金属塩とは？絶縁抵抗不良を引き起こしうる『金属塩』の洗浄について発生メカニズムや確認・分析方法を解説

電子デバイスの小型化・高密度化が進み、近年ではAIによる自動制御や複合通信を活用した多角的な運用も進展しています。こうした中で、電子デバイスに求められる信頼性は一層重要性を増しています。

その中で、従来では想定されなかったトラブル原因の一つが意図しない金属塩です。はんだ付け工程において金属塩の形成は、はんだの接合を成立させるために必須な反応ですが、接合に寄与しない「意図しない金属塩」が副反応として生じるケースがあります。金属塩はウォーターマークのような白いシミのように見える場合や、目視できない形で残ることもあり、課題を困難にしています。

本記事では、「意図しない金属塩」の発生要因から不良へと繋がるプロセス要因について解説します。さらに、金属塩残渣の確認・分析方法・効果的な洗浄プロセス、そしてよくある質問までご紹介します。
フラックス残渣とは？フラックス残渣の種類と分析方法

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1. 金属塩とは

フラックス洗浄において金属塩とは、金属を主体とした除去対象成分の総称となり、以下の2種で大別されます。

イオン性結合を有しているもの
金属酸化物として構成されているもの

Pbフリー化が果たされて以来Sn（スズ）を主体とした金属塩が問題となってしまう事例が時折報告されていましたが、近年では合金組成の多様化に加え、活性剤成分がハロゲンから有機酸へとシフトしたことで金属塩形成のプロセスは複雑化しており、結果的に洗浄難度を高める要因となっています。

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1.2 発生する金属塩の種類

種類	① 合金の酸化物	② 合金と活性剤との化合物	③ 合金同士の金属化合物
成分	SnO CuO Cu₂Oなど	はんだペーストにハロゲンを使用している場合： SnBr₂　SnI₂　など
成分	SnO CuO Cu₂Oなど	はんだペーストに有機酸系を使用している場合：有機金属化合物としての形態

1.3　金属塩の発生メカニズム

上図に示すように活性剤として振る舞う「有機酸」は本来銅表面を還元し、「銅との金属塩」を形成することで、はんだ合金へ銅を導く役割を果たしています。誤解されているケースが多く見受けられますが、金属塩形成ははんだの接合には必須な技術となります。

では、なぜ金属塩が問題となるのかというと、『意図しない金属塩の形成』が伴ってしまうことにあります。

有機酸が作用する相手を銅だけに集中させる事は実質困難で、余剰反応（副反応）として合金中の最も酸化されやすいSnをターゲットとして各種の金属塩を形成してしまう反応も同時に生じます。よって金属塩形成を完全制御することはできません。

金属塩の問題が顕著になっている背景としては、以下の3点が挙げられます。

熱経時への耐性
微細接合性の安定化
合金組成の複合化

接合強度の向上には活性剤量を増加させることが不可欠となりますが、有機酸の相対量が増加するため余剰反応の割合も同時に増加傾向となります。また、問題となる金属塩はSn（スズ）が主体ですが、近年ではBi（ビスマス）やSb（アンチモン）とったレアメタル系の金属もはんだ合金の素材の1つとして使用されており、形成される金属塩種はより複雑化しております。

2. 絶縁不良を引き起こしうる課題

多くの金属塩はイオン化することで「導電性」を有します。
また、酸化物は吸湿性を有していることもあり金属表面の腐食を誘発する可能性もあるため、下記のような不良の要因となりえます。

最大の懸念事項としては金属塩の種類・残存量によっては外観観察では判別が難しいため、知らず知らずのうちに金属塩を見過ごしてしまう可能性があることです。見えないコンタミネーションへの対応は非常に難解となります。

金属塩残渣はその種類・残存量によっては外観では確認が難しく、気づかないまま不具合へと発展するケースも少なくありません。「自社の基板に金属塩が残留していないか確認したい」「白いシミの正体を特定したい」といった場合は、まずゼストロンの分析サービスにご相談ください。
金属塩残渣を分析してもらう

2.1 マイグレーション

マイグレーションとは、導電部間に電解液が存在する状態で電圧が印加された際に、陽極から陰極へ金属イオンが移動し、陰極に金属が析出する現象です。この析出した金属が樹枝状に成長すると、電極間が短絡（ショート）し、回路の誤動作や故障に繋がります。

特に、フラックス残渣に含まれるイオン成分が水分を吸湿して電解質溶液となることでマイグレーションを助長するため、金属塩残渣が問題となるケースが多く存在します。

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2.2 導通不良

金属塩の種類によっては大気中の温度・湿度の影響を受けただけでも導電性を有する場合があります。また高密度実装部はもともとの絶縁特性がシビアなため、わずかな金属塩残渣による影響も受けやすいケースが見受けられます。

