は、PCBで非濡れが発生する多くの理由です：

1. 不適切なPCB仕上げ

プリント基板の仕上げは、はんだがどれほどうまくリフローし、どの程度濡れるかを大きく左右します。仕上げが不適切で基板の大部分が露出したままの場合、はんだのリフローが困難になり、PCBへの付着が悪くなります。

2. 不適切なピンメッキ

PCBの銅ピンがスズ/鉛メッキの前に十分な銅メッキを受けていない場合、非濡れの影響を受けやすくなります。その理由は、十分な銅メッキが亜鉛の干渉を防ぎ、スズ/鉛メッキを保護し、はんだが正しく付着するために不可欠だからです。

3. 劣化したフラックス

古く劣化したフラックス（はんだ付け前後に使用される化学洗浄剤）は、すぐに非濡れを引き起こす可能性があります。フラックスは開封容器内で急速に劣化します。固形分含有量が一定でも、その性能は大幅に低下します。定期的なフラックス交換でこの問題を防止できます。

4. 間違ったタイプのフラックス

洗浄に使用するフラックスのタイプも、PCBで非濡れが発生するかどうかを決定する場合があります。一般的に、高活性フラックスは良好なはんだ付け性と非濡れリスクの低減につながります。逆に、低活性・低残留フラックスは、はんだ付け性が悪く、非濡れの可能性が高まる原因となります。活性の低いフラックスはPCB表面の酸化物を除去するのに不十分であり、酸化物が濡れを妨げます。

5. 不正確なスズ/鉛の厚さ

基板のスズと鉛のメッキが薄すぎる場合、不正確な厚さがはんだ付け性の低下と非濡れを招きます。薄いコーティングは保存寿命が短く、はんだ付けまで持たない可能性があります。

6. 長期保管

基板が長期間保管されていると、効果的なはんだ付けがより困難になり、非濡れの可能性が高まります。前述の通り、はんだ付け性は一般的にメッキ厚に直接対応します。長期保管期間中、良好なはんだ付け性に必要なメッキが分解する可能性があります。1年以上保管されたPCBは、はんだ付け性の低下と非濡れのリスク増大につながる可能性があります。

7. 不適切に塗布された基板レジン

PCB上のレジンがにじむと、はんだ付けを妨げ非濡れを引き起こす可能性があります。例えば、基板レジンがピンのコーナーににじみ、それらの領域で非濡れを引き起こすことがあります。

8. 浴の問題

場合によっては、非濡れがプリント基板のコーティング全体にわたって発生することがあります。例えば、PCB上の金表面コーティングが、無電解金浴のバランスの崩れにより、その表面全体で非濡れを引き起こすことがあります。

9. 酸化

はんだ付けを受ける表面の酸化は、しばしば非濡れを引き起こします。酸化物がはんだとベースメタルの間に介在し、適切な付着を妨げます。これが起こると、酸化した表面のあらゆる部分で非濡れが発生する可能性があります。

10. はんだペーストの不足

はんだペーストの量が少ないと、安定したはんだ接合部を確保するために適切な広がりが必要なため、頻繁に非濡れを引き起こします。PCB実装で過少なはんだペーストを使用すると、はんだと基板のベースメタル表面との間で適切な付着が起こりません。幸い、十分なはんだペーストの塗布は、多くの場合PCBの100％濡れをもたらします。

11. はんだペーストの不適切な選択

一部のはんだペーストは、非濡れ防止において他より優れた性能を発揮します。一般的にフラックスと同様に、高活性はんだペーストの方が低活性はんだペーストよりも効果的です。はんだ付け性を高め、非濡れのリスクを最小限に抑えます。

12. 期限切れのはんだペースト

基板に使用されたはんだペーストが期限切れの場合、十分な強さのフラックスを含みません。フラックスが基板から酸化物を除去し、良好なはんだ付け性と濡れを可能にするほど活性化されていません。

13. 不十分なはんだ付け温度

低すぎるはんだ付け温度は、回路基板での非濡れを助長する傾向があります。はんだがベースメタルと適切に結合するには一定の熱的閾値が必要です。はんだ付け中の温度がその閾値に達しない場合、はんだが部品やPCBパッドに正しく付着しません。この困難は、スズ/鉛合金よりも融点が高い傾向のある鉛フリー合金で特に一般的です。

14. 一貫性のないはんだ付け温度

一貫性のない、または変動するはんだ付け温度は、フラックスを活性化できず、特定の領域ではんだの付着が悪くなるため、PCBで非濡れを引き起こす可能性があります。PCB上の特定のトラブルスポットがフラックスの活性化温度に達する熱を受けない場合、はんだがそれらの領域に正しく付着しません。

