PCB の製造に銀や銅ではなく金を使用するのはなぜですか?

プリント回路基板 (PCB) は電子機器のバックボーンを形成し、コンポーネント間の機械的サポートと電気的接続を提供します。 PCB 上のパッドとトレースは通常、空気にさらされると容易に酸化する銅で作られています。この酸化により、はんだ付け性や電気的性能が損なわれる可能性があります。したがって、銅を腐食から保護するために、金、銀、有機コーティングなどの表面仕上げが施されます。

この記事では、PCB 製造において高価な金めっきと安価な銀または銅を使用することの背後にある理論的根拠を探ります。

一般的な PCB 表面仕上げの概要

PCB 上の露出した銅トレースは、酸化を防ぐために金属コーティングまたは有機フィルムでメッキされます。一般的な金属表面仕上げには次のものがあります。

浸漬銀 – 化学銀メッキプロセス
有機はんだ付け性保護剤 (OSP) – 有機保護フィルム
電解ニッケル/金 – 金の下に電気メッキされたニッケル
無電解ニッケル/浸漬金 (ENIG) – 無電解ニッケルと浸漬金

このうち、ENIG と電解ニッケル/金は、耐食性と導電性を最大限に高めるために金を使用しています。しかし、ゴールドは最も高価な仕上げでもあります。

PCB の表面仕上げの必要性

PCB は、電子コンポーネントを実装および相互接続するためのプラットフォームとして機能します。 PCB 上にエッチングされた銅配線は、信号と電力の導電経路を提供します。

しかし、銅は酸素や湿気にさらされると容易に非導電性の酸化銅を形成します。この酸化は、銅が露出している PCB 製造中にすでに始まっている可能性があります。

裸の銅が周囲環境にさらされたまま放置されると、酸化プロセスが続きます。これは、コンポーネントを取り付けるために後ではんだ付けする必要があるはんだ付けパッドに特に当てはまります。パッド上に酸化物が形成されると、はんだ付け性が低下します。

さらに、酸化により抵抗率が増加し、電気的接続が損なわれます。はんだ接合が不十分な場合、結果としてデバイスの故障や信頼性の低下が発生する可能性があります。

したがって、PCB 表面仕上げは複数の機能を果たします。

はんだ付け前に銅の酸化を防止
信頼性の高いはんだ接合形成を実現
接合部の接触抵抗を低く保つ
製品の寿命にわたって銅を腐食から保護します

PCB製造に金が使用される理由

金には独自の利点があり、多くの用途で PCB 表面仕上げに選ばれる金属となっています。

優れた耐食性

金は不活性度が高く、一般的な使用条件や周囲環境下では酸化したり腐食したりしません。これにより、数十年の製品寿命にわたって金メッキトレースの純度と導電性が維持されます。

高い導電性

金は、銀と銅に次いで高い導電率を持っています。しかし、銀も銅も表面が腐食しやすいです。金の優れた導電性は、その耐食性と組み合わされています。

柔軟な蒸着オプション

金コーティングは、無電解めっきや電解めっきなどのプロセスを通じて PCB に簡単に適用できます。必要に応じて厚さを制御できます。

優れたはんだ付け性

金を使用すると、濡れの問題を発生させることなく、信頼性の高いはんだ接合を形成できます。はんだ付け性は保管期間中も損なわれません。

長い貯蔵寿命

金はその純度と性質を永久に維持します。これにより、金メッキ PCB の非常に長い保存寿命が可能になります。

延性堆積物

金は、熱サイクル応力下でも亀裂や破壊が起こりにくい延性のあるコーティングを提供します。

ワイヤーボンディング能力

金仕上げにより、マイクロエレクトロニクスにとって重要な高歩留りのワイヤボンディングが可能になります。

再加工性

ゴールドコーティングにより、表面の完全性や特性を損なうことなく、複数回の再加工や修理サイクルが可能になります。

鉛フリー互換性

金は、鉛フリーはんだおよびはんだ付けプロセスと完全に互換性があります。

シルバー仕上げと銅仕上げの欠点

銀と銅には、金メッキに比べて導電性が高く、コストが低いなどの利点があります。ただし、銀と銅には次のような制限があります。

酸化と腐食：銀と銅は周囲環境で容易に酸化し、腐食します。これにより、時間の経過とともに接触抵抗が増加し、はんだ付け性が低下します。

はんだ付けの信頼性が低い：酸化物の生成により、はんだ付け時の適切な濡れが妨げられます。異種金属とはんだの接触面も故障のリスクを高めます。

保存寿命の短縮：銀および銅の表面への酸化と腐食の影響は、めっき直後から始まります。このため、メッキ後すぐにはんだ付けが必要になります。

劣ったワイヤボンディング：酸化のリスクにより、金と比較して銀/銅表面ではワイヤボンディングに課題が生じます。

熱サイクルの信頼性：銀と酸化銅は、延性のある金と比較して、温度変動下で損傷を受けやすいです。

環境上の制約：銀コーティングが変色すると、使用時や廃棄時に有毒な銀化合物が環境中に放出される可能性があります。

ライフサイクルコストの上昇：銀/銅の表面に頻繁に発生する腐食やはんだ付けの問題は、修理、再加工、保証コストの増加につながります。

金のPCB表面仕上げプロセス

無電解ニッケルイマージョンゴールド（ENIG）

無電解ニッケル浸漬金 (ENIG) は、プリント基板 (PCB) の表面仕上げとして広く使用されています。これは、PCB の銅配線上にニッケル層と金層を堆積する 2 段階のプロセスで構成されます。 ENIG プロセスの内訳とその主な特徴は次のとおりです。

