PCBの層間剥離：原因、予防策および解決策

紹介

プリント基板（PCB）は、スマートフォン、車両、医療機器、人工衛星など、あらゆる電子機器の中心にあり、静かにそれらに電力を供給しています。中国におけるプリント基板の生産・製造プロセス、能力および技術は、ますます向上しています。しかし、最も高品質な基板であっても、電子機器において最も厄介で高コストとなる故障の一つである「PCBデラミネーション」の影響を免れることはありません。基板の層が剥離し始めると、直後に電気的故障や製品リコールが発生する場合が多くあります。

PCBの層間剥離を理解し、その防止方法を知ること。まず、層間剥離の原因はおおむね4つのカテゴリーに分けられることを理解する必要があります：材料の問題、製造プロセス上の問題、外部環境の影響、および不適切な化学処理などです。製造プロセスの詳細な観点から見ると、湿度、熱処理、組立、保管条件がどのように相互に作用するかが重要になります。層間剥離や白斑（measling）、クラック（crazing）などの欠陥は、PCBの表面層および内部構造を損ない、信頼性を低下させ、場合によっては安全性にも影響を与える可能性があります。

PCBの層間剥離とは？

PCB（プリント回路基板）の層間剥離とは、製造プロセス中に回路基板の異なる層間に剥離または分離が生じる現象を指します。PCBの層間剥離は、銅、樹脂、基材からなる各層が、さまざまな機械的、熱的、または化学的な要因によって分離し始める際に発生します。剥離は、気泡や隙間、変色や膨張、ふくれ、あるいはPCB表面層の反りとして現れることがあります。層状化が発生した場合、放置するとPCB内部への湿気の侵入が促進され、さらに損傷が進行し、最終的にPCBの機能喪失につながります。

一般的に使用される材料から判断すると、FR-4材やポリイミドなどの基板材料がPCBのベース材料として使用されています。これらの積層材、接着剤、銅箔は高度に設計されていますが、依然として脆弱です。過度の湿気への露出や熱サイクルを受けると、最高品質の積層材であっても、適切に製造および取り扱われていない場合、剥離を引き起こす可能性があります。

なぜPCBのデラミネーションが重大な問題なのか

なぜPCBの世界ではデラミネーションがこれほど注目されるのでしょうか？簡単に言うと：デラミネーションが発生した場合、PCB全体が故障する可能性があるからです。PCBは制御基板全体における信号および回路伝送の基本的な構成要素です。

デラミネーションがこれほど危険な理由：

• 電気的故障： 最も直接的な影響は導体パスの断線であり、電源またはデータの喪失、そして偶発的な故障を引き起こします。
• 熱的ホットスポット： はく離によって生じる空気ギャップは熱伝導が低いため、局所的な「ホットスポット」が形成され、最終的にさらに故障を加速させます。
• 構造的弱点： 構造的な観点から見ると、基板のPCB材料がはく離すると機械的強度を失い、特に組立やリワーク時に亀裂が生じやすくなります。
• 長期的な損傷： PCB基材内の湿気が内部から継続的に侵食を引き起こし、腐食、メスリング（白斑）、さらなるふくれ（ブリスタリング）を招きます。これは外部環境によって引き起こされる要因です。
• 潜在的なリスク： はく離が最初の段階でデバイスの動作を停止させない場合でも、PCBの寿命を短縮し、製品が本来の耐用年数に達する前に故障する原因となります。また、PCBはその最も基本的な性能を失っています。

PCBのはく離の原因：主な要因

層間剥離の問題を解決したい場合は、その原因から着手してください。

PCBのはく離がなぜ発生するのか、その原因を理解することは、予防への第一歩です。

1. 水分吸収と湿度

PCB基板材料は吸湿性がある—水分を吸収する現象は、通常使用される材料の化学構造や多孔性、および環境湿度などの要因と密接に関連している。一般的なPCB基材であるFR-4（エポキシ樹脂ガラスクロス複合材料）にはある程度の気孔があり、空気中の水分を吸収する可能性がある。つまり、基板が保護されずに高湿度環境に置かれている場合、周囲から水分を吸収することを意味する。PCB内の過剰な湿気は、製造、保管、または輸送中に基板内部に閉じ込められたり、湿度にさらされたりする可能性がある。その後、はんだ付け工程で高温にさらされると、その水分が蒸気に変化する。

