PCB表面処理プロセスの特徴、用途、開発

I はじめに 生活環境に対する人間の要求が継続的に改善されるにつれて、PCB 製造に関連する環境問題が特に顕著になっています。 現在、鉛と臭素の話題が最も人気があります。 鉛フリーとハロゲンフリーは、多くの面で PCB の開発に影響を与えます。 現時点では、PCB 表面処理プロセスの変化はそれほど大きくはありませんが、これは遠いことのように思えますが、長期的なゆっくりとした変化が大きな変化につながることに注意する必要があります。 環境保護への要求が高まる中、PCBの表面処理プロセスは今後大きく変化することは間違いありません。

II 表面処理の目的 表面処理の基本的な目的は、良好なはんだ付け性または電気的特性を確保することです。 自然界の銅は空気中で酸化物の形で存在しやすいため、元の銅のままでは長くは残りにくいため、銅には別の処理が必要です。 ほとんどの酸化銅は、その後の組み立てで強力なフラックスによって除去できますが、強力なフラックス自体を除去するのは容易ではないため、業界では一般的に強力なフラックスを使用しません。

III 5 つの一般的な表面処理プロセスには、現在、熱風レベリング、有機コーティング、化学ニッケル/金メッキ、銀浸漬、錫浸漬など、多くの PCB 表面処理プロセスが含まれており、順次紹介されます。

1. 熱風レベリング 熱風はんだレベリングとも呼ばれる熱風レベリングは、PCB 表面に溶融スズ鉛はんだをコーティングし、それを加熱した圧縮空気でレベリング (ブロー) して、銅に対して耐性のあるコーティングを形成するプロセスです。 酸化し、良好なはんだ付け性を提供できます。 銅スズ金属間化合物は、熱風レベリング中にはんだと銅の接合部に形成されます。 銅表面を保護するためのはんだの厚さは、約 1 ～ 2 ミルです。 PCB は、熱風レベリング中に溶融はんだに浸漬する必要があります。 エアナイフは、はんだが固まる前に液体はんだを吹き飛ばします。 エア ナイフは、銅表面のはんだのメニスカスを最小限に抑え、はんだブリッジを防止します。 熱風レベリングは、縦型と横型に分けることができます。 水平型は、主に水平熱風レベリングコーティングが比較的均一で、自動生産を実現できるため、一般的に優れていると考えられています。 熱風レベリングの一般的なプロセスは、マイクロエッチング→予熱→コーティングフラックス→スズスプレー→洗浄です。

2.有機コーティング有機コーティングプロセスは、他の表面処理プロセスとは異なります。 銅と空気の間のバリア層として機能します。 有機コーティングプロセスはシンプルで安価であるため、業界で広く使用されています。 初期の有機コーティングされた分子はイミダゾールとベンゾトリアゾールで、防錆の役割を果たします。 最新の分子は主にベンズイミダゾールで、これは窒素官能基で PCB に化学的に結合した銅です。 その後の溶接プロセスでは、銅の表面に有機コーティングが 1 層しかない場合、何層もあるはずです。 これが、通常、液体銅が化学薬品タンクに追加される理由です。 最初の層をコーティングした後、コーティング層は銅を吸着します。 次に、20 倍または 100 倍の有機コーティング分子が銅表面に凝集するまで、第 2 層の有機コーティング分子を銅と結合させます。これにより、複数のリフローはんだ付けを確実に行うことができます。 テスト結果は、最新の有機コーティング プロセスが複数の鉛フリー溶接プロセスで良好な性能を維持できることを示しています。 有機コーティング工程の一般的な工程は、脱脂→マイクロエッチング→酸洗→純水洗浄→有機コーティング→洗浄です。 他の表面処理工程に比べ工程管理が容易です。

3. 無電解ニッケルめっき・金浸漬 無電解ニッケルめっき・金浸漬の工程は、有機塗装ほど単純ではありません。 無電解ニッケルメッキ/金浸漬のプロセスは、PCB に厚い鎧を着ているようです。 さらに、無電解ニッケルメッキ/金浸漬プロセスは、防錆バリアとしての有機コーティングとは異なり、PCB の長期使用に役立ち、良好な電気的性能を達成できます。 したがって、無電解ニッケルメッキ/金浸漬は、銅表面に良好な電気的特性を持つニッケル金合金の厚い層を包み、PCBを長期間保護することができます。 また、他の表面処理工程にはない環境耐性も備えています。 ニッケルメッキの理由は、金と銅が互いに拡散し、ニッケル層が金と銅の間の拡散を防ぐことができるためです。 ニッケル層がないと、金は数時間以内に銅に拡散します。 無電解ニッケルメッキ/金浸出のもう1つの利点は、ニッケルの強度です。 厚さ 5 ミクロンのニッケルだけが、高温での Z 方向の膨張を制限できます。 さらに、無電解ニッケルめっき/金浸漬は、銅の溶解を防ぐこともでき、鉛フリー アセンブリに有益です。 無電解ニッケルめっき・金浸出工程の一般的な工程は、酸洗浄→マイクロエッチング→プレ浸出→活性化→無電解ニッケルめっき→無電解金浸出です。 薬液タンクは主に6つあり、100種類近くの薬液があり、工程管理が難しい。

