PCB表面処理完全ガイド：最適なオプションの選び方

PCB表面処理は、プリント基板（PCB）において最も重要な側面の一つです。適用される仕上げは、PCBの効能と寿命を決定します。しかし、多数の選択肢がある中で、どう理想的なものを選べばよいのでしょうか？ 続きをお読みください。

1. PCB表面処理とは

PCB表面処理とは、ベアプリント基板と部品の間に施されるコーティングです。PCBには銅仕上げがあり、無防備なまま放置すると酸化と劣化の影響を受けます。このため、以下の2つの重要な目的で仕上げを施す必要があります：

• 銅表面と回路を保護する
• 実装時の部品ハンダ付けに備えて表面を準備する

では、具体的な表面処理とその違いを見ていきましょう。
 

2. PCB表面処理－7つのタイプと比較

PCB表面処理には7つのタイプがあり、それぞれにメリットとデメリットがあります：

• 熱風レベリング（HASL）

HASLは最も一般的な表面処理で、最も安価です。プロセスは、PCBを溶融ハンダ溶液に浸し、熱風ナイフで残留物を吹き飛ばすものです。溶融ハンダ溶液は鉛とスズの合金で構成されます。

メリット

HASL表面処理の最大のメリットは経済的であることです。その他のメリットには：

• 広いプロセスウィンドウを許容
• 幅広いPCBに適用可能
• 優れたハンダ付け性を提供

デメリット

前述の通り、この処理は鉛とスズで構成される溶融ハンダ溶液に基板を浸すため、RoHS準拠が要求される基板には不適です。この短所は他のデメリットとも関連しています：

• 大型パッドと小型パッドで厚みに差が生じる
• HDI製品には不向き
• ファインピッチでブリッジングを引き起こす
• 直径20ミル未満のBGAとSMDには不適
• 鉛フリーHASL

鉛フリーHASLは、現在PCBで最も人気のある表面処理です。PCBを溶融鉛合金、またはスズ合金、またはスズ合金に浸漬し、表面全体を覆うように適用します。その後、エアナイフで残留物を吹き飛ばし、均一なコーティングを形成します。

メリット

鉛フリーHASLの最大のメリットの一つは、約265℃の温度にPCBを曝すことで、潜在的な剥離問題を露見させられることです。その他のメリット：

• 広く入手可能
• 環境に優しい
• 耐久性を確保
• リワーク可能
• 安価

デメリット

• 熱衝撃を生じる可能性
• 不均一な表面になることがある
• ファインピッチには不向き
• ハンダブリッジングの原因になる
• PTH（メッキスルーホール）を減少させる
• 浸漬スズ（ISN）

浸漬スズは、ファインピッチ製品、平面、バックプレーン、プレスフィットに最適な表面処理です。ISNは、PCBの銅表面との化学置換反応によって適用されます。

PCB表面処理－メリット

浸漬スズには、短所を大きく上回る幅広いメリットがあります：

• 鉛フリーHASLとは異なり、均一な表面を形成
• リワーク可能
• リフローハンダの代替として使用可能
• 高い信頼性
• 幅広いPCBに最適

デメリット

スズと銅は互いに強い親和性を持ちます。つまり、これらの金属の一方が他方に拡散することは避けられません。結果として、ほとんどの他のPCB表面処理と比較して保存寿命が短くなります。PCB性能も制限される可能性があります。これが最大の短所です。その他の短所：

• PTHには不向き
• 短い保存寿命のため、リワークは限定的
• スズウィスカーを生じる
• ソルダーマスクを損傷する可能性
• 取り扱いが難しく、幅広いダメージを引き起こす可能性
• 発がん性物質であるチオウレアを含むため、作業者の健康に悪影響の可能性

浸漬スズのコスト

• 浸漬銀（IAG）

浸漬銀は、WEEEとRoHS指令の施行以来、広く普及しています。ENIGの優れた代替と見なされ、その主な理由の一つがファインピッチに最適であることです。浸漬銀は主に、アルミニウムワイヤボンディング、メンブレンスイッチ、EMIシールドに使用されます。

メリット

浸漬銀の主なメリットの一つは、OSPを含み変色を防止することです。ただし、これはOSPが基板上の汚染物質に敏感であるため、適用後すぐにPCBを梱包する必要があることを意味します。浸漬銀のその他のメリット：

• RoHS指令と要件に準拠
• ファインピッチに適する
• 約12ヶ月の適度な保存寿命
• 他の表面処理と比較して高い安定性
• 平面に最適
• 安価でコスト効率が良い

PCB表面処理－デメリット

前述の通り、OSPの存在により浸漬銀は変色しやすく、これが最大の短所です。その他の短所：

• 銀ウィスカーを生じる可能性
• 準拠ピン相互作用には不向き（摩擦係数が高いため）
• 一部のシステムでは、アスペクト比1:1のマイクロビアに対応できない
• 無電解ニッケル浸漬金（ENIG）