• PCBに封入された水分が水の沸点を超える温度で加熱されると、強力な内部圧力が発生します。この圧力をラミネート材が逃がすことも吸収することもできない場合、層間の剥離が始まり、電気的性能の低下、不均一な熱膨張、機械的強度の低下、さらには短絡事故や最終的な層間剥離（デラミネーション）といった問題が生じます。
• ラミネート材料の保管条件は極めて重要です。空気中の湿度が上昇すると、湿気の吸着も促進されます。基板表面が湿気を吸収すると、湿度の上昇とともに吸湿率も高まります。したがって、実装前のPCBを真空密封したりベーキング処理を行ったりしないことが、主な原因となります。
• PCB基板内の湿度は、メイズリング（下記参照）を引き起こす原因にもなります。

2. 熱応力および熱処理

PCBがSMT実装および処理工程に入る際、各基板は実装中に繰り返しの熱的ストレスを受けます。熱処理（リフローはんだ付け、ウェーブはんだ付け、修理）では、基板が200°Cを超える温度に加熱されます。高温の影響を受けた後、ラミネートが古くなっていたり、樹脂の種類が誤っていたり、事前のベーキング処理が行われていなかった場合、層間剥離が発生する可能性があります。

• 不適切な熱プロファイルや、樹脂の規定されたTg（ガラス転移温度）を超えること（例：適切でないTgタイプのFR-4材料を使用）が、よくある原因です。したがって、材料を選定する際には、製品の最終用途での要求仕様も評価し、適切なTgグレードを選択する必要があります。
• 熱サイクルを受けることで、層の膨張と収縮が接合部を緩ませる「作業」を行い、特にHDI基板や厚銅導体を持つ基板で顕著になります。

3. 製造および材料上の問題

• 不十分な製造プロセス 基板の圧着中に存在する粒子、油分、または不適切なラミネーションは常に層間剥離の原因となる可能性があります。今日の完全自動化された生産ラインの工場では、この要因は大幅に減少しています。
• 不適切なTgタイプ fR-4またはポリイミドは、アセンブリの実際の熱処理条件に適合していなければなりません。
• 仕様外れの古い基板材料や使用期限切れの樹脂は 層間剥離を引き起こす可能性があります。 一般的に使用される国際ブランドの材料を使用することをお勧めします。
• 不適切なTgタイプの材料 リフロー工程の温度が基材の許容温度を超える場合、層間剥離やブリスターの発生は時間の問題です。前述の通り、適切なTgの基材を選択することで、この問題が発生する確率を低減できます。

4. 機械的および化学的な要因

• 基板の曲げ、不適切な取り扱い、衝撃は、特に水分や熱によって結合部が弱まった後には、層間剥離を引き起こします。
• 洗浄剤、フラックス、およびはんだマスクの残留物が正しく除去されていない場合、表面層と基材の界面が劣化し、はく離の原因となる可能性があります。

機械的・化学的要因は、後工程の再処理および組立生産でよく見られ、外部要因によって引き起こされます。

まとめ表：PCBのはく離原因

メイズリングおよびPCBクラジング：剥離の関連する形態

剥離、メイズリング、クラジングは混同されることがありますが、それぞれがプリント基板の分野において異なる欠陥を表しており、それぞれ固有のリスクと原因があります。これらの品質問題はPCBの外観に影響を与えるだけでなく、電気的性能や信頼性に深刻な影響を及ぼす可能性もあります。

メイズリングおよびPCBの欠陥

メイズリングとは、PCB基材内のガラス繊維の交点に生じる非常に小さな白い斑点（剥離）であり、通常はソルダーレジストまたはラミネートの下に微細な白点として現れます。これは初期段階の剥離と誤解されることがあります。メイズリングとPCBの剥離には関連性があり、どちらも過剰な湿度や不適切な製造プロセスによって引き起こされるラミネート材料の劣化が原因となることが多いです。

• メッスリングは、通常、PCB表面の金属層（例えば銅層）の酸化または腐食、湿気、不適切なコーティングや表面処理が原因で発生します。特に基板が急激な温度変化やはんだ付け時の熱衝撃にさらされる場合に起こりやすくなります。
• 水分がPCB基材に閉じ込められたり、材料の硬化が不十分な場合、小さな白い斑点が現れます。時間が経つと、これらの斑点は拡大し、放置するとより深刻な層間剥離を引き起こす可能性があります。