4.銀浸漬のプロセスは、有機コーティングと無電解ニッケル/金浸漬の間にあり、比較的簡単で高速です。 無電解ニッケルメッキ/金浸漬ほど複雑ではなく、PCB の厚い装甲層でもありませんが、優れた電気的性能を提供できます。 シルバーはゴールドの弟です。 熱、湿気、汚染にさらされても、銀は良好なはんだ付け性を維持できますが、光沢が失われます。 銀浸漬は、銀層の下にニッケルがないため、無電解ニッケルめっき/金浸漬のような物理的強度はありません。 また、銀浸漬は保存性が良く、銀浸漬後は数年後の組立に大きな問題はありません。 銀浸漬は置換反応であり、ほぼサブミクロンの純銀コーティングです。 銀の浸出プロセスには、主に銀の腐食を防ぎ、銀の移行を排除するために、いくつかの有機物質が含まれることもあります。 この有機物の薄い層を測定することは一般的に困難であり、分析によると、生物の重量は 1% 未満であることが示されています。

5. スズ浸漬 現在のはんだはすべてスズをベースにしているため、スズ層はあらゆる種類のはんだに適合します。 この観点から、スズ浸漬プロセスは非常に有望です。 しかし、以前の PCB ではスズ ディップ プロセス後にスズ ウィスカが発生していました。 スズ ウィスカとスズ マイグレーションは、溶接プロセス中に信頼性の問題を引き起こすため、スズ ディッピング プロセスの使用は制限されます。 その後、スズ浸漬溶液に有機添加剤を加えることで、スズ層構造を粒状にし、以前の問題を克服し、良好な熱安定性とはんだ付け性も実現しました。 スズ浸漬プロセスは、平坦な銅スズ金属間化合物を形成することができます。これにより、スズ浸漬は、熱風レベリングの頭の痛い平坦性の問題なしに、熱風レベリングと同じ良好なはんだ付け性を持ちます。 スズ浸漬には、無電解ニッケルめっきと金浸漬金属間の拡散の問題もありません。銅スズ金属間化合物はしっかりと組み合わせることができます。 錫浸漬プレートは長期間保管することはできず、組み立ては錫浸漬順序に従って実行する必要があります。

6. その他の表面処理プロセス その他の表面処理プロセスはあまり使用されていません。 以下は、比較的広く使用されているニッケル金電気めっきおよび化学パラジウムめっきプロセスです。 ニッケル金電気めっきは、PCB 表面処理プロセスの元祖です。 PCBの登場から登場し、徐々に他の方式へと進化。 PCB の表面導体は、最初にニッケルの層でコーティングされ、次に金の層でコーティングされます。 ニッケルメッキは、主に金と銅の拡散を防ぐために使用されます。 現在、ニッケル金メッキには、ソフト金メッキ（純金、金の表面が明るく見えない）とハード金メッキ（表面が滑らかで硬く、耐摩耗性があり、コバルトなどの元素を含み、金の表面が美しく見える）の2種類があります。 明るい）。 ソフトゴールドは、主にチップパッケージング中に金線を作るために使用されます。 硬質金属は、主に非溶接点での電気的相互接続に使用されます。 コストを考慮して、業界は金の使用を減らすために選択的電気めっきに画像転写法を使用することがよくあります。 現在、主に無電解ニッケルメッキ/金浸出プロセスの制御が難しいため、業界での選択的金メッキの使用が増加し続けています。 通常の状況下では、溶接により電気メッキされた金がもろくなり、寿命が短くなります。 したがって、電気めっきされた金の溶接は避ける必要があります。 ただし、金は非常に薄く均一であるため、無電解ニッケルメッキ/金の浸出の脆化はまれです。 無電解パラジウムめっきのプロセスは、無電解ニッケルめっきのプロセスと似ています。 主なプロセスは、還元剤（次亜リン酸二水素ナトリウムなど）を介して触媒表面でパラジウムイオンをパラジウムに還元することです。 新しいパラジウムは、反応を促進するための触媒として使用できるため、任意の厚さのパラジウムコーティングを得ることができます。 無電解パラジウムめっきの利点は、良好な溶接信頼性、熱安定性、および表面平滑性です。

IV 表面処理プロセスの選択は、主に最終的に組み立てられたコンポーネントのタイプに依存します。 表面処理プロセスは、PCB の製造、組み立て、および最終的な使用に影響を与えます。 以下に、5 つの一般的な表面処理プロセスの適用事例を詳しく説明します。

