PCBへのガルバニック腐食の影響とは？

PCBへのガルバニック腐食の影響について疑問に思ったことがあるのは、あなただけではありません。このタイプの腐食は、隣接するトレースが溶液またはイオン液体によって汚染され、トレース間に小さなスライバーが成長します。これらの細片は、短絡を引き起こしたり、PCB上の機能ブロックを無効にすることさえあります。腐食がPCB上の電源ラインに影響を及ぼすと、デバイス全体が機能不全に陥る可能性があります。

PCB上のガルバニック腐食の例

ガルバニック腐食は、ある金属の表面が別の金属の表面と反応する電気化学的プロセスである。この反応は電解液の存在下で起こり、通常は異種金属間で起こる。一次電池では、このプロセスを利用して有用な電圧を発生させる。

腐食プロセスは、露出した金属部品に水分やイオン性液体が接触することで始まる。接触すると金属酸化物が成長し始め、表面が腐食する。このプロセスは隣接する回路基板にも影響を及ぼし、短絡や基板全体の劣化を引き起こす可能性がある。

ガルバニック腐食を最小限に抑える一つの方法は、腐食防止剤を使用することである。これらはガルバニック電位を下げるのに効果的だが、常に監視する必要がある。また、水の導電率を増加させる。そのため、PCBを扱う際には、適切にメンテナンスすることが重要です。

ガルバニック腐食を防ぐもうひとつの方法は、銅とアルミニウムの電気接続部の間に酸化防止ペーストを使用することである。このペーストは、銅よりも電位の低い金属で構成されています。これにより、金属同士が接触せず、ガルバニック腐食の可能性を最小限に抑えることができます。

ガルバニック腐食は、はんだ接合に使用される異種金属が原因で発生することがよくあります。このため、嵌合コネクターに適切な材料を選択することが極めて重要です。イオン電位が同じ材料は、異種金属よりも腐食に耐える可能性が高くなります。

PCB上のガルバニック腐食度を低減するプロセス

PCB基板上のガルバニック腐食の程度は、様々な方法で低減することができる。第一の手法は、ネットワークを分析し、ガルバニック腐食の原因を見つけることであり、第二の手法は、ネットワーク内の有機コーティングプロセス（OSP）ディスクの面積を増やすことである。

PCB上の銅パッドは表面仕上げで保護されていますが、仕上げの下に水分が入り込むことがあります。内部に入ると、水分は銅と反応し、腐食プロセスを開始します。このプロセスは、トレースに沿って広がっていきます。多くの場合、PCB上の銅と部品の金属など、2つの異種金属が接触することでガルバニック腐食が起こります。腐食性の電解液が存在する場合も、ガルバニック腐食の可能性を高めます。

ガルバニック腐食は、電子機器、特に高速アプリケーションでよく見られる問題である。これは、2つの異種金属が電解液と接触することで起こります。2つの異種金属が電気的に接触すると、反応性の高い金属原子が電子を失い、酸化が起こります。これが短絡につながる。

PCBを清潔に保つことは、デバイスを長持ちさせるために非常に重要です。腐食の防止は、PCBを乾燥させ、液体を含まない状態に保つことから始まります。そのため、PCBメーカーや設計者は、露出した導体に水分が付着しないように注意深く基板を保護する必要があります。

電子機器における典型的な腐食故障の種類

電子デバイスにおける典型的なガルバニック腐食故障は、さまざまな種類のプロセスによって発生する。そのひとつは、PCBA上に水膜が形成されることで、漏れ電流や電子デバイスからの誤った出力信号につながる可能性がある。もう一つのタイプの腐食故障は、製造工程の欠陥が原因です。この腐食タイプは、スイッチの短絡につながることが多い。

腐食の速度は、温度や周囲の環境など、いくつかの要因に左右される。湿気、露、結露があると腐食が加速される。また、塵埃も水分を保持するため、腐食速度を増加させる。土砂、煙、煤塵、塩分など、さまざまな原因による塵埃が存在する。

ステンレス鋼と亜鉛は、貴金属と活性材料の例である。2つの金属間の相対的な差が大きいほど、ガルバニック腐食の際に及ぼされる力は大きくなる。表面積の大きい陰極は、大電流により高い速度で腐食する。

ガルバニック腐食は、工業設計における大きな懸念事項である。マグネシウムは非常に活性の高い構造用金属である。航空宇宙産業や自動車産業で使用されている。陰極と陽極の面積比も、電解腐食によって生じる電流の量に影響する。2つの金属間の絶縁スペーサーも、金属間の距離を変えることでガルバニック腐食のリスクを減らすことができる。

PCB故障の検出方法

PCBの故障を検出する方法はいくつかある。これらの方法の中には、X線、スライス分析、光学顕微鏡などがあります。これらの方法はそれぞれ、PCBの損傷の程度を特定し、評価するのに有効です。しかし、これらの方法のすべてがすべてのPCB故障に適しているわけではありません。例えば、静電気放電による損傷は検出が困難です。はんだを軟化させ、複数の短絡を引き起こすことで部品に影響を与えます。この問題を避けるためには、製造工程を細かく監視する必要があります。