クラジング

クラジングは、PCBの基材に網目状の微細亀裂が走る現象で、材料の疲労、はんだ付け工程中の文字やグラフィックの不適切な管理、不適切な機械的作業（例えばドリルや切断の不良）によって引き起こされることが多いです。局所的に発生するメイズリングとは異なり、クラジングは広い範囲にわたり、はんだレジストの下に網目状またはメッシュ状の外観を生じます。クラジングが常に層間剥離を引き起こすわけではありませんが、応力の目に見える指標であり、基板の構造的強度を弱める可能性があります。

層間剥離の関連症状が懸念される場合

• メイズリングおよびクラジングは、基板が熱的または機械的なサイクルによりさらに応力を受けること、あるいは組立時や製品使用中に内部に閉じ込められた水分が膨張することによって、層間剥離を引き起こす可能性があります。
• 非常に小さな白色の剥離部分が形成された基板は、さらなる検査およびテストのために隔離してください。使用前に定期的に問題点のチェックや基本的な試験を実施してください。
• 科学的な設計、製造および試験プロセスを採用することにより、これらの問題の発生率を大幅に低減し、PCBの信頼性と長期的な安定性を高めることができる。

素早く比較：メイズリング vs. クレイジング vs. 層間剥離

PCB剥離の影響とその結果

PCBは高精度の電子材料であり、剥離および関連する欠陥が生じた場合、電気的、熱的、機械的側面にまで影響を及ぼし、非常に深刻な結果をもたらす。最も直接的な結果は、基板の機械的および電気的特性の低下であり、最悪の場合機能障害に至ることもある。

電気的性能の問題

短絡および断線は、最も一般的な現象であり、剥離の存在を示す代表的な診断所見でもある。

• 導体の断線： 導体または配線が 基材から剥離する箇所 回路がオープン状態になり、デバイスの故障や断続的な不具合が発生します。
• ショートおよびCAF： はく離により、導電性アノーディックフィラメンテーション（CAF）の新たな経路が生じ、はんだ付けパッドや銅箔パターンを橋渡しする可能性があります。

熱的および構造的影響

溶接プロセス中に、熱にさらされることではく離が悪化することがよくあります。また、外力によって亀裂や変形が生じることもあります。

• 熱遮断： ブリスター（膨れ）や隙間があると熱伝導が低下し、はく離領域付近の部品が過熱して局所的に急速に劣化します。
• 機械的強度の低下： 基板が曲がったり衝撃荷重に耐えたりする能力を失い、亀裂が発生したり、さらに大規模なはく離が進行します。

湿気と腐食

高湿度環境下でFR-4やCM-1などの基材が空気中の水分を吸収する影響。

• PCB内の封入された水分は、加熱時に膨張を引き起こすだけでなく、剥離領域の露出した銅製ビア穴や配線パターンにおける腐食を促進する可能性もあります。
• ラミネート材料が高湿度環境に繰り返し晒されたり、不適切な保管条件下に置かれたりすると、劣化が継続して進行し、その結果につながります。

製品寿命および信頼性への影響

大規模なPCBメーカーにおいては、外部環境の最適化や作業規準の管理によって剥離の問題を回避しているものの、万が一発生した場合には、PCB自体の寿命およびエンド製品の信頼性に甚大な影響を与えることになります。

• 剥離およびその派生現象（メイズリング、クラジング）はPCBの有効寿命を短縮するため、初期の機能試験に合格したデバイスであっても、数か月または数年後に故障し始める可能性があります。これにより、製品の使用期間が著しく短くなるのです。
• これらの潜在的な故障により、高額なリコールが発生し、現場でのデバイスの予期せぬ故障によってブランドの評判が損なわれる可能性があります。

PCBが損傷しているかどうかを判断する方法（はく離の症状と種類）

問題を解決する最善の方法はそれらを未然に防ぐことです。PCBのはく離症状を理解することは、早期発見および対策を講じるために不可欠です。以下の手がかりを通じて問題を特定できます。

視覚的なヒント

• 半田マスクの下の変色部分は、湿気のたまりや初期のはく離を示唆しています。
• 表面層または内部積層ポイントに沿って現れる水ぶくれや気泡は、直接的な指標です。
• はく離による水ぶくれ： PCB表面から盛り上がった、膨張したりスポンジ状になった領域。
• 小さな白いはく離斑点： 特に熱サイクル後に見られる、メスリング（はく離微細化）の兆候です。