無電解ニッケルメッキ

最初のステップでは、PCB の銅トレースを、ニッケル塩、還元剤、安定剤の溶液を含む化学浴に浸漬します。
溶液中のニッケルイオンは銅表面上で触媒的に還元され、均一で連続した無電解ニッケル層を形成します。
ニッケル層の厚さは通常、3 ～ 6 μm (マイクロメートル) の範囲です。この厚さは良好なカバレッジを提供し、銅層と金層の間の拡散バリアとして機能します。

浸漬金蒸着

ニッケルメッキの後、PCB は金塩を含む溶液に浸漬されます。
溶液中の金イオンは化学的に還元され、浸漬プロセスを通じてニッケル表面に金の薄い層が堆積します。
金層の厚さは通常 0.03 ～ 0.15 μm で、薄いですが効果的な保護コーティングを提供します。

ENIG の主な特徴と利点

拡散バリア: ニッケル層は拡散バリアとして機能し、銅の金層への移動、またはその逆の移動を防ぎます。このバリアは、金層の完全性を維持するのに役立ち、はんだ接合の信頼性に影響を与える可能性のある金属間化合物の形成を防ぎます。
はんだ付け性: ENIG は、平らで滑らかな金表面により、優れたはんだ付け性を実現します。金層は、組み立てプロセス中のはんだの濡れを促進し、信頼性の高いはんだ接合を保証します。
腐食保護: 金は酸化や腐食に対して非常に耐性があり、その下のニッケルや銅に信頼性の高い保護層を提供します。この耐食性は、過酷な環境や湿気にさらされる PCB にとって特に重要です。
表面の平坦性: ENIG プロセスにより、平坦で平面な表面が得られます。これは、ファインピッチの表面実装技術 (SMT) コンポーネントにとって重要です。滑らかな金の表面により、コンポーネントの正確な配置と信頼性の高いはんだ接続が確保されます。
優れた電気的性能: ENIG は優れた導電性と低い接触抵抗を備えているため、高周波および高速デジタルアプリケーションに適しています。
ワイヤボンディングの互換性: ENIG の金層は、半導体チップを PCB に接続するために使用されるワイヤボンディング技術と互換性があります。滑らかな金の表面により、信頼性の高いワイヤボンディング接続が容易になります。

全体として、無電解ニッケル浸漬金 (ENIG) は、PCB に信頼性が高く多用途な表面仕上げを提供し、優れたはんだ付け性、耐食性、および電気的性能を提供します。その使用は、家庭用電化製品、電気通信、航空宇宙、医療機器などのさまざまな業界で普及しています。

金メッキ基板プロセスの特徴

はんだ付け性の問題

金めっき層は良好な化学的安定性を示しますが、この安定性は、金がはんだと良好な合金を形成しにくいことも意味し、その結果、はんだ接合部の品質に影響を与えます。
はんだ付けプロセス中に、金の層が厚すぎると、金がはんだ中に溶解し、はんだ接合部が脆くなる可能性があります。この現象は「金脆化」として知られています。

Material, layer construction, holes and surface finish need to be released as one bare-board fabrication scope. A metal’s general conductivity or corrosion behavior does not by itself establish the right finish for every PCB application.

使用制限

はんだ付け性の問題のため、金めっきは通常、広範囲のはんだ付けが必要な領域には使用されません。代わりに、コネクタの接点やアルミニウムワイヤボンディングを目的とした領域によく使用されます。
はんだ付けが必要な領域では、有機はんだ付け性保存剤 (OSP)、鉛フリーはんだ、または錫-鉛合金などの代替表面処理方法がよく利用されます。

設計上の考慮事項

金メッキを施した PCB を設計する場合は、はんだ付け時の欠点を回避しながら金の利点を確実に活用できるように、金層の厚さとその塗布位置を慎重に考慮する必要があります。
したがって、金メッキ PCB は特定の面では優れた性能を発揮しますが、はんだ付け性能の点では実際に限界があります。これらの制限には、設計および製造プロセス中に特別な注意が必要です。

金メッキPCBの主な用途

金メッキ PCB に依存する重要なアプリケーションの例としては、次のようなものがあります。

航空宇宙および航空電子機器: Gold の信頼性により、宇宙ミッションにおける生涯にわたるパフォーマンスが保証されます。
医療機器: 金コーティングは、埋め込み型機器や診断機器の腐食を防ぎます。
海中エレクトロニクス: 金は、海洋観測機器で経験される高圧や塩水の条件に耐えます。
高速デジタル回路: 金の導電性により、最大数 GHz の周波数までエラーのないデータ送信が可能になります。
マイクロ波およびレーダーモジュール: 金メッキにより、マイクロ波周波数での損失が最小限に抑えられます。
コネクタと電気機械リレー: 接点の硬質金は数百万回のスイッチングサイクルに対応します。
フォトニック/オプトエレクトロニクスシステム: 金コーティングは、精密光学機器に必要な高い反射率を提供します。

結論

要約すると、金は究極の信頼性、導電性、耐食性、はんだ付け性、ワイヤボンディング性能を要求するアプリケーションにとって理想的な PCB 表面仕上げです。金の初期材料コストの高さは、製品の品質、寿命が向上し、重要なシステムの故障リスクが軽減されるため正当化されます。このため、次世代エレクトロニクスの性能と耐久性の限界を押し上げ続けることを可能にする上で、金の価値は高くなります。

PCB の製造に銀や銅ではなく金を使用するのはなぜですか?

一般的な PCB 表面仕上げの概要

PCB の表面仕上げの必要性