なぜプリント基板には表面処理が必要なのか？
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先に要点：表面処理は露出した銅の酸化を抑え、はんだ付けや接点の性能を確保するために行います。実装方法、保管条件、接点の摩耗、必要な法規対応をもとに処理を選びます。
今回は、プリント基板の銅の保護を目的とした表面処理について書いてみたいと思います。
プリント基板の表面にはレジストが塗布されていない露出したランドやパッドと呼ばれる電子部品を半田（はんだ・ハンダ）付けする部分があります。
ランドやパッド部分は銅ですので、何も処理していない状態では酸化が進行し錆びてしまうのです。錆が有ることで、部品を実装する際にうまく半田が付かず、不良となるケースがあります。
銅の酸化防止の為には、銅の表面を酸化しにくいめっき（メッキ・鍍金）処理や酸化防止を目的とした薬剤によるコーティングをすることが必要となり、これらを表面処理と言います。
表面処理の方法には種類がありプリフラックス処理(タフエース処理)、共晶半田レベラー、鉛フリー半田レベラー、無電解金めっき、電解金めっきなど様々な種類があります。
部品の実装条件や製品の仕様(RoHS対応など)に合わせて適切な表面処理を選択する必要もありますので、どれが対応しているのか不明な場合などには、確認しておく必要があります。
水溶性プリフラックス処理
プリフラックス処理は、プリント基板製造で最も一般的に使用される表面処理方法です。
コストが安価で実装時の半田との接続信頼性に優れている為、よく選ばれております。
OSPなどの有機保護膜の保管可能期間は、薬剤、包装、温湿度、開封後の扱いによって異なります。一律に3か月保証という意味ではなく、製造時の指定条件と期限を確認してください。
※コストが低く抑えられるが保管期間が短いのがプリフラックス処理です。
共晶半田レベラー
共晶半田レベラーとは、HALと呼ばれる装置内で溶融した半田にプリント基板を浸漬させ、ランドやパッド部の銅に半田をのせる表面処理方法です。
余分な半田はエアーナイフと呼ばれる装置の熱風で吹き飛ばして仕上げています。
ハンダはSn（錫）63%とPb（鉛）37%の合金で構成されており、近年では半田成分の鉛が人体へ影響を及ぼす恐れがあるということで鉛なしの半田レベラー処理が増えてきています。
※人体への弊害が懸念されるが半田の濡れ性が優れているのが共晶半田レベラーです。
鉛フリー半田レベラー
鉛フリー半田とは、無鉛半田・Pbフリー半田とも呼ばれています。
鉛フリーはんだにはSn-Cu系やSn-Ag-Cu系などがあります。鉛1000ppm（0.1質量％）はRoHSで原則適用される均質材料中の鉛の最大許容濃度であり、合金の配合比を示す数値ではありません。適用除外や他の規制物質も含め、製品の適合を確認します。
共晶半田よりも融点が高く、半田濡れ性が劣る為、実装時に問題が起こることが有りましたが、近年はかなり改良されてきているようです。
※鉛フリーはんだも組成に合わせた温度・フラックス・作業条件の管理が必要です。
※弊社では共晶半田レベラー、鉛フリー半田レベラー処理共に対応しております。
ニッケルめっき
非常に光沢があり、錆びにくく装飾・防食用に使用されています。
ニッケル皮膜の硬度は、めっき方式、組成、熱処理などで変わります。材料名だけで一定の硬度には決まりません。
このことから、コネクタ端子又は、スイッチの接点(摺動子)に使用されます。
その他にも、ガルバニック腐食を抑えるためにもニッケルめっきを行います。
ガルバニック腐食は、異種金属が電気的に接続され、水分などの電解質が存在するときに電位差によって促進される腐食です。
異種金属間での電位差が発生した際に、局部電池となり金属がイオン化して腐食が起こってしまう事を言います。
ニッケル下地には銅の拡散を抑えるなどの役割があります。防食効果は皮膜の欠陥や組合せ、使用環境にも依存し、めっきだけで腐食を必ず防げるわけではありません。
無電解金めっき
無電解金めっきと電解金めっきは名前も仕上がりも似ていますが用途とコストが全く異なります。
代表的なENIGは、無電解ニッケルの上に置換金を形成する積層皮膜です。NiとAuを一つの合金にする処理ではありません。各層の膜厚は、適用規格と発注仕様に従って指定します。
半田濡れ性が抜群に優れており、表面の平滑度が高く小さな部品の実装等に向いています。
電解金めっき
電解金めっきの膜厚や硬度は用途に合わせて指定します。挿抜接点には耐摩耗性を重視した硬質金などを検討します。
その分コストも高くなります。
（ファミコンのカセットなどのように）何度も抜き差しするような箇所等に向いています。
はんだ付けやワイヤーボンディングへの適性は、硬質金・軟質金の種類や膜厚などによって異なります。接点向け硬質金の仕様を、そのまま実装用に流用しないよう確認が必要です。
無電解ボン金
主にCOB用途特にワイヤーボンディング用パッドの金メッキ処理の事を言います。
微細化及び高密度化により、リード線を配置しにくくなったため、実用化されました。
ニッケル下地にソフト金めっきが施されています。
電解ボン金
ワイヤーボンディング用パッドの金めっき処理の事を言います。
電解・無電解の選択は、配線構造やボンディング方式、必要な皮膜特性によって異なります。
※弊社では外注にて無電解金めっき、電解金めっきともに対応しております。
半田めっき
電解半田めっき方式のみ対応。
以前は、金レジ法に対抗して多く採用され、ランドレスに多く展開されていました。
昨今は、環境問題もあり、半田めっきを使用しない違う方式に変わってきています。
レベラーは表面の平坦性や膜厚ばらつきに注意が必要です。膜厚と許容差は方式だけで一律に決まらないため、処理業者との仕様確認が必要です。
今回は、露出した銅を保護するために行う表面処理の説明でした。
実装条件に合う表面処理を相談する
部品の種類、実装回数、保管予定、接点の用途をお知らせください。処理方法と膜厚の仕様を確認します。
