PCBブログ - 鉛フリーPCB板の表面処理技術の研究と提案

鉛フリーPCBボードの出現はオンラインテスト（ICT）に新たな問題をもたらした。本文は既存のPCB表面処理プロセスを紹介し、そしてこれらのプロセスがICTに与える影響を分析した。ICTに影響を与える鍵はプローブとICTであると指摘されている。ポイント間の接触信頼性をテストし、ICT要件を満たすためにPCB構築中に必要な具体的な変更を説明した。歴史的に見ると、テストエンジニアの主な注目点は、生産に優れた有効なテストプログラムを確保することです。「オンラインテスト（ICT）」は依然として製造欠陥を検出する非常に有効な方法である。さらに先進的なICTシステムは、テスト時にフラッシュメモリ、PLD、FPGA、EEPROMをプログラミングする方法を提供することで、テスト機能の構成に現実的な価値を高めることもできる。アンジュルム3070システムはICT分野で市場潜在力を持っている。プリント基板組立（PCA）の製造と試験過程においてICTは依然として重要な役割を果たしているが、無鉛PCBを追求することはICT段階にどのように影響するのだろうか。鉛フリー溶接技術の推進はPCB板の表面処理技術の大量の研究を招いた。これらの研究は主にPCBの施工過程における技術性能に基づいている。異なるPCB表面処理技術が試験段階に与える影響はほとんど無視されているか、接触抵抗だけに注目している。本書では、ICTで観察された影響、およびこれらの変化への対応と理解の必要性について詳細に紹介する。

本文の目的はPCBボードの表面処理の経験を共有し、エンジニアを育成してICT PCB生産プロセスの要求の変化を実施することである。本文は無鉛PCBの表面製造問題、特に製造過程のICT段階について検討し、無鉛表面の成功試験もPCB構築過程の有益な貢献に依存することを明らかにする。成功したICT試験は、針床治具の試験プローブとPCB上の試験パッドとの接触点の物理的特性に常に依存している。非常に鋭いプローブが溶接のテストポイントに接触すると、プローブの接触圧力が溶接の降伏強度よりもはるかに高いため、溶接材料は沈みます。はんだが凹んでいると、プローブはテストパッド表面の不純物を通過します。以下の汚染されていない半田は現在プローブに接触し、試験点と良好に接触している。プローブ挿入の深さはターゲット材料の降伏強度の直接関数である。プローブの貫通が深ければ深いほど、接触がよくなります。8オンス（oz）のプローブは、表面直径に応じて26000〜160000ポンド／平方インチ（ポンド／平方フィート）の接触圧力を加えることができる。半田の降伏強度は約5000 psiであるため、プローブ接点はこの比較的柔らかい半田に適している。

PCB表面処理プロセスの選択

因果関係を理解する前に、利用可能なPCB表面処理のタイプと提供できるものを説明することが重要です。すべてのプリント基板（PCB）には銅層があり、保護しないと銅層が酸化して損傷する。様々な保護層を使用することができ、一般的には、熱空気はんだ平坦化（HASL）、有機はんだ保護（OSP）、化学ニッケルめっき金浸漬（ENIG）、銀浸漬、錫浸漬がある。

2.熱空気はんだの平坦化（HASL）

HASLは工業で使用される主な鉛含有表面処理技術である。このプロセスは回路基板を鉛錫合金に浸漬することによって形成され、余分な半田は「エアナイフ」によって除去され、これは板表面に吹く熱風である。PCAプロセスに対して、HASLには多くの利点がある：それはPCB板であり、表面層は繰り返し還流、洗浄、貯蔵後に溶接することができる。ICTの場合、HASLは試験パッドと貫通孔の自動はんだ被覆も提供する。しかし、HASL表面の平坦度や共平面性は、従来の代替方法に比べて劣っている。HASLの自然な代替特性のため、これらのプロセスはますます人気を集めている無鉛HASL代替プロセスがあります。長年、HASLの使用効果は良好だったが、「環境に優しい」グリーンプロセスの要求が出てきて、このプロセスの日は指折り数えるほどだった。鉛フリーの問題に加えて、増加し続ける回路基板の複雑さとより細かい間隔もHASLプロセスの多くの限界を露呈している。利点：PCB表面技術はコストが高く、製造過程全体で溶接性を維持し、ICTに悪影響を与えない。欠点：通常は鉛に基づくプロセスが使用されていますが、これらのプロセスは現在制限されており、最終的には2007年に淘汰されます。細いピンピッチ（<0.64 mm）の場合、はんだブリッジと厚みの問題が発生する可能性があります。表面が平らでないと、組み立て中の均一性の問題が発生します。