2.3 接合不良

金属塩は銅・アルミといった接合表面においては「物理的障害」となりますので、
ワイヤーボンディングへの接合性歩留まりへの悪影響も見受けられます。

3. 金属塩残渣の確認・分析方法

3.1 外観観察

金属塩残渣の確認には、まず「外観観察」が手軽で一般的です。
目視や顕微鏡を用いて、白いシミや結晶状の残渣を確認します。

3.2 SEM/EDS(EDX)　走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型X線分析装置

由来が不明の残渣・より詳細な分析には、「SEM-EDX（走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分析）」が有効です。
SEM-EDSは、対象物質に電子線を照射し、発生する特性X線を検出することで、微小物の詳細な形状観察と元素分析を同時に行うことができ、残渣の構成元素を特定し、金属塩の有無や種類を判断することが可能です。

JSM-IT710HR　(日本電子製)

残渣の分析事例

残渣中には塩形成および、外因のコンタミネーション混入が示唆される。

今回の分析事例では、SEM-EDSによる元素分析によって残渣の構成成分と外因コンタミネーションの混入が確認されました。このように、目視では判断できない残渣の正体も、SEM-EDSを用いることで元素レベルで特定することが可能です。自社基板の残渣が金属塩かどうか判断がつかない場合や、残渣の種類を詳しく調べたい場合は、ゼストロンの分析サービスをご活用ください。
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3.3 蛍光X線

蛍光線は電子線と比較し特に重金属元素の検出感度が高く、マッピング測定用途としても優れているため、金属塩の検出には最適な分析装置と言えます。

測定協力：ブルカージャパン様　 / 　サンプル作成協力：弘輝様

M4 TORNADO PLUS
BRUKER製

フラックス残渣中にもSnの分布が確認できます。
※上記画像：Sn-Lα

4. 金属塩洗浄のポイント

4.1 可視出来ない『金属塩』残渣もある

金属塩はフラックス残渣中以外の場所にも分布しており、目視だけでの判断を行った場合、十分な清浄度確認ができない可能性が高いと言えます。
よって、洗浄検討段階ではSEM-EDSなどを用いた化学分析を伴った評価を実施することが望ましいです。

測定協力：日本電子様、サンプル作成協力：弘輝様

4.2 無洗浄はんだにおける金属塩の洗浄

金属塩形成はフラックス残渣内部でも生じており、フラックス残渣中の有機物成分と複合化しています。
特に無洗浄はんだでは、残渣の安定化が前提となっているため、洗浄による除去が難しく、洗浄性の確保が大きな課題となります。

また、金属塩の除去に加え、アミド化合物やポリマーなどの難溶性物質にも対応する必要があります。金属塩の多くはイオン性物質としての性質を持ち、水系洗浄剤のような極性のある洗浄剤によって洗浄効果が期待できます。

一方で、アミド化合物やポリマーといった物質の除去には、脂溶性の高い特性が求められるため、洗浄剤には相反する溶解特性（親水性と親油性）を兼ね備えた性能が求められます。これにより、多様なフラックス残渣成分に対応できる高機能洗浄剤の選定が重要となります。

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無洗浄はんだを使用しているのに、なぜ洗浄する必要性があるのか

5. よくあるご質問

金属塩は水溶性？
水に溶解する物質が多いですが、溶解しない塩もあります。
有機溶剤への分散性は不安定で、その多くは難溶となります。溶剤系洗浄剤における金属塩洗浄は、基本的に物理力による分散が主要です。
特に洗浄しにくい金属塩にはどのようなものがある？

洗浄がしにくい金属塩としては、特にビスマス塩（Bi塩）が挙げられます。
これまでのお客様の事例や当社の基礎研究データからも、Bi塩が形成された場合は洗浄性が低下する傾向があることが確認されています。

また、スズ塩（Sn塩）についても注意が必要です。
単純なスズ塩であれば比較的除去しやすい場合もありますが、有機金属化合物を含むスズ化合物になると、洗浄が難しくなる傾向があります。

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溶剤系洗浄剤では金属塩は洗浄できない？

脂溶性が高い洗浄剤（溶剤系洗浄剤など）は「無極性」の作用が高い洗浄剤と言え、「極性」物質の性質を有する金属塩に対して十分な洗浄性を得ることは難しいです。

また溶剤系洗浄剤の1つの利点である蒸留再生では、イオン成分の完全な精製は難しいのが実情です。よって洗浄剤の交換頻度を高め、常にイオン成分を低濃度に保つことができれば分散作用を利用した洗浄は可能であるといえます。

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