X線

PCB X線は、PCBの不具合を検出するための便利なツールです。これらの画像は、ボイドやはんだトレースなどの問題を明らかにすることができます。これらの問題は、ガス漏れやはんだの過熱によって発生する可能性があります。

スライス分析

スライス分析は、PCBの微細構造を分析するために使用される方法です。さまざまなPCB故障の検出に役立ちます。スライス分析では、PCBを垂直および水平に切断し、その断面特性を調べます。剥離、破裂、濡れ不良など、さまざまなPCB故障を特定できます。この情報は将来の品質管理に役立ちます。

光学顕微鏡

光学顕微鏡は、PCBの故障を検出するための効果的な方法です。故障部位の詳細な画像を提供し、不適合の検出や汚染源の特定に使用できる。この方法は、サンプルを受け取ったときの記録にも役立ちます。

ALT

PCB故障検出のためのALT法は、はんだ接合部とはんだペーストの堆積を測定する、より直接的なアプローチです。この技術では、レーザービームを使用してPCBアセンブリをスキャンし、さまざまなコンポーネントの反射率を測定します。その後、測定値を基板の標準仕様と比較し、欠陥の有無を判定します。

マイクロ赤外線分析

プリント基板の不具合は通常、はんだ接合部の欠陥によって引き起こされる。欠陥の原因を特定することで、メーカーは再発防止のために必要な措置を講じることができます。これらの対策には、はんだペーストの汚染を除去すること、PCBのアスペクト比が正しいことを確認すること、PCBのリフロー時間を最小限にすることなどが含まれます。PCB不良の解析には、簡単な電気的測定から顕微鏡によるサンプル断面の解析まで、さまざまな方法があります。

ALTははんだ接合部の析出を測定する

ALT（Aligned Light Transmitter）は、プリント基板上のはんだ接合部やはんだペーストの付着の高さや形状を測定するための新しい技術です。この技術はより正確で、高速測定が可能です。ALTシステムは、カメラやプログラマブルLEDなどの複数の光源を使用して、はんだ接合部品を照らします。各部品から反射された光の量は、ビームのパワーを使って測定される。しかし、ビームが複数の位置から反射する可能性があるため、二次反射によって測定に誤差が生じることがあります。

静電気放電

静電気放電（ESD）法は、PCB故障の検出に使用されます。ESDは極度の電気的ストレスの結果であり、致命的な故障や隠れた損傷を引き起こす可能性があります。ESDは、高電流密度、電界勾配の増加、局所的な発熱など、さまざまな理由で発生します。その結果生じる損傷は検出が困難で、製品の重大な故障を引き起こす可能性があります。PCBアセンブリがESDの影響を最も受けやすいのは、電荷を運ぶ他の物体と接触しているときです。

BGAチップ専用レイアウトのヒント

BGAチップをレイアウトするには、そのフットプリントを理解する必要があります。レイアウトにはいくつかの種類があります。バイア、ファンアウト、フィデューシャルマークから選択できます。NCP161チップのデータシートには、推奨パッドサイズと形状が記載されています。

ファンアウト

BGAチップを搭載したプリント基板を設計する場合、部品に最適な配線パターンを検討することが重要です。例えば、ピン数の多いBGAチップでは、適切なエスケープ配線パターンを実現するために綿密な計画が必要です。部品のピッチやボール間の希望間隔などを考慮する必要があります。

BGAチップの最適なルートは、2つの基本ステップで構成される。まず、信号ピンの配線に必要な層数を計算します。BGAに使用できる基本的なルートには、従来のファンアウトとドッグボーンファンアウトの2つがあります。一般的に、ドッグボーンファンアウト方式はピッチの大きなBGAに使用されます。ドッグボーンファンアウトでは、外側の2列のピンを表面層に配線し、残りの内側のパッドにはビアを配線しません。

フィデューシャルマーク

BGAチップは電子機器の組み立てに広く使用されている。しかし、その特殊な形状のため、はんだ付け時に短絡のリスクが高くなります。正しいレイアウトのコツと実践が、こうした問題を回避するのに役立ちます。この記事では、はんだ付け効果を最大化するために、プリント基板にBGAチップを正しく配置する方法を学びます。

適切なBGAチップ・レイアウトの第一歩は、部品の適切な間隔を確保することである。通常、パッドは連番ではなく、列-行の形式で番号付けされます。列は左から右に番号が振られ、A1から始まります。A1ピンは通常、チップ上面のマークで示されます。

コーナーマーク

PCBレイアウトに関しては、BGAチップであろうと他のタイプの電子部品であろうと、同じルールが適用されます。最適なパフォーマンスを実現する最善の方法は、強力なX線システムでBGAを確実にマウントすることです。また、ビジョン配置システムを使用して、BGAが正しく配置されていることを確認する必要があります。

