BGAはんだ接合部の欠陥解析とプロセス改善

イントロダクション

ボール グリッド アレイ (BGA) パッケージングは​​、特に 1990 年代初頭に導入されて以来、エレクトロニクス業界で重要な技術として浮上してきました。従来のリード付きパッケージのデバイス ピンの数が増加し、リード間隔が大幅に減少したため、このパッケージング方法が必要になりました。これにより、デバイスのはんだ付け時の製造性と信頼性が課題となり、最小間隔は 0.3 mm (12 ミル) にも達しました。これらの問題に対処するために、同様のサイズのクアッド フラット パッケージ (QFP) と比較してより多くのピン数を可能にする BGA テクノロジが開発されました。

BGA デバイスは、チップの下のはんだボールをピンとして機能させます。これらのはんだボールのピッチが大きいため、組み立てが容易になり、はんだ付けの適合率と初回成功率が大幅に向上します。

BGA パッケージの一般的なタイプは 2 つで、民生品や通信機器でよく使われるプラスチック BGA (PBGA) と、軍事用途で使われるセラミックBGA ( CBGA) です。PBGA デバイスでは、共晶はんだとして、はんだボールの組成は 63% の錫 (Sn) と 37% の鉛 (Pb) を含むことが多いのに対し、CBGA デバイスでは、10% の Pb と 90% の Sn からなる高温非共晶はんだを使用します。BGA 技術の進化により、マイクロ BGA (μBGA) またはチップ スケール パッケージ (CSP) と呼ばれる小型 BGA も開発され、はんだボール ピッチは 0.3mm (12mil) まで小さく、はんだボール 間隔は 0.5mm (12mil) まで小さくなっています。

この記事では、物議を醸している欠陥であるボイドに特に焦点を当てて、BGA はんだ接合部の合格基準、欠陥性能、および信頼性について検討します。また、BGAはんだ接合部の品質向上を目的としたプロセス改善のご提案もさせていただきます。

BGAはんだ付け品質の検査

ボールグリッドアレイ（BGA）のはんだ接合部の品質検査は、電子機器の信頼性と機能性を確保する上で極めて重要です。BGAパッケージは、はんだボールがチップの下に配置されるという特殊な構造のため、従来の目視検査方法では不十分です。本節では、BGAのはんだ接合部の品質検査に関連する様々な技術と課題について詳しく解説します。

BGA はんだ接合検査における課題

1. アクセスできないはんだ接合部: 主な課題は、BGA のはんだ接合部にアクセスできないことです。はんだ接合部が露出しているスルーホールまたは表面実装コンポーネントとは異なり、BGA にはコンポーネントの下に隠れたはんだボールがあります。これにより、関節を直接目視で検査することができなくなります。
2. 限られたスペース: BGA はコンパクトな設計なので、検査ツールや検査技術を導入する余地はほとんどありません。はんだボール間のピッチが狭いため、個々の接合部にアクセスして検査することが困難になります。
3. 複雑： 電子デバイスには多くの場合、複数の BGA が含まれており、それぞれの BGA には多数のはんだ接合が付いています。これらすべての関節を包括的かつ効率的に検査することは、困難な作業となる可能性があります。
4. 欠陥の特定: BGA はんだ接合部内の亀裂、ボイド、不完全な濡れなどの欠陥を特定するには、特殊な機器と専門知識が必要です。

BGAはんだ接合部の品質と信頼性を確保するには、効果的な検査技術が必要です。詳細については、「デジタル顕微鏡を用いた溶接検査の必要性：検査方法の説明｜アクティブウェーブデジタル顕微鏡」を参照してください。

BGA はんだ接合部の検査テクニック

これらの課題を克服するために、BGA はんだ接合部の品質を評価するためのさまざまな検査技術とツールが開発されました。これらの方法には次のものが含まれます。

1. X線検査:

X 線検査は、BGA のはんだ接合品質を評価するために最も広く使用されている方法です。これは、BGA パッケージの内部を確認し、はんだ接合部の完全性を評価するための非破壊的な方法を提供します。 X 線検査には主に 2 つの種類があります。