3.有機はんだ保護剤

有機半田防腐剤（OSP）は、PCB板の銅表面上に薄く均一な保護層を形成するために用いられる。コーティング保護回路は、貯蔵および組立作業中に酸化から保護される。このプロセスは長い間存在していたが、最近になって無鉛技術とファインピッチソリューションの探索によって流行してきた。共平面性と溶接可能性の面では、PCAアセンブリ上のOSPの性能はHASLより優れているが、フラックスタイプと熱サイクル回数に重大なプロセス変更を行う必要がある。酸性特性がOSP性能を低下させ、銅を酸化しやすくするため、注意して処理する必要があります。組み立て工はより柔軟で、より多くの熱サイクルに耐えられる金属表面を使用するのが好きだ。OSP表面処理により、試験点が溶接されていない場合、ICT上の針床治具に接触問題が発生する。OSP層を通過するためにより鋭利なプローブタイプに簡単に変更すると、PCAテストスルーホールまたはテストパッドを破壊して突き刺すだけになります。研究によると、より高い検出力に切り替えたり、検出タイプを変更したりすることは生産量にほとんど影響しないことが明らかになった。未処理の銅の降伏強度は鉛含有半田よりも1桁高いため、露出した銅試験ランドを損傷することがあります。すべてのテスト可能性ガイドは、露出した銅を直接検出しないことを強くお勧めします。OSPを使用する場合は、ICTフェーズのためのOSPルールのセットを定義する必要があります。重要なルールでは、PCBプロセスの開始時にテンプレートを開き、ICTが接触する必要があるテストパッドとスルーホールに半田ペーストを塗布する必要があります。利点：単位コストはHASLと同等で、共平面性が良く、鉛フリープロセス、溶接可能性が向上する。欠点：組立過程は重大な変更を行う必要があり、未処理の銅表面を探知することはICTに有害であり、過度に指向したICTプローブはPCBを損傷する可能性があり、手動予防措置が必要であり、ICTテストを制限し、テストの再現性を下げる必要がある。

4.ニッケルめっき金

化学ニッケルめっき金（ENIG）は多くの回路基板に成功したコーティングであり、単位コストが高いにもかかわらず、表面が平坦で、溶接性が優れている。主な欠点は、化学ニッケルめっき層が壊れやすく、機械応力の下で亀裂することである。これは業界内では「黒い塊」や「泥割れ」と呼ばれており、ENIGのいくつかのネガティブな報道を招いている。利点：溶接性が良く、表面が平らで、賞味期限が長く、複数回のリフロー溶接に耐えられる。欠点：コストが高い（HASLの約5倍）、「黒い塊」問題、製造過程でシアン化物とその他の有害化学物質を使用する。

5.銀浸漬

銀浸漬はPCB板の表面処理の付加的な方法である。主にアジアで使用されており、現在は北米や欧州で普及している。溶接中、銀層は溶接点に溶融し、銅層上に錫/鉛/銀合金を残し、BGAパッケージに非常に信頼性の高い溶接点を提供した。対照的な色で検査しやすく、HASL溶接処理の天然代替品でもある。銀浸漬は非常に有望な表面処理プロセスですが、すべての新しい表面処理技術と同様に、エンドユーザーは非常に保守的です。多くのメーカーはこのプロセスを「検討中」と呼んでいますが、無鉛表面プロセスの第一選択である可能性が高いです。利点：溶接性が良く、表面が滑らかで、HASL含浸の天然代替品である。短所：エンドユーザーの保守的な態度は、業界に関連情報が不足していることを意味します。

6.錫浸漬

これは比較的新しい表面処理プロセスであり、銀含浸プロセスと類似した性能を多く有する。しかし、PCBの製造過程でスズ浸漬過程で使用されるチオ尿素（発癌物質の可能性がある）に対して予防措置を取っているため、重大な健康と安全問題を考慮する必要がある。また、移行（「スズバリ」効果）も懸念されているが、抗移動化学物質はこの問題を制御する上でいくつかの成功を収めることができるにもかかわらず。利点：溶接性が良く、表面が滑らかで、コストが相対的に低い。欠点：健康と安全問題、熱循環回数は限られている。

7.PCB表面処理のまとめ

クランプとプロセスのいくつかの問題を考慮して、ユーザーはこれらの問題が解決されると、彼らが得ることができる合格率は80 ~ 90%の間にあると考えている。以上がPCB板の無鉛加工の主な方法である。HASLは依然として広く使用されているPCBボードの加工技術であり、この場合、テストエンジニアは何も変わりません。一部の国では、HASLは法律で禁止され、代替品が採用されている。PCA製造がより多くの異なる分野に拡大するにつれ、ますます多くの無鉛プロセスがICTテストに登場する。OSPはHASLの天然代替品ではないが、PCAメーカーが検討している代替治療の選択肢となっている。プロセス変更を行わずにテストパッドとスルーホールでペーストを使用できるようにすると、実際のICT