無電解ニッケル浸漬金は、他の表面処理に関連する主要な短所の多くを克服しているため、PCB業界で急速に普及しています。ENIGは二段階の適用プロセスを持ちます。まず、ニッケル層を銅へのバリアと部品ハンダ付けに適した表面として適用します。次に、基板保管中にニッケル層を保護するため、金層を適用します。

PCB表面処理－メリット

ENIGの最大のメリットは、フリップチップやBGAなど、新世代の複雑な表面実装部品に最適であることです。他の表面処理には、これらの新しい基板への適用を制限する短所があります。その他のメリット：

• ニッケルと金の層が薄く均一なため、フラットな表面に最適
• 鉛を含まない
• PTHに最適
• 長い保存寿命

デメリット

ENIGは長い保存寿命を持ちますが、「ブラックパッド症候群」と関連付けられており、ニッケルと金の層間にリンが蓄積し、破壊や不良接続を引き起こす一般的な問題があります。もう一つの主要なデメリットは、リワークに不向きであることです。

• ニッケルパラジウム（ENEPIG）

ニッケルパラジウム（ENEPIG）PCB表面処理は、ENIGのアップグレード版です。ENIGでは、浸漬金がニッケル層を破壊することが示されています。ENEPIGは、金とニッケルの層の間にパラジウムメッキ層を導入します。

メリット

ENEPIGは、多くの現代的で高度に先進的な基板や複数の表面パッケージに適用できるため、「ユニバーサルフィニッシュ」と呼ばれています。以下のメリットがあります：

• フラットな表面を実現
• 処理が容易
• 皮膚に毒性がない
• 鉛を含まない
• 複数のリフローサイクルに最適
• Sn-Ag-Cuハンダと高い互換性
• 長い保存寿命

デメリット

• ブラックパッドの発生が多い
• ハンダ接合信頼性を低下させる
• パラジウム層が厚すぎてハンダ付け性能を支えられない
• 他の表面処理と比較してウェッティングに時間がかかる
• メッキ条件の影響を受ける
• ほとんどの他の表面処理と比較して高価
• OSP（有機ソルダビリティ保存剤）

OSPは有機的で水系の表面処理です。銅と選択的に結合し、PCBをハンダ付け可能にします。

PCB表面処理－メリット

OSP表面処理は、有機的で水系であるため環境への優しさが際立ちます。適用が容易で、プロセスが他の表面処理と比較して比較的短くシンプルです。メリットには：

• 均一な共平面表面を提供
• 設備メンテナンスが少なくて済む
• 鉛を含まない
• リペア可能

デメリット

OSPは有機的で水系であるため、取り扱い時のダメージに非常に敏感です。これはいくつかの他の短所につながります：

• 保存寿命が短い
• PTHには不向き

PCB表面処理－PCB表面処理の選び方

これらのタイプの違いにより、特定の用途に適したり不適切になったりします。したがって、理想的な表面処理を選択する際には、以下の要因を考慮すべきです：

・PCB表面処理－パッド平坦性

前述の通り、一部の表面処理は不均一な表面を生じ、性能、ハンダ付け性、その他の要因を阻害する可能性があります。平坦性が重要な要因なら、薄く均一な層を持つ表面処理を検討してください。この場合の適切な選択肢には、ENIG、ENEPIG、OSPが含まれます。

・ハンダ付け性とウェッタビリティ

PCBを扱う上でハンダ付け性は常に重要な要因です。OSPやENEPIGなどの特定の表面処理はハンダ付け性を阻害することが示されていますが、HASLなどはハンダ付け性に最適です。

・金またはアルミニウムワイヤボンディング

PCBに金またはアルミニウムワイヤボンディングが必要な場合、選択肢はENIGとENEPIGに限られる可能性があります。

・保管条件

前述の通り、OSPなど一部の表面処理はPCBを取り扱い時に脆弱にしますが、他の処理は耐久性を向上させます。リスクフリーな保管と取り扱い要件が満たせる場合のみ、PCBをデリケートにする表面処理を適用すべきです。

・ハンダサイクル

PCBを何回ハンダ付け・リワークする予定ですか？ 示した通り、多くの表面処理はリワークに適しています。しかし、浸漬スズなどはリワークに不向きです。

・PCB表面処理－RoHS準拠

RoHS準拠は、選択する表面処理を決定する上で極めて重要です。通常、鉛を使用するすべての表面処理はRoHS準拠に不適であり、避けるべきです。

結論

概説の通り、各タイプの表面処理には、他と区別する独自の要素があります。これらの要素により、これらの仕上げは特定の用途に適していたり不適切だったりします。理想的なオプションは、最終的にはPCBの構成に依存します。

WellPCBでは、PCB基板と表面処理に関する豊富な経験があります。さまざまなタイプのPCB表面処理について詳しく知りたい方は、お気軽にお問い合わせください。あなたのPCBに最適な表面処理の実現をお手伝いします。