15. ソークタイムが短すぎる

はんだが基板上に留まる時間の長さは、PCB表面のベースメタルと結合する能力に直接影響します。はんだが適切に付着するのに十分な時間がない場合、特定の場所や基板全体で非濡れが発生する可能性があります。

16. ソークタイムが長すぎる

逆に、リフロー工程中にはんだが基板上に長く留まりすぎると、長時間によってフラックスがはんだ付け前に消耗してしまう可能性があります。長いソークタイムでフラックスが不活性化すると、非濡れの可能性が大幅に上昇します。

17. はんだペーストとメッキ材料のミスマッチ

基板上のはんだペーストの種類とメッキ層の材料が互換性がない場合、はんだペーストは表面部品と基板上のパッドとの接続を可能にする効果を発揮しません。

18. より小さなチップ

より小さなチップは、必然的にはんだペーストの層が薄くなります。これらの場合、はんだペーストの層がPCB全体の適切な濡れを可能にするには不十分である可能性があります。

19. 汚染されたフラックスまたははんだペースト

汚染されたフラックスまたははんだペーストは、基板を洗浄したり部品を効果的に接続したりして適切な濡れを可能にしません。汚染物質は、はんだの流れを妨げ非濡れを引き起こす望ましくない残留物をPCBに残す可能性もあります。

非濡れ欠陥の修正方法

これらの欠陥を修正するには、良好な濡れを促進するため、または最善の努力にもかかわらず非濡れが発生した場合に対処するためのいくつかの手順を実行できます。

1. 酸化の低減

酸化は、PCBにおける非濡れ欠陥の最も一般的な原因の一つです。リフロー前に、はんだ粉末、部品リード、PCBパッドの酸化を減らすことで、基板の不良濡れの可能性を大幅に低減できます。

2. リフロープロファイルの調整

非濡れ欠陥を防ぐには、温度差を最小限に抑えるようにリフロープロファイルを調整することから始めるとよいでしょう。浸漬ゾーンを変更して適切な温度上昇と曝露を提供し、欠陥を防ぐことで、リフロープロファイルを調整・最適化できます。

3. 全体的な熱入力の削減

リフロー中に温度上昇が急すぎると、ブリッジング、はんだボール、墓石現象、マイクロクラックなどの欠陥が発生する可能性があるため、製造業者は全体的な熱プロファイルを上げて温度上昇をより緩やかにすることがよくあります。しかし、早すぎる過剰な熱入力は、非濡れのほか、基板剥離や部品焼損などの他の深刻な問題を引き起こす可能性があります。過度の熱入力は、はんだペーストの酸化耐性が限られている場合、そのフラックス活性を低下させ、再び不良濡れを招くことがあります。

4. ピークリフロー温度の上昇

全体的な熱入力は高すぎないようにする必要がありますが、ピークリフロー温度は一定の閾値に達する必要があります。リフロー温度が十分に高くならないと適切な濡れが起こらないため、施設はピークリフロー温度を慎重に監視する必要があります。

5. プロファイリング時間の短縮

リフロー中の浸漬時間を短縮することは、PCB全体の非濡れを減らすためによく有効です。浸漬時間を短くすることで、フラックスが活性を保ち、酸化物を除去し、適切な濡れを促進することができます。

6. 適切な保管環境の維持

PCBの保管環境が、長期的なPCB保管の基準を満たすように品質を維持するのに理想的であることを確認してください。保管エリアの温度と湿度が長期PCB保管の基準を満たしていない場合、調整を検討するか、別の保管場所を選択してください。

7. 保管期間への注意

保管エリアが必要な基準を満たしていても、保護カバープレートなしで1年以上保管されたPCBを使用するのは避けるのが最善です。そのように長期間保管された基板はメッキが劣化している可能性があり、はんだ付け性の低下と非濡れ欠陥の高い可能性につながります。

8. はんだペーストの鮮度確認

前述の通り、PCBに使用されるはんだペーストの品質は、はんだ付け性と非濡れの可能性に直接影響します。はんだペーストが古くなっているか期限切れの場合、基板全体で十分な濡れを可能にするより新鮮なペーストを探してください。

9. 高品質な金属表面仕上げの使用

一部の非濡れ欠陥は、PCBの劣った金属表面仕上げが原因で発生するため、仕上げの品質に注意を払うことが重要です。耐高温性OSPの使用は一つの選択肢です。もう一つは、無電解ニッケル浸漬金（ENIG）の使用です。

10. 硫酸の使用

すでに非濡れが発生している場合、硫酸を使用してはんだと酸化物を除去します。濃度約2％の硫酸溶液を調製し、各欠陥基板を数分間浸漬します。硫酸は、不良濡れのはんだと基板上のスズ酸化物やスズ移動領域を溶解します。これを行った後、基板はきれいになり、2回目のリフローとはんだ付けの準備が整います。

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