• 2D X 線撮影: この技術では、BGA アセンブリの 2D X 線画像を取得します。コスト効率が高く、ボイドや不十分なはんだなどの問題を特定できます。ただし、PCB の両面にコンポーネントが存在する場合は、はんだの影が重なり合う可能性があり、欠陥を正確に特定することが困難になります。
• X線断層撮影: 3D X 線またはコンピューター断層撮影 (CT) とも呼ばれる X 線断層撮影は、より高度なソリューションを提供します。 BGA の断面画像を作成し、はんだ接合部を XNUMX 次元で詳細に解析できます。この技術により、優れた欠陥検出と位置特定が可能になります。

2. 光学検査:

光学検査方法では、カメラ、顕微鏡、または内視鏡を使用して、BGA のはんだ接合部を視覚的に評価します。 X 線検査ほど強力ではありませんが、光学的方法は表面の欠陥や凹凸を特定するのに役立ちます。ただし、はんだ接合部内の隠れた欠陥は検出できない場合があります。

3.超音波検査:

超音波検査技術では、音波を使用して BGA はんだ接合部の構造的完全性を評価します。超音波はパッケージを透過し、空隙や層間剥離の存在などの内部構造に関する情報を提供します。この方法は、はんだ接合部の機械的強度に影響を与える欠陥を検出するのに特に役立ちます。

4. 熱画像処理:

熱画像カメラは、リフローはんだ付け中の BGA アセンブリ全体の温度の変化を検出できます。温度プロファイルの異常は、不十分なはんだや冷えたはんだ接合などの欠陥を示している可能性があります。この方法は製造プロセスでは有効ですが、はんだ付け後の検査には適さない場合があります。

自動検査装置の役割

自動検査装置は、現代のエレクトロニクス製造、特に複雑な BGA アセンブリを扱う場合には不可欠なものとなっています。これらのマシンは複数の BGA を迅速にスキャンして分析できるため、一貫した品質管理が保証されます。自動 BGA 検査装置の主な特徴は次のとおりです。

• 高速スキャン: 自動化システムにより多数の BGA を迅速に検査できるため、生産時間とコストが削減されます。
• 欠陥の認識: 高度なマシン ビジョン システムは、ボイド、亀裂、はんだボールの凹凸などの欠陥を高精度で特定し、分類できます。
• データ解析： 自動検査装置は包括的なレポートとデータを生成し、メーカーが欠陥を追跡し、傾向を特定し、はんだ付けプロセスを改善できるようにします。
• 統合のしやすさ： これらのシステムは生産ラインにシームレスに統合でき、検査プロセスを合理化します。
• 品質保証： 自動検査により人的ミスのリスクが最小限に抑えられ、すべての BGA にわたって一貫した品質が保証されます。

BGA はんだ接合部の合格基準

BGA はんだ接合の品質を正確に評価するには、明確な合格基準が不可欠です。 IPC-A-610C は、BGA はんだ接合の受け入れに関する特定のガイドラインを提供します。推奨される BGA はんだ接合は、特定の特性を示す必要があります。つまり、滑らかで、丸く、明確な境界があり、ボイドがない必要があります。すべてのはんだ接合部の直径、体積、グレースケール、コントラストが一貫しており、位置が揃っており、オフセット、ねじれ、はんだボールがないことが必要です。

推奨基準は高いハードルを設定していますが、認定されたはんだ接合にはわずかに緩和された基準が適用されます。位置が揃っている場合、BGA のはんだ接合にはパッドに対して最大 25% のオフセットが生じる場合があります。はんだボールは、最も近いはんだボール間の距離の 25% を超えてはなりません。

BGA はんだ接合部の典型的な欠陥

合格基準を遵守しているにもかかわらず、BGA のはんだ接合にはさまざまな欠陥が見られる場合があります。これらの欠陥には次のようなものがあります。

1. はんだ接合部：これらは、はんだが適切に接合されず、断線または接続不良が発生した場合に発生します。
2. 開回路: はんだ接合部が完全に破損すると開回路が発生し、電気接続が中断されます。
3. はんだボールの欠落: はんだボールが不完全または欠落していると、接続の信頼性が低下する可能性があります。
4. 大きな空隙: はんだ接合内のボイドは、その構造的完全性を弱め、潜在的に故障につながる可能性があります。
5. 大型はんだボール: はんだボールが大きすぎると、接続が不規則になり、隣接するコンポーネントに干渉する可能性があります。
6. あいまいなエッジ: はんだ接合部の境界が不十分に定義されている場合、はんだ付けが最適ではない可能性があります。