電気的および機能的な手がかり

• 基板が高温サイクルにさらされた後、特に突然または断続的に故障が発生する。
• リフローまたはウェーブはんだ付け後に回路が故障し、予期せずエイズ（目）がブリッジされる。
• 銅配線の抵抗値が異常であるか、導通が失われている。

機械的な手がかり

• 剥離領域の近くで基板を扱うと、異常な反りやたわみ、あるいは「スポンジのような」感触が現れる。

はんだ付けおよび熱処理中に層間剥離が発生する理由とそのメカニズム

各PCBは高温での実装工程を経る必要があるが、特に高温での実装ステップ中に層間剥離が起こりやすい。いくつかのPCB層間剥離の原因は、設計・材料・プロセスの関連性を示している。したがって、このPCBの製造および設計においてどの部分を最適化する必要があるかをまとめることができる。

はんだ付けおよびリフローによる引き金

• リフローおよびウェーブはんだ付けなどの熱処理では、基板が水の沸点（100°C）を超え、時には250°Cを超える温度にさらされます。この温度は、PCBの耐熱性にとって厳しい最低値となります。
• PCB基材に閉じ込められた水分が蒸発して内部に圧力を生じます。これは、PCBの内層に残留水分がある場合に発生する状況です。
• この圧力が接着剤の接着力を超えると、ビアの入り口や銅パッドの端など、最も弱い部分で層間剥離（デラミネーション）が発生します。

実装中にデラミネーションを引き起こす一般的な要因：

• 積層材における不適切または誤ったガラス転移温度（Tg）（例：ハロゲンフリーはんだ付けに適さないタイプのTgを持つFR-4材料を使用）。PCB製造プロセスの要件においては、基材の適切な仕様および型式を選択することが特に重要です。
• 基板が事前にベーキング処理されていない、または真空密封されておらず、はんだ付け前に湿気への露出があります。現在の製造プロセスでは、この要因はほとんど問題になりません。ただし、開封された包装材については、できるだけ速やかに使用し、材料の損失を防ぐべきです。
• 湿気を吸収したり劣化したりした低品質のPCB基材。

大規模な層間剥離が生じる理由

• はんだ付けポイントの一つで層間剥離が始まった場合、それが外側へと進行し、複数の基材層に影響を与える大規模な層間剥離につながる可能性があります。

PCBの層間剥離を測定するための試験の種類

PCB業界では、層間剥離を測定するために厳格な各種試験が行われており、品質の前向きな検出と保証が可能になっています。

主な試験方法

層間剥離を防止する方法と解決策

層間剥離からの保護は、設計、保管、加工、さらにはサプライヤーとの関係に至るまで、多面的なアプローチに依存する。

設計と材料の選定

• 材料の最終的な性能および用途を理解した後、適切なTgおよび耐湿性を持つFR-4材料または代替PCB材料を選択します。
• 製品が高湿度環境で使用される場合、実装中に強化樹脂を使用するか、保護用コンフォーマルコーティングを適用します。

製造および加工管理

• 保管および製造エリアでは厳格な湿度管理を行い、作業手順および規則を厳密に遵守します。
• はんだ付け前、特に高温または複数回の熱処理を伴う実装前には、すべての基板を加熱乾燥して水分を除去します。
• 原材料のトレーサビリティについてサプライヤーを監査し、正しいTgタイプの材料を使用することを要求します。

実装のベストプラクティス

• PCBおよび銅層の表面温度がメーカーの定める許容値を超えないよう、適切な温度プロファイルを使用します。
• 膨張・収縮による疲労を最小限に抑えるため、熱サイクル間での冷却時間を確保します。

安全な扱いに

• スタッフに優しい取り扱いを教育し、微細な亀裂を防ぐために手袋を着用してください。
• めくれ、膨れ、および軽度の層間剥離部を定期的に点検し、異常な材料が発見された場合は直ちに使用不可材料エリアに分類して保管するよう指示してください。