1.熱風レベリングは、かつてPCB表面処理プロセスで主導的な役割を果たしました。 1980 年代には、PCB の 4 分の 3 以上が熱風レベリング プロセスを使用していましたが、業界は過去 10 年間で熱風レベリング プロセスの使用を減らしてきました。 現在、PCB の 25% ～ 40% が熱風レベリング プロセスを使用していると推定されています。 熱風レベリング プロセスは汚れていて、臭いがあり、危険であるため、好まれるプロセスではありませんでしたが、より大きなコンポーネントや間隔の広いワイヤには優れたプロセスです。 高密度の PCB では、熱風レベリングの平坦度がその後の組み立てに影響します。 したがって、HDI ボードは通常、熱風レベリング プロセスを使用しません。 技術の進歩に伴い、QFP や BGA の組立間隔が狭い熱風レベリング プロセスが業界に登場しましたが、実際にはほとんど使用されていません。 現在、一部の工場では、有機コーティングと無電解ニッケルメッキ/金浸出プロセスを使用して、熱風レベリングプロセスを置き換えています。 技術の発展により、一部の工場ではスズ浸漬および銀浸漬プロセスを採用するようになりました。 近年の鉛フリー化の流れに伴い、熱風レベリングの使用はさらに制限されています。 いわゆる鉛フリーの熱風レベリングが発生しましたが、機器の互換性が関係している可能性があります。

2. 有機コーティング 現在、PCB の約 25% ～ 30% が有機コーティング技術を使用していると推定され、その割合は増加しています (現在、有機コーティングは熱風レベリングを上回り、1 位にランクされている可能性があります)。 有機コーティング プロセスは、片面 TV PCB や高密度チップ パッケージ ボードなどのロー テクノロジー PCB またはハイテク PCB で使用できます。 BGAには、有機コーティングも広く使用されています。 PCB に表面接続や保管期間の制限に関する機能要件がない場合、有機コーティングは最も理想的な表面処理プロセスになります。

3. 無電解ニッケル・金浸漬 無電解ニッケル・金浸漬プロセスは、有機コーティングプロセスとは異なります。 主に、携帯電話のキー領域、ルーターシェルのエッジ接続領域、チッププロセッサの弾性接続の電気接触領域など、表面に接続機能要件があり、保管期間が長いボードで使用されます。 熱風レベリングの平坦性と有機コーティングフラックスの除去により、無電解ニッケル/金メッキが1990年代に広く使用されました。 その後、ブラックディスクと脆いニッケルリン合金の出現により、無電解ニッケルメッキ/金浸出プロセスの適用は減少しました。 ただし、ほとんどすべてのハイテク PCB 工場には、無電解ニッケルめっき/金浸出ラインがあります。 銅スズ金属間化合物を除去するとはんだ接合部が脆くなることを考えると、比較的脆いニッケル スズ金属間化合物には多くの問題があります。 したがって、ポータブル電子製品 (携帯電話など) のほとんどすべては、有機コーティング、銀浸漬または錫浸漬によって形成される銅錫金属間化合物はんだ接合部を採用していますが、キー領域、接触領域、および EMI シールド領域は、無電解ニッケル/金浸漬によって形成されます。 . 現在、PCB の約 10% ～ 20% が無電解ニッケル/金メッキ プロセスを使用していると推定されています。

4. 銀浸漬および銀浸漬は、無電解ニッケル/金浸漬よりも安価です。 PCB に接続機能の要件があり、コストを削減する必要がある場合は、銀浸漬が適切な選択です。 また、銀浸漬は平坦性と密着性が良いため、銀浸漬プロセスを選択する必要があります。 高速信号設計だけでなく、通信製品、自動車、コンピュータ周辺機器にも多くの銀めっきの用途があります。 銀浸漬は、他の表面処理では対応できない優れた電気的特性のため、高周波信号にも使用できます。 EMSでは、組立が容易で検査性が良いことから銀浸漬法を推奨しています。 ただし、変色やはんだ穴などの銀浸漬の欠陥により、その成長は遅いです（減少はしません）。 現在、PCB の約 10% ～ 15% が銀浸漬プロセスを使用していると推定されています。

5. 表面処理工程にスズ浸漬が導入されて10年近くになります。 このプロセスの出現は、生産自動化の要件の結果です。 スズ浸漬は溶接領域に新しい要素を持ち込まないため、通信バックプレーンに特に適しています。 スズはボードの保管期間を過ぎるとはんだ付け性を失うため、スズ浸漬にはより良い保管条件が必要です。 さらに、スズ浸漬プロセスの使用は、発がん物質の存在により制限されています。 現在、PCB の約 5% ～ 10% がスズ浸漬プロセスを使用していると推定されています。 V 結論 顧客の要件の増加、環境要件の厳格化、および表面処理プロセスの増加に伴い、有望でより用途の広い表面処理プロセスの選択は、現時点では少し混乱しているようです。 また、PCB 表面処理プロセスが将来どこに向かうかを正確に予測することも不可能です。 いずれにせよ、顧客の要件を満たし、環境を保護することが最初に行われなければなりません!