物議を醸す欠陥 – Void

BGA のはんだ接合に関して依然として議論の対象となっている側面の 1 つは、ボイドの許容基準です。ボイドとは、はんだ接合部内の空のスペースまたは空洞です。ボイドは BGA に特有のものではなく、他のパッケージ タイプのはんだ接合に影響を与える可能性がありますが、BGA にとっては特別な課題となります。他のパッケージとは異なり、BGA のはんだ接合はすべてチップの下に隠れているため、X 線検査がボイド検出の主な方法となっています。

BGA の信頼性に対するボイドの影響は、不確実性と論争の問題です。避けられない小さなボイドが実際に信頼性を高める可能性があると主張する人もいます。 「BGA を実現するための設計および組立プロセス」と題された IPC-7095 規格は、限られたボイドの潜在的な利点を認めていますが、許容可能なボイド サイズを決定するための定義された規格の必要性を強調しています。

ボイドの位置と原因

BGA はんだ接合部のボイドは、次の 3 つの主要な層に現れることがあります。

1. コンポーネント層: この層は BGA コンポーネントに最も近く、リフローはんだ付け中に気泡や揮発したフラックスガスによりボイドが発生することがよくあります。
2. パッド層: この層のボイドは、パッドに塗布されたはんだペースト内のフラックスが揮発することで発生し、冷却後にガスが抜けてボイドが形成されることが原因である可能性があります。
3. はんだボール層: はんだボールのボイドは、はんだ付け前に発生する可能性があります。これは、はんだボールの製造プロセス、はんだペーストの材料の問題、または回路基板の設計が原因である可能性があります。

たとえば、パッドの下にビアホールが設計されている場合、はんだ付け中に外部からの空気がビアホールを通って溶融したはんだボールに侵入する可能性があります。これにより、はんだ付けプロセスが完了し、はんだが冷えると、はんだボール内にボイドが生じる可能性があります。

はんだ付け時のリフロー温度プロファイルは、ボイドの形成に重要な役割を果たします。 63% Sn と 37% Pb のような共晶はんだ組成はボイドが発生しやすくなりますが、10% Pb と 90% Sn のような高融点組成のはんだボール (融点が 302°C) はボイドが発生しにくい傾向があります。フローはんだ付けプロセス中に溶けないため、ボイドが発生しません。

無効な受け入れ基準

はんだ接合部内にボイドが存在すると、熱サイクル中に応力が発生し、収縮や膨張が発生する可能性があります。ボイドの位置とサイズは、はんだ接合の信頼性に影響を与える可能性があります。ただし、ボイドははんだ接合部内に余分なスペースを提供することで機械的ストレスを軽減することもできます。

IPC-7095 では、ボイドの位置とサイズの両方を考慮したボイドの具体的な許容基準を概説しています。はんだボール、パッド層、またはコンポーネント層内の位置に関係なく、ボイドのサイズと量が品質と信頼性への影響を決定します。はんだボール内の小さなボイドは許容されますが、はんだボールのスペースに対するボイドのスペースが重要な要素となります。たとえば、はんだボールの直径の 50% の直径を持つボイドは、はんだボールの面積の 25% を占めます。

IPC 規格では、パッド層のボイドがはんだボールの面積の 10% を超えてはならないと規定しています。 25% を超えるボイドは欠陥とみなされ、機械的および電気的信頼性にリスクが生じます。ボイドが 10% ～ 25% の範囲にある場合は、ボイドを排除または削減するためにプロセスを改善することをお勧めします。

プロセス改善のための結論と提案

BGA のはんだ付けを成功させるには、いくつかの重要な要素とベスト プラクティスの遵守が必要です。はんだ接合の品質を向上させ、欠陥を最小限に抑えるには、次の推奨事項を考慮する必要があります。

1. はんだペーストの品質: ペーストとコンポーネントを正確に配置して、均一に撹拌された新鮮なはんだペーストを使用してください。
2. コンポーネントの準備: プラスチックパッケージの PBGA デバイスの場合、はんだ付け前に 100°C で 6 ～ 8 時間、できれば窒素を使用して予備乾燥すると効果的です。
3. リフロー温度プロファイル: 均一な加熱と完全なはんだ溶解を確保するために、リフロー温度プロファイルを慎重に設計してください。温度プロファイルが不適切であると、はんだ接合が冷えたり、溶けが不完全になったりする可能性があります