環境管理

• 積層材の保管には温湿度管理された倉庫を使用してください。
• 湿度と温度センサーで監視し、湿気の吸収を回避してください。

PCB層間剥離の修復手順

層間剥離が発生した場合でも、専門的な修理により一部の材料の機能を回復できることがあります。

• 目視検査またはSAMを用いて診断を行ってください。
• さらに作業を中止し、気泡や隙間の拡大を防いでください。
• 慎重に清掃してください。接着剤を溶解するような強力な洗浄剤は避けてください。
• 必要に応じて小さな通気孔をドリルで開け、エポキシ樹脂を層間剥離部に注入してください。
• 高仕様のエポキシを注入し、圧縮圧力を加える。
• 接着性を回復させるために、制御された温度下で硬化させる。
• 電気的導通および応力試験を用いて再検査を行う。

よく 聞かれる 質問

Q: 現代の多層PCBにおいて、はく離が生じる主な理由は何ですか？

A: 現在、はく離を引き起こす可能性のある主な要因には、PCB基材および保管環境における湿度管理の不備、実装プロセスに適さないまたはTg値が不十分なラミネート材料の使用、および不良な製造またはラミネート工程が含まれます。

Q: PCBが複数回のはんだ付けまたはリワーク工程を経なければならない場合、はく離を防ぐにはどうすればよいですか？

A: 高Tgの基板材料を使用し、湿度を厳密に監視し、工程間では真空密封を行い、高温に再曝露する前に基板をベーキングしてください。

Q: 変色した部分や気泡はすべて重大なはく離を示しているのでしょうか？

A: 視覚的な異常すべてが廃棄を意味するわけではありません。小さな白斑（メイズリング）は、剥離を必ずしも引き起こすわけではありませんが、広がりがないか常に監視してください。変色は湿気が封じ込められているサインであることが多く、組立を続ける前に根本原因を対処してください。

Q: メイズリング、クラジング、および層間剥離の違いは何ですか？

A: メイズリングとは小さな白い斑点が形成される現象で、クラジิงは細かい亀裂の網目状の模様として現れ、層間剥離とはPCBの積層材内部や銅と基材の間に物理的な剥離やふくれ（水ぶくれ）が生じる現象です。

Q: 不適切な洗浄剤は層間剥離を引き起こすことがありますか？

A: はい。特に強力な溶剤は、PCBの表面層や層間の接着性を劣化させ、最終的に層間剥離を引き起こす可能性があります。

Q: なぜ特定の基板領域の方が他の領域よりも剥離しやすいのですか？

A: 剥離は、熱的または機械的な応力が集中する部分—エッジ、ビアの集積部、またははんだ付け用パッド周辺—特に導体密度が高い場所や層間の接着強度が低い場所で発生しやすくなります。

Q: PCBの入荷および出荷時の品質管理（QC）にどのような試験を組み込むべきですか？

A: すべての重要ロットにおいて潜在的および既存の剥離を評価するために、マイクロセクション分析、TMA、IST、SAM、およびはんだ浮上試験を使用してください。常に故障の種類を記録し、傾向を追跡することが重要です。

結論とベストプラクティスのまとめ

PCBは高精度で加工された電子部品です。材料の選定や保管、工程管理、完成品の真空包装および保管に対して非常に高い要求と基準があります。層間剥離（デラミネーション）は、湿気、材料の選定、製造プロセスの不良、不適切な熱処理などに起因する複雑な故障メカニズムです。大規模な層間剥離、突然の現場故障、リコール事故などの悲劇は、すべてこれらのPCB層間剥離の主な原因に由来しています。問題を特定した後は、適切な対策を選び、損失を可能な限り最小限に抑えることが重要です。

層間剥離防止チェックリスト：

• 常に、特定の工程温度に適した、正しく認証されたTg値を持つ基板材料を使用してください。

• 積層材の保管方法および保管場所を厳密に管理し、すべてのPCBが —入庫時も出庫時も—厳しい気候管理ルールに従って取り扱われていることを確認してください。

• 湿度の監視を設定し、特に湿気を吸収している可能性のある基板については、事前のベーク工程を省略しないでください。

• プロセスおよび材料に関して確かな認証を持つサプライヤーを選定し、定期的に現状を確認してください。

• はく離が何か、そしてそれを防ぐ方法について、基板を取り扱ったり組み立てたりするすべてのスタッフに教育を行ってください。 つまり、見た目や動作に異常があるかどうかを的確に見極め、報告できるように指導することを意味します。

• 通常の工程チェックおよび最終品質管理の一環として、はく離の有無を確認するための堅牢で信頼性の高いテストを実施してください。