無鉛PCBボードの表面処理技術の研究と提案

鉛フリーの出現 PCBボード has raised new problems for in-circuit testing (ICT). 既存のPCB表面処理プロセスについて述べ、これらのプロセスがICT. ICTに影響する鍵は、プローブとICT. ポイント間の接触信頼性はテストされます、そして、ICT要件を満たすためにPCB建設の間にされる必要がある特定の変化は述べられます. 歴史的に, テストエンジニアの主な関心は、彼が生産においてうまく機能する効果的なテストプログラムを持っていることを保証することでした. "In-Circuit Test (ICT)" remains a very effective method of detecting manufacturing defects. より高度なICTシステムは、フラッシュメモリをプログラムする手段を提供することによって、実世界値をテスト機能構成に加えることもできます, PLD, FPGA, とEEPROM. AILDent 3070システムはICTで市場に出ている. ICT still plays an important role in the manufacturing and testing process of the printed circuit board assembly (PCA), しかし鉛フリーPCBの追求はどのようにICT段階に影響するか? 鉛フリーはんだ付け技術のプッシュは、表面処理技術の研究に多くの PCBボードs. これらの研究は主にPCB建設プロセスの技術的性能に基づいている. 種々のPCB表面処理技術の試験段階への影響はほとんど無視される, または接触抵抗にのみフォーカス. この本は、ICTで見られる影響の詳細とこれらの変化に応じて、理解する必要性を提示するでしょう.

この記事の目的は、2010年に経験を共有することです PCBボード ICT PCB生産プロセス要件の変化を実装するための表面処理と技術者の養成. 本稿は鉛フリーPCBの表面処理の問題に取り組む, 特に製造工程のICT段階で, そして、鉛フリー表面の成功した試験がPCB建設プロセス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テストは、常に針のフィクスチャのベッドのテストプローブとPCB上のテストパッドの間の接点の物理的性質にある. 非常に鋭いプローブがはんだ付けされたテストポイントに触れるとき, はんだの降伏圧力よりもプローブの接触圧力が非常に高いので、はんだは沈む. はんだが凹むと, プローブはテストパッドの表面上の不純物を通過する. 下の汚染されていないハンダは、テストポイントに良い接触をするために、プローブに触れます. 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的な機能である. プローブが深く浸透する, より良い接触. An 8-ounce (oz) probe can apply contact pressures ranging from 26,000から160,000 psi (pounds per square inch), 表面径に応じて. はんだの降伏強度は約5であるので,000 psi, プローブ接点は、この比較的柔らかいはんだ.

（1）PCB表面処理プロセスの選択

原因と効果を理解する前に、PCB表面処理の種類と、それらが提供できるものを記述することが重要である。すべてのプリント回路基板（PCB）は、保護されずに残った場合、酸化し損傷を受ける基板上に銅層を有する。使用することができる様々な保護層があり、一般的なものは、ホットエアハンダレベリング（HASL）、有機半田保護（OSP）、無電解ニッケル金浸漬（ENIG）、銀浸漬、及び錫浸漬である。

ホットエアハンダレベリング

HASLは業界で使用されて優勢な鉛表面処理プロセスです。このプロセスは、回路基板をリードすず合金に浸漬して形成し、余分なハンダを基板の表面に吹く高温空気である「エアナイフ」で除去する。pcaプロセスには多くの利点がある。ICTのために、HASLはまた、テストパッドとビアの自動はんだカバレッジを提供します。しかしながら、HASL面は、既存の代替方法と比較して平坦性または共平面性が悪い。halの自然な置換特性のために，より人気のあるいくつかの鉛フリーhasl置換プロセスがある。HASLは、長年にわたって良い結果を使用されているが、“環境に優しい”緑のプロセス要件の出現と、このプロセスの日が数えられます。無鉛の問題に加えて、ボードの複雑さと細かいピッチの増加は、HASLプロセスの多くの制限を公開している。利点：コストPCBの表面技術は、製造プロセス全体のはんだ付け性を維持し、ICTに悪影響を与えています。欠点：鉛ベースのプロセスはしばしば使用されます。そして、それは現在制限されて、最終的に2007年までに除去されます。表面ムラは組立工程における均一性問題を引き起こす可能性がある。