多ピンBGAチップを扱う場合、計画が鍵となります。すべてのエスケープ配線に対応するために、基板を何層か追加する必要があるかもしれません。また、トレースの配線を始める前に、部品の配置を慎重に検討する必要があります。

パワーインテグリティ

ピン数の多いBGAチップは、トレースを配線する前に慎重な計画が必要です。また、ピンから出るビアに必要な配線チャネルも考慮する必要があります。場合によっては、余分なピンを収容するために基板を2層追加する必要があるかもしれません。さらに、BGAには複数の行と列があるため、部品の配置には注意が必要です。

最初のステップは、BGAをどこに配置するかを決めることである。設計者の中には、一部のピンを内部の列から取り除くフリップチップBGAを使用する者もいる。また、レーザーで穴を開けるマイクロビアを使用する設計者もいる。ブラインド・ビアも選択肢の一つですが、より高価です。ブラインド・ビアは通常、最も高価なレイアウト・プランに含まれる。

ハスル鉛フリーと何が違うの？

HASLは錫と鉛の合金です。接合部の形成が容易で、手はんだ付けによく使われる。2つの金属が密接に分子結合しているため、強固な接合部を形成することができます。そのため、信頼性の高い用途に適した仕上げとなっています。

HASLは錫と鉛の合金

HASLは、電子回路基板に多く使用される錫と鉛の合金です。強靭な接合部を容易に形成することができ、手はんだ付けによく使用されます。2種類のHASLは類似しており、分子レベルで相互作用することになります。このような類似性から、HASLは高信頼性アプリケーションに最適な材料といえます。

錫鉛はんだは、いくつかのユニークな特性を持っています。錫鉛はんだの化学的・物理的特性は、過去50年にわたり盛んに研究されてきました。

より薄くなっている

鉛フリープリント基板には、HASLと比較していくつかの利点があります。これらの利点の中で、HASLは保存性が最も優れています。さらに、鉛フリーPCBはより拡散性が高いです。そのため、銅のはんだ付けに適しています。しかし、鉛フリーPCBにはいくつかのデメリットがあります。

鉛フリーHASLは、鉛リードHASLに比べて薄く、コプラナリティが良い。はんだコーティングの厚さの差は、鉛リード仕上げの約半分です。鉛フリーHASLは融点が高いため、はんだ付け工程に若干の調整が必要です。工程は標準的なHASLと同様ですが、特殊なフラックスを使用します。このフラックスは、PCBの銅表面を活性化するのに役立ちます。はんだを基板に塗布する際には、均一な厚みにすることが重要です。この工程では、エアナイフが重要なツールになります。

より均一である

2006年にエレクトロニクス業界で鉛フリー化の動きが始まって以来、プリント基板の組み立て方法として鉛フリーはんだが一般的になってきました。鉛フリー化が進む以前は、この方法は時代遅れの技術だと思われていました。しかし、北米、ヨーロッパ、日本を除くアジアでは主流の仕上げ方法でした。現在では、この方法は鉛フリー製造に適した方法と考えられています。中国のプリント基板製造工場のいくつかは、ヨーロッパでの需要の高まりに対応するため、鉛フリーHASLラインを導入しました。また、インドや東南アジアでも鉛フリーHASLは人気を集めています。

この鉛フリー合金は、HASL版よりも人体への毒性がはるかに低い。共晶温度は約二百七十度で、HASLの鉛フリー合金より大幅に低い。さらに、機械的強度が高く、輝度も鉛錫のものに比べて高い。しかし、鉛フリーはコストが高くなるなどのデメリットもある。

賞味期限が長くなる

ハスル鉛フリーは、鉛入りはんだよりも保存期間が長いです。また、安価で再加工が可能です。しかし、滑らかな仕上がりにはならず、ファインピッチのアプリケーションでは信頼性に欠けます。また、基板に沿ってはんだのブリッジが発生し、マウントパッド表面の均一性が損なわれます。無電解錫はんだも選択肢の一つです。これは白い金属物質で、銅の上に直接塗布されます。この2つの金属は互いに非常に引き付け合う性質があります。

鉛フリーはんだは、錫鉛よりも保存期間が長いのですが、いくつかのデメリットがあります。錫鉛は毒性があり、環境を悪化させる可能性があります。鉛フリーはんだは、より環境に優しいです。また、洗浄もしやすくなっています。鉛ベースのはんだとは異なり、Haslの鉛フリーは、ほとんどの代替仕上げと互換性があります。

RoHS指令に対応しています。

鉛フリー版HASLは、従来のHASL PCBと同様ですが、製造工程で錫鉛を使用していません。RoHS指令に対応した代替品ですが、小型LEDなどの超小型部品には適さない場合があります。

HASL鉛フリーは、260～270℃と温度領域が高く、結果が歪んだり、基板が故障したりすることがあります。また、HASL鉛フリーは、素子ピッチが20mm以下のSMD/BGA部品には効果が少ない。さらに、LF HASLはHASL Pb/Snに比べ均一性に欠ける。また、塗布時に滲み出る鉛フリーの蒸気によりショートを起こすことがあります。