テスト信頼性の問題

結論：PCB表面処理の過程は完璧ではなく、各方法には考慮すべき問題がある。その中のいくつかの問題は他の問題よりも深刻であり、これらの鉛フリーPCB表面製造プロセスはすべてICTの治具接触信頼性問題を防止するためにプロセスステップを修正する必要がある。ICTフェーズHASL、OSPと銀浸漬の比較考慮現在、これらの表面処理技術及びそれらがICTの性能にどのように影響するかを重点的に紹介したい。表面処理は試験点に軟質半田の「アーク」と露出した貫通孔を残し、これはICT試験対象の理想的な選択である。HASLはOSPにない特性の一つとして力吸収を持ち、HASLは共晶SnPBであり、特に柔らかい。このソフトターゲットには、プローブへの適応とエネルギー吸収の2つの利点があります。OSP PCBボードにはこのソフトターゲットはありません。対照的に、銅の表面は非常に硬く、それだけのエネルギーを吸収することができないため、プローブが「食い込む」ことができる直接接触面積は減少した。外層上の銅めっき層は通常10〜50ミクロンである。銅めっきとOSPクラッドを組み合わせると、HASLプレートを検出するためのプローブがOSP装飾パネルで動作しないことがわかります。研究によると、還流溶接とICTの間の長い伝送時間内に、OSPは試験目標に非常に硬い「殻」を形成した。ICTの配信時間は24時間未満であること。OSPベンダータイプ、リフロー炉内のビード数、波動除去プロセスの有無、窒素還流または空気還流、ICTのシミュレーションテストタイプなど、OSPによるテストエンジニアの混同度に影響を与える他の多くのプロセス要素があります。銅表面を直接探査し、OSP層を貫通するために必要なより高い検出力を加えると、薄い銅層を破壊し、内部短絡を引き起こす真の潜在的脅威になる。そのため、露出した銅表面を決して探知しないことをお勧めします。最近の例では、プレート貫通孔または試験点は、5〜10回のクランプ励起後に突き破ることができることが示されている。一部のPCAメーカーにとって、OSPがICTに与える影響はこのように大きく、OSPを完全に放棄している。他のメーカーは、以下に示す「OSPルール」に従う方法を学び始めた。ICT試験治具とプログラムの「OSP規則」：歩留まり（FPY）に大きな影響を与える、2 N〜3 Nなどのより大きな力を得るために、治具プローブを交換する必要がある場合があります。クランププローブタイプを変更し、より尖ったタイプに変更する必要がある場合があります。「ダブルクリック」治具の励起方法が必要か、空気圧ロボットを利用するか、シミュレーション試験プログラムの制約は妥協、開放、無視する必要がある場合があります。研究によると、これらのアスタリスク付き規則は生産量に与える影響が相対的に小さい可能性があり、信頼性のあるテスト接触を確保する方法はテストパッドが溶接されていることを確保することである。一部のメーカーでは、OSPはすぐにコストを節約できると考えており、鉛フリープロセスの代替品と見なしている。しかし、一部の会社では最近、生産の中断や遅延に関連する実際のコストを考慮して戦略を見直している。

8.銀浸漬

銀含浸は銅層上の0.4〜0.8ミクロンの金属層であり、試験プローブが噛むことができる「肉」を提供する。銀浸漬法の応用はHASLやOSPほど広くないが、初歩的な研究によると、製造技術としてはHASLの天然代替品であることが明らかになった。ICT信頼性についていくつかの予備的な研究を行い、その結果、エッチング時間（表面粗さ／仕上げ度）と表面厚が再現性の重要な考慮要素であることを表明した。ICT段階では、銀表面処理された治具の接触信頼性に問題はないので、試験治具を調整する必要はありませんが、プローブや試験ソフトウェアを調整する必要があります。エッチング速度は、シルバー仕上げ面が光っているか暗いかを決定するため、ICTテストにとって重要です。銀蒸着工程では、銀は銅表面の輪郭上に蒸着されるので、表面の粗さが増加し、面積が増加すると、暗い表面のように見え、粗さのある表面は明るい表面のように見えます。このような表面処理プロセスに対する業界研究は非常に限られているが、技術的にも商業的にも有望なようだ。最近の経験から、このような表面処理はICTに問題がないことが明らかになった。PCBボードメーカーは現在、HASL製品と同じ価格で銀色の装飾パネルを提供している。

9.本条の概要

一部の企業にとって、OSPはHASLの自然な代替品と見なされているようだ。この選択は、単位コスト削減の認可に由来する可能性があります。ICTエンジニアはこの傾向に注意しなければならない：テストパッドが半田で覆われていない限り、OSPコーティングPCBの性能は他の無鉛装飾面に代わるものではない。プロセスフローを変更しない場合、初期コストの潜在的な節約は、取付具プローブの交換、取付具のメンテナンス、試験ソフトウェアの修正、回路基板を損傷した廃棄物のコストによって相殺される可能性があります。私たちはOSP選択の中で多くの逆の状況を見た。鉛含有HASLプロセスを放棄していないお客様は、鉛フリーPCB代替プロセスの可能性のあるすべての長所と短所を考慮し、すべての製造段階が試験に含まれることを保証し、試験を含め、銀PCBボードに対して、表面処理プロセスがICTに与える影響に対して結論的な結果はありません。シルバー仕上げを使用しているお客様と議論しましたが、この仕上げを使用しているクランプの接触問題には気づきませんでした。