欧州連合（EU）が2003年12月に「鉛フリー」を正式に法制化して以来、世界の電子機器業界は強い衝撃を受けた。2006年7月までに、廃電気電子機器（WEEE）および有害物質使用制限（RoHS）に関するEU指令が施行された。同時に、日本電子情報技術産業協会（JEITA）および米国電気機器工業会（NEMA）による電子包装業界向けの鉛フリーおよびハロゲンフリー規則も発効した。これ以降、上市される電子製品は、鉛、水銀、カドミウム、六価クロム、制限量のポリ臭化ビフェニル（PBB）またはポリ臭化ジフェニルエーテル（PBDE）およびその他の有害物質を含有してはならない。この変化は、PCBセクターを含むグローバルサプライチェーンと関連産業の発展に影響を与える。この記事では、原材料の管理、鉛フリープロセスの選択と管理、SMT最終組立に渡って、次世代のPCB製品がますます厳しくなる環境規則にどのように対応できるかを説明します。.
1.原材料の選択と管理
水銀、カドミウム、六価クロムがPCB産業でほとんど使用されていないことはよく知られている。ウェット処理での微量を除けば、PCBメーカーが意図的にこれらの元素を使用することはない。そのため、原材料や工程を選択する際には、鉛（Pb）とハロゲンレベルを制限値以下に抑えることが、基本的な環境規則を満たすための主な要件となる。PCB表面の金属仕上げでは、鉛フリー（0.1% Pb以下）が目標です。従来のPCBと きょくかんり 産業界では、HASLやソルダーペーストなど多くの鉛錫合金が使用されている。鉛は重金属元素であり、自然界に広く存在している。人間の鉛摂取量が安全レベルを超えると、貧血、カルシウム欠乏、免疫力低下などの症状が現れる。.
1.1 なぜ鉛フリーはんだを使うのか？
はんだに含まれる鉛の害：はんだに含まれる鉛は、規模によっては鉛の使用量全体に占める割合が小さくても、拡散する可能性があり、完全に回収するのは難しい。環境汚染と鉛中毒の心配が鉛離れを後押し。PCBでは、ハロゲン（フッ素F、塩素Cl、臭素Br、ヨウ素I）が主に積層板やインクに使用されている。.
1.2 素材スクリーニング
完成したPCBには、主に3つのグループ、すなわちラミネート（基材）、金属表面仕上げ層、インクが含まれる。.
1.2.1 ベース素材
などの一般的なラミネート FR-4 やCEM-3には多くの臭素化エポキシ樹脂が含まれている。これらの樹脂には、テトラブロモビスフェノールA、ポリ臭化ビフェニル、ポリ臭化ジフェニルエーテルが含まれることがある。これらの材料が燃焼すると、ダイオキシン（TCDD）やフランのような毒性の高い化合物を放出する可能性がある。このような化合物を人間が摂取した場合、体外に排出することは難しく、深刻な健康被害をもたらす。したがって、銅張積層板業界はハロゲン・フリーの基材に移行しなければならない。ハロゲン・フリーとは、塩素と臭素がともに約0.09%以下であることを意味する。臭素化エポキシ樹脂の代わりにリン含有エポキシ樹脂を使う。従来のジシアンジアミド系硬化剤の代わりに、窒素含有フェノール樹脂を使用する。.
また、環境に優しいラミネートは強い耐熱性を持たなければならない。変色、剥離、変形、反りなどを起こすことなく、260℃前後の鉛フリーSMTリフローサイクルに何度も耐えなければならない。.
1.2.2 表面金属層
現在、業界では、鉛-錫合金の代わりに、錫-銀-銅の配合（例えば、95.5Sn-3.9Ag-0.6Cu）の鉛フリーHASLが広く使用されています。鉛フリーのPCB表面コーティングは、良好な濡れ性と流動性を示さなければならない。また、熱応力が低く、高温でも酸化しにくいものでなければなりません。これは鉛フリーのSMT処理に役立ちます。HASLに使用されるフラックスも環境に優しく、リサイクル可能で、SMTフラックスと互換性があり、一緒にリフローできるものでなければなりません。.
1.2.3 インク
PCB上に残るインクには、ソルダーマスクインク、レジェンドインク、ビアフィルインクがある。インクの配合はラミネートの配合と似ている。主に樹脂、臭素系難燃剤、硬化剤が含まれている。最近のインキブランドの多くは、すでに有害物質を含まないインキを製造している。インクの選択は、環境規則を満たし、繰り返される高温鉛フリーSMTサイクルにも耐えなければならない。インクは、加工後に剥離したり、変色したり、剥がれたり、割れたりしてはならない。.