（3）有機半田保護剤

有機はんだ防腐剤（OSP）は、PCBボードの銅表面上に薄い均一な保護層を形成するために使用される。このコーティングは、記憶およびアセンブリ動作中に回路を酸化から保護する。このプロセスは長い間、されているが、最近だけリードの無料技術とファインピッチソリューションの検索と人気を得た。ospは，acpaよりもpca集合に対して優れた性能を有し，coplanarityとはんだ付け性に関しては，フラックスの種類と熱サイクル数に対する重要なプロセス変化を必要とする。その酸性の性格がOSPパフォーマンスを悪化させて、銅に酸化に影響を及ぼすようにするので、注意深い取り扱いが必要です。アセンブラはより柔軟で、より多くの熱サイクリングサイクルに耐えることができる金属表面で働くのを好みます。OSP表面処理では、テストポイントがはんだ付けされていない場合は、ICTで針固定具のベッドとの接触問題が発生します。単にOSP層を通り抜けるシャープなプローブタイプに変わるだけで、損害を引き起こして、PCAテストビアまたはテストパッドを穿刺します。研究は、より高いプロービング力への転換またはプローブタイプを変えることが歩留まりにほとんど影響を与えないことを示しました。未処理銅はリードドはんだよりも降伏強度が高いので、その結果、露出した銅テストパッドを損傷する。すべてのテスト容易性ガイドラインは、露出した銅を直接調査することに強く忠告します。OSPを使用する場合、OSP規則のセットをICTフェーズのために定義する必要があります。重要な規則は、IBMがICTが接触しなければならないそれらのテストパッドおよびバイアに半田ペーストを適用できるように、ステンシルをPCBプロセスの開始時に開くことを要求する。利点：単位コスト、良い共平面性、鉛フリープロセス、改善されたはんだ付け性のHASLに匹敵する。不利な点：アセンブリプロセスは大きな変化を必要とします、そして、生の銅表面を調査することはICTに有害です。

無電解ニッケル金浸漬

多くの回路基板にうまく使用されるコーティングである無電解ニッケル金浸漬（enig）は，高い単価にもかかわらず平坦な表面と優れたはんだ付け性を有する。主な欠点は，無電解ニッケル層が脆く，機械的応力下で亀裂が見られることである。これは業界で知られている“黒い塊”または“マッドクラック”、それはenigからいくつかの負のプレスにつながっている。利点：良いはんだ付け性、平らな表面、長いシェルフライフ、そして複数のリフローはんだ付けに耐えることができます。欠点：高コスト（約5倍HASL）、“ブラックブロック”問題、シアン化物を使用して製造プロセス、およびいくつかの他の有害化学物質。

銀浸漬

銀浸漬はpcbボードの表面調製の追加方法である。アジアで主に使われて、それは北アメリカ　　とヨーロッパで進められています。はんだ付け工程中、銀層ははんだ接合部に溶融し、BGAパッケージ用の非常に信頼性の高いはんだ接合部を提供する銅層上に錫／鉛／銀合金を残す。対照的な色は検査することを簡単にします、そして、それは溶接処置のためにHASLに対する自然な代わりでもあります。銀の浸漬は非常に有望な表面化過程です、しかし、すべての新しい表面化技術と同様に、エンドユーザーはそれについて非常に保守的です。多くのメーカーは、このプロセスを「調査中」のプロセスとして参照しますが、それは選択の鉛フリーの表面プロセスである可能性があります。利点：優れた溶接性、滑らかな表面、HASL浸漬に自然な代替。コンズ：エンドユーザーの保守的態度は、業界の関連情報の欠如を意味します。

錫浸漬

これは銀浸漬プロセスに多くの類似した性質を持つ新しい表面処理プロセスである。しかしながら、PCB製造中の錫浸漬プロセスで使用されるチオ尿素（おそらく発癌物質）に対する予防措置のために重要な健康と安全性の問題がある。さらに、マイグレーション（「錫バリ」効果）は懸念されているが、抗マイグレーションの化学物質はこの問題をコントロールするのに成功する。利点：良好な溶接性、滑らかな表面、比較的低コスト。コンズ：健康と安全懸念、限られた数の熱サイクリングサイクル。

PCB表面処理の概要

固定具やプロセスに関する問題を考慮すると、ユーザーはこれらの問題が対処されると、それらが得ることができるパスの歩留りは80〜90 %の間であると信じている。以上がPCBボードの無鉛処理の主な方法である。HASLは広く使われているPCBボード処理プロセスのままです。いくつかの国では、HASLは法律によって禁止されました、そして、選択肢は採用されました。PCA製造がより異なる地域に拡大するので、より多くの無鉛プロセスはICTテストで見られます。ospはhaslにとって自然な代替品ではないが，pcaメーカーによって検討されている代替治療オプションとなっている。プロセスパッドとビアにはんだペーストを許容するためにプロセス変更が行われなかった場合、これは実際のICT

