不適切なソルダーマスク・ビアプラグがPCB銅箔に与える影響と対策

PCB（プリント基板）のソルダーマスクでプラグされたビアとビア銅箔の間には、直接的な相関関係がないように見えます。しかし、不適切に実施されたソルダーマスクプラグは、PCBに破壊的な結果をもたらす可能性があります。ステンシル印刷の一種としての特別な技術である、PCB製造におけるビアプラグ用ソルダーマスクプラグ技術は、SMT（表面実装技術）の適用と継続的な進歩とともに発展してきました。ビアプラグには以下の特徴があります：

• PCB基板上のすべてのビアのうち、大半は部品挿入用ビア、放熱用ビア、テスト用ビアを除いて露出する必要はありません。ソルダーマスクプラグは、後工程の部品実装段階でフラックスやはんだペーストがビアを通じて部品側に露出するのを防ぎ、ショート回路の原因となる可能性を排除します。また、ソルダーマスクプラグ技術によりはんだペーストを節約できます。
• ソルダーマスクプラグビアはSMTの要求に適合し、IC（集積回路）などの部品表面に付着した接着剤がビアを通じて流出するのを防ぎます。
• ソルダーマスクプラグ技術は、フラックス、化学薬品、湿気がBGAコンポーネントと基板の間の狭い空間に侵入するのを防ぎ、洗浄困難による信頼性リスクを低減します。
• 自動実装ラインの要求を満たすため、真空でPCBを吸着して搬送や検査を行う場合があります。そのため、真空漏れによる保持不良を防ぐために、ビアをソルダーマスクでプラグする必要があります。

不適切なソルダーマスクプラグの原因

不適切なソルダーマスクプラグの原因の一つは、不完全または不十分なソルダーマスクプラグです。

不完全または不十分なソルダーマスクプラグとは、ビアの上部にソルダーマスクオイルがなく、底部にわずかなソルダーマスクオイルのみが残っている状況を指します。

不完全または不十分なソルダーマスクプラグの別の例として、ビアの左側にソルダーマスクがある一方で、右側のビア開口からビア壁に沿って下方向に拡大するいわゆる「エアホール」があります。これはビアの中央部分に近づくとビアの左側壁に向かって拡大し、断面を形成します。ビア銅箔は、断面とビア壁銅箔の交差部分でほぼ破断します。

ビア銅箔破断または薄化の原因

一度不完全または不十分なソルダーマスクプラグが発生すると、後のPCB製造プロセスでマイクロエッチング液や酸性液がビア内に流入する可能性があります。ビアは通常、直径0.35mm未満の小さなものです。ソルダーマスクプラグが発生すると、ビア開口部にはテント形成用のソルダーマスクオイルがなくまたはわずかしか残っておらず、ビアの中央部または底部にソルダーマスクがあるため、溶液がビア内を通過する経路がありません。溶液はソルダーマスクとビア壁の交差部分にのみ隠れ、除去できず、最終的にビア銅箔の破断または薄化を引き起こします。

不適切なソルダーマスクプラグによるビア銅箔破断・薄化の被害

1. ビア内部で銅が非常に薄くなると、抵抗はミリオームレベルに達します。2線式測定法では検出できないため、不良品が発見されません。
   電気テストでビア銅薄化問題が発見できない場合、高温動作とPCBA（プリント基板実装）フェーズでのZ軸膨張（はんだ付けを含む）により薄い銅が剥離します。結果として、電子製品は機能実装が不十分になったり、顧客が長期使用時に機能が不安定になったりします。完全に破断していない薄いビア銅は、AOI、AXI、目視検査などの通常の検査方法では発見できません。一度発見されると、同じ生産ロットのすべての製品を廃棄する必要があり、大きな損失を招きます。
2. ビア銅破断または円形破断の場合、PCBメーカーは電気テストで発見できます。しかし、マイクロエッチング液による銅エッチングは非常に長いプロセスであり、顧客段階まで発生しない問題です。つまり、ビア銅破断は、電子製品の不安定な動作状態を感じた顧客によってのみ発見されます。例えば、顧客が電子製品のブラックアウトやフリーズを発見した場合、それはビア銅破断が原因である可能性があります。

解決策

a. エンジニアリング設計の観点から

PCB製造工場のエンジニアリング部門が顧客からPCB設計ファイルを受け取った後、プラグビアの開口径とその要求に注目すべきです。一般に、プラグビアの開口径は0.35mm以下で、大きすぎるとプラグが不完全または不十分になりやすくなります。顧客がプラグビアの要求を出しても、通常プラグビアの充填度について具体的な規定を設けません。IPC規定でもプラグビア充填度は具体的に定義されていません。最も広範なPCBメーカーの要求と私の長年のエンジニアリング経験に基づき、プラグビアの充填度は75%以上が最善だと考えます。

b. ソルダーマスクプラグ技術改善の観点から

現在、PCB業界は以下のタイプのソルダーマスクプラグビア技術を習得しています：
技術#1：ビアプラグ → ソルダーマスク印刷（アルミニウムシートがビアプラグに参加、排気プレート使用）
技術#2：ビアプラグとソルダーマスクオイル印刷を同時実行
技術#3：レジンプラグ → ソルダーマスク印刷
技術#4：表面処理 → ビアプラグ

ビアプラグ充填度の観点では、技術#1と技術#3の適用が推奨されます。両方法とも高い充填度に貢献するためです。しかし、アルミニウムシートと排気プレートが必要で製造プロセスが複雑です。さらに、2台以上のプリンタが同期印刷のために必要で、基板ベーキングに時間がかかります。
技術#2は製造効率が高いですが、ビア充填度の制御が非常に困難です。前半で議論した通り、低いビア充填度は薄いビア銅やビア銅破断を引き起こすため、この技術は推奨しません。
技術#4は通常適用されないため、後で議論しません。

c. 電気テストで露見するビア開口問題

ビア開口検査は、不完全または不十分なビアプラグが発生し、薄いビア銅や銅破断が生成されているかを示します。
前述の通り、電気テストは薄いビア銅を検出することは稀ですが、円形銅破断問題を探ることは可能です。電気テストでオープンビアが発見された場合、それが無電解銅めっき、めっき、または不適切なソルダーマスクビアプラグによるものかを検証できます。原因が特定されれば、対応する対策を講じられます。

d. ソルダーマスクまたはレジン品質の観点から

新しいビアプラグ用ソルダーマスクオイルとビアプラグ用レジンに技術的テストを実施し、品質を保証すべきです。その後、小ロットテストに使用して性能と品質をさらに検証すべきです。前半で描写した通り、低品質なビアプラグ用ソルダーマスクまたはビアプラグ用レジンは、エアホールなどの問題を引き起こします。マイクロエッチング液がエアホールに入ると、ビア銅が徐々にエッチングされ、薄いビア銅やビア銅破断に至ります。品質は決して低コストによって妥協されてはなりません。

ソルダーマスク適用はPCB製造の鍵を握り、ビアプラグ充填度は製品外観に関わり、不完全または不十分なビアプラグによるビア銅品質問題と相関するため、極めて重要です。その結果、実践的な管理に特別な注意を払うべきです。具体的には、規定手順を遵守し、製造管理を洗練させ、検査基準を明確化して、ビアプラグ充填度を完全に保証すべきです。

参考リソース
・ソルダーマスクとその設計ヒント
・SMT用PCB設計要件：パッド-配線接続、スルーホール、テストポイント、ソルダーマスク、シルクスクリーンの設定
・シルクスクリーン印刷ネイルベッド設計によるソルダーマスク厚均一性への影響
・ソルダーマスクプラグビア製造技術改善の効果的対策