1.2.4 鉛フリー材料の管理
原材料の管理は、環境に優しいPCB製造のために非常に重要なリンクです。例えば、鉛入りはんだバーを誤って純錫ポットに加えると、大惨事になりかねません。フラックスのような間接材料からの残留物も無視できません。実際的な対策としては以下のようなものがある：
ハロゲンフリーおよび鉛フリー原材料の材料コードを設定する。.
カラーマークを使用し、承認された「グリーン」ラベルを外箱と内箱に印刷する。.
環境にやさしい材料を倉庫と生産現場で分けて保管する。生産現場でそれらを追加する特定のスタッフを割り当てる。.
グリーン・クオリファイド・サプライヤー」認証プログラムを実施する。.
2.鉛フリープロセスの選択と管理
PCB用の鉛フリー表面処理には、電解Ni/Au、無電解Ni/無電解Au、OSP（有機はんだ付け性保持剤）、無電解錫（化学錫）、無電解銀（化学銀）などがある。.
2.1 鉛フリープロセス導入のステップ
エンジニアリング設計→技術開発→信頼性評価→資材調達→プロジェクト実施と技術展開。.
2.2 プロセスの実施と管理
2.2.1 エンジニアリングCAMデザイン
環境に優しいプリント基板のためのプロジェクトレベルの設計は、SMTの後処理とアセンブリ後のPCB機能への影響を考慮する必要があります。CAM作業はSMTステップを考慮する必要があります。.
レイアウト設計例（配線とパッド形状）：
ウェーブはんだや選択はんだの際に部品が動くのを防ぐ。パッドの直径を少し小さくして、ブリッジのリスクを減らす。.
ウェーブはんだ付け時のQFPリードのブリッジを防ぐ。必要であれば、QFP 部品を傾けてダミーはんだエリアを設計してください。.
ソフトメルトチップの場合は、先のルールを守ること。保護フィルムの開口部は、内側の端の近くに置く。.
基板の反りを防ぐ：
基板の耐熱性をチェックする。水分下でのソフトメルトのピーク温度に注意。.
大きなボードや重い部品を載せるボードの場合は、反りを抑えるために中央にサポートエリアを用意する。.
部品を配置するときは、熱質量分布が均等になるようにする。.
薄い多層板や切り溝のある板は、ソフトメルトの熱で反りやすい。形状や大きさは慎重に検討すること。.
2.2.2 技術開発
プロセス開発と制御は、環境に優しいPCB製造のための重要な分野です。具体的なアクションは以下の通りです：
環境に優しい素材とそうでない素材を同じラインで流さない。現像と最終洗浄などの工程を分ける。.
MI（製造指示書）シートにエコ製品をマークする。鉛フリー工程を確認する署名を義務付け、作業者に注意を促す。.
目に見えるラベルで、エコ製品の生産ツールや備品を明白にする。.
インクは繰り返される高温の鉛フリーSMTに耐えなければならない。前処理と基板の乾燥は非常に重要です。HASLや鉛フリーSMTの後、穴の縁でインクが剥がれることがあります。これは、穴の中や表面に残った水分に起因することが多い。高熱下では水分が膨張し、インクと銅が分離します。.
ソルダーマスクインクにシンナーを加えないでください。これは、高熱下で穴の中で溶剤が早く蒸発し、穴が損傷するのを防ぐためです。.
HASLはんだポット中の銅含有量を0.85%以下に保つ。.
2.2.3 信頼性評価
非エコPCBに比べ、エコPCBはより強い信頼性テストが必要です。これらのテストを追加してください：
はんだ付け性試験。製造時に使用するのと同じ種類の鉛フリーはんだを使用してください。.
熱衝撃試験条件-40 °C / 85 °C / 125 °C。3000サイクル後、亀裂がないこと。.
熱サイクル試験。クラックや収縮ボイドはない。.
湿熱試験。条件：60 °C, 90-95% RH, 500 時間。長時間の高温高湿下において、金属ヒゲのようなものが発生しないこと。.
3.SMT最終組立における環境に優しいPCB
3.1 鉛フリーSMT特性
鉛フリーはんだは融点が高い。濡れ性と流動性が低く、熱応力が高く、濡れ性が悪く、酸化しやすい。このため、より厳しい製造条件と品質管理が必要となる。.
