より高温となる鉛フリーはんだ付けには、ＰＣＢの設計／材料／プロセスの変更が必要である

より高温となる鉛フリーはんだ付けには、ＰＣＢの設計／材料／プロセスの変更が必要である。

（１）ガラス転移温度(Glass Transition Temperature, Tg)
（２）分解温度(Decomposition Temperature, Td)
（３）熱膨張率(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)
（４）銅めっき厚
（５）水分のベークアウト

　主として次の一要因によって、プリント基板(Printed Circuit Board, PCB)の信頼性が低下する－実装時、はんだ付けプロセス中で要求される温度である。この信頼性の低下は、2001年8月号のコラムで初めて議論された。2001年8月号と2003年5月号のコラムに示したように、実装時のPCBはほとんどの部品よりも温度が高くなる。SnPbはんだを用いたはんだ付けの場合、その温度は230～245℃、鉛フリーはんだの場合、265～280℃にもなる。

　このような、高温でのはんだ付けには、プロセスの変更だけでなく、設計方法とPCB用材料の変更が必要である。これらの新たなPCBに対する変更を行わなければ、鉛フリー化に対応できない。なぜなら、半導体実装メーカーは安いものを購入するだろうが、これらすべての変更はコストの増加につながるからである。

　現在標準のPCB用FR-4材は、大抵の鉛フリーはんだに要求される高温でのはんだ付けに耐えることができないので不適当である。最新のFR-4’材は、ほんの数年前に入手できる材料よりも著しく改良されているが、この改良は主に一つの特性－Tgに対してのみ行われている。高温での鉛フリーはんだ付けのためには、高いTgだけでなく、おそらく低いCTEと高いTdが必要である。

　PCBの相互接続構造－めっきビアホール(Plated-Through Via, PTV)の銅めっき部同士やめっき部と層内部の相互接続を維持するためには、TgとCTEの改善が必要である。また、PCB用樹脂の熱的安定性には、TgとTdの改善が必要である。

　図１～３に、それぞれPTVのスルーホールめっき部の割れ、PTVの層間剥離、PCB母材の劣化の様子を示す。図１、２に示すように、層間剥離(Inner-Layer Separation, ILS)やスルーホールめっき部の割れは、PCB樹脂の熱膨張が非常に大きいために生じる。樹脂のCTEが高いほど、はんだ付け温度が高いほど熱膨張が大きくなる。PTVの直径が小さいほどスルーホールめっき部の割れが起きやすく、またスルーホールの直径が大きいほどILSが起きやすい。



　はんだ付け温度が高いほど樹脂の劣化と分解が起きやすくなる。図３には、この劣化の様子を示す。


　図４には、FR-4樹脂開発の経緯を示す。1980年代、FR-4材のTgとTdはかなり低かった。そこで、図中の2005年の‘標準的な’FR-4材に見られるような樹脂の改良がなされた。しかし、図４に見られるように、この改良は鉛フリーはんだ付け温度に対してまだ十分ではない。


　図５には、TgとTdの高温化に伴い、各温度における劣化までの時間が短くなる様子を示す。


　図６によると、スルーホール(Through-Hole, PTH)またはPTVの銅めっき部とFR-4樹脂との間の熱膨張のミスマッチを改善するためには、Tgの高温化だけではなく、Tg以上での熱膨張率(CTE(>Tg))の上昇を阻止しなくてはいけない。


　そこで、PCBへの高温での鉛フリーはんだ付けを実現するために、次の３特性を改良する必要がある。

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出典：Global SMT & Packaging, Vol. 5, No. 8, pp. 41-44
訳者：（株）アンベエスエムティ　木本、安部