テスト信頼性問題

結論として，pcb表面処理のプロセスは完全ではなく，それぞれの方法には考慮すべき問題がある。これらの問題のいくつかは他より深刻であり、これらの無鉛PCB表面処理プロセスの全ては、ICTにおける固定接点信頼性問題を防止するための工程段階での修正を必要とする。ICTフェーズにおけるHASL、OSP、および銀の浸漬の比較考察：現在、これらの表面仕上げ技術とそれらがICTの性能にどのように影響するかに集中したいです。仕上げは柔らかいはんだ「アーク」と露出したビアをテスト点で残します。HSPがOSPに持たない特性は力の吸収です、HASLは特に柔らかいです。このソフトターゲットは2つの利点があります：プローブに適応し、エネルギーを吸収する。OSPのPCBボードにはこのようなソフトターゲットはありません。対照的に、銅表面は非常に硬く、多くのエネルギーを吸収することができないので、プローブが「噛み込む」ことができる直接接触の面積は減少する。外層の銅めっきは、通常10〜50ミクロンである。銅メッキをOSPクラッディングと結合してください、そして、あなたはHASLボードを調査するのに用いられるプローブがOSP仕上板で働かないのを見ます。研究は、OSPがリフローとICTの間のより長い転送時間の間、テスト目標に非常に固い「シェル」をつくることを示しました。ICTへの配達時間は24時間未満であるべきです。OSPがテストエンジニアに混乱している程度に影響することができる他の多くのプロセス要因があります：OSPプロバイダータイプ、リフロー炉のパスの数、波プロセスが取り除かれるかどうか、窒素リフローまたは空気リフローとICTの模擬試験のタイプ。OSP層を貫通するのに必要な高いプローブ力と結合した銅表面の直接プロービングは、薄い銅層を破壊し、内部短絡を引き起こす可能性がある。したがって、我々の推薦は露出した銅表面を決して調査することになっていません。最近の例では、ボードのビアまたはテストポイントが5〜10のフィクスチャ励起後にパンクしていることが示されている。一部のPCAメーカーのために、ICTに対するOSPの影響は、彼らが全くOSPから全く離れて移動したように問題です。他のメーカーは、以下に記載された「OSP規則」に従う方法を学び始めています。ICTテスト備品と手順のための「OSP規則」：歩留りに対する高い影響（FPY）；例えば、2 Nから3 Nまで、より高い力のために変化する固定具プローブを必要とするかもしれないは、より適切なタイプに変更された固定子プローブの種類を変更する必要がありますは、「ダブルクリック」グリッパ励起方法を必要とするか、空気圧、マニピュレータを利用するシミュレーションテストプログラムの制約は、妥協、開放、あるいは無視される必要があるかもしれません研究は、信頼できるテストコンタクトを確実にする方法がテストパッドがはんだ付けされることを確実とすることである歩留まりに潜在的に比較的ほとんど影響を及ぼすこれらのアスタリスク規則を示唆します。一部のメーカーはOSPから即時コスト削減を見て、それを無鉛プロセスの代わりとして見ます。しかし、いくつかの企業は最近、完全な転換を取っており、生産の混乱と遅れに関連する本当のコストを考慮するとき、彼らの戦略を再検討している。

銀浸漬

銀の浸漬は、テストプローブが噛むことができる「肉」を提供する銅の層の上の0.4から0.8ミクロンの金属層である。銀浸漬は、HASLやOSPとして広く使用されていないが、初期の研究は、それが製造プロセスとしてHASLに自然な代替であることを示唆している。ICTの信頼性についての予備的研究があり、これは、エッチング時間（表面粗さ／仕上げ）及び表面厚さが再現性にとって重要な考慮事項であることを示している。ICT段階で銀表面処理を施し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がないが、プローブや試験ソフトウェアを調整する必要がある。エッチング速度は、銀仕上げが光沢か鈍いかを決定するので、ICT試験にとって重要である。銀堆積ステップの間、銀は銅表層の輪郭に堆積する。その結果、表層の粗さが増加する、そして、それによって、領域は鈍い表面として現れる。この表面化過程に対する産業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である。最近の経験は、この表面処理がICTに問題がないことを示した。PCBボードメーカーは現在、HASL製品と同じ価格でシルバー仕上げボードを提供しています。

9本稿の要約

いくつかの企業の傾向は、OSPがHASLにとって自然な代替と見なされているようです. この選択は、単位コスト節約の認識から生じた. ICT engineers should pay attention to this trend: OSP-coated PCBs will not perform as well as other alternative リード-free finishes unless the test pads are covered with solder. プロセスフローが変更されない場合, 初期コストにおける潜在的な節約は、固定具プローブを変更するコストによって相殺され得る, フィクスチャメンテナンス, テストソフトウェアの変更, そして、板を傷つけるスクラップ. 我々はOSP選択において多くの反対の出来事を見ます. リードされたHASLプロセスを放棄しなかった顧客へのアドバイスは、すべての可能な無鉛PCB代替プロセスの利点と欠点を考慮することです, すべての製造段階が試験でカバーされることを確実にすること, テストを含む, 銀のために PCBボード 我々は、ICTに対する表面処理プロセスの影響について決定的な結果を得ていない. 私たちは、シルバー仕上げを使用して顧客と議論していると、この仕上げを使用して任意のグリッパーの連絡先の問題に気づいていない.