3.1.1 SMTライン設計
プリヒート温度を上げる。SMTライン速度を約1.2～1.8m/minに制御する。コンベアの傾きを3～5度に設定する。SMTエリアが安定した温度に保たれるよう、必要に応じて熱補償を行う。.
良好な濡れ性を確保するため、適切な予熱温度範囲を保つ。.
はんだポットと熱制御：
基板上の部品表面温度は保証された温度限界以下に保たなければならないが、基板裏面は約250℃に達する可能性がある。波と波の間の温度降下が約55℃以内に収まるように、加熱ステージ間の距離を短くする。.
Sn-Ag-Cuはんだを使用する場合、第1波を使用しないことも可能である。.
3.1.2 手動リワークはんだ付け
はんだごての温度を約370±10 °Cに設定する。クロムメッキのこて先を使用する。接触時間が3秒など短い場合は、80 Wのコテを使用する。基板を50～60 °Cに予熱する。はんだごてを長期間使用しない場合は、こて先の汚れを除去する。酸化を防ぐため、こて先を新しいはんだで濡らし、電源を切る。.
3.1.3 窒素保護の使用とその利点
プロセスの雰囲気を改善する。.
部品リードの酸化を抑え、はんだ濡れを改善する。.
鉛フリーのジョイントは光沢が少ないため、外観が向上する。.
鉛フリープロセスにおける長時間の高温曝露による変色を低減する。.
3.2 研究と特別なプロセス
3.2.1 特殊な場合のオプションとして、125℃以下の低融点はんだを検討する。.
3.2.2 特定の部品を240～260 °Cではんだ付けするには、局所加熱法（スポット加熱、赤外線、RF）を使用する。部品は40秒以上熱に耐える必要がある。局所加熱手段には、レーザー、キセノンフラッシュ（非接触）、ホットスライダー、パルスヒーター（接触）などがある。.
3.2.3 以下のような基準に従う ISO14000 と顧客のプロセス仕様に対応している。環境に配慮した取り組みには、鉛フリー、ハロゲンフリーの材料、空気浄化、約90%のフラックスをろ過してリサイクルできるフラックス回収システムなどがあります。.
3.2.4 PCBに対して必要な場合には、防カビ・防蟻対策を行う。.
3.2.5 リサイクル可能で生分解性のある有機PCB基板を研究し、適用する。.
4.エンジニアと生産チームのための要約チェックリスト
すべての原材料の分析証明書（COA）を確認する。ハロゲンと鉛のレベルが制限値以下であることを確認する。監査のためにCOAファイルを保管する。.
鉛を含まない材料とハロゲンを含まない材料は別々に保管し、明確なラベルを使用する。二次汚染を避けるためにスタッフを教育する。.
鉛フリープロセス用にCADとCAMのルールを更新する。必要に応じてパッドサイズとソルダーマスクオープニングを調整する。.
試運転を行い、はんだ付け性、熱衝撃、熱サイクル、湿熱試験を評価する。結果を追跡し、ベースラインと比較する。.
HASL浴の組成を管理し、銅の含有量をモニターする。メッキと洗浄工程を適切に管理する。.
SMTラインの予熱ゾーンが安定していることを確認する。酸化を抑えるため、可能な限り窒素を使用する。.
高温工程の前に水分を除去するため、乾燥とベークアウトの工程を改善する。基材の乾燥には制御されたオーブンを使用する。.
コンフォーマルコーティングは、製品の使用や環境において、より高い防湿性が要求される場合に施す。.
サプライヤー監査を維持し、グリーン認定サプライヤーのみを承認する。RoHSおよびハロゲンフリーの宣言をサプライヤーに求める。.
使用済み製品のリサイクルを計画する。可能であれば、分解と材料回収のための設計を行う。.
5.最終ノート
RoHS規則への対応は、単なる材料の変更ではありません。サプライチェーン全体にわたる変更です。材料の選択、工場の工程管理、製品設計、最終組み立てに影響します。また、テストや長期信頼性作業にも変更が生じます。チームは慎重に計画を立て、段階を踏んで行動しなければならない。厳格な材料管理とCAM設計から始める。安定した鉛フリープロセスを開発する。徹底した信頼性テストを実施する。作業者を訓練し、明確な記録を残す。これらのステップにより、PCBメーカーは、顧客と環境のために、RoHSに準拠した信頼性の高い製品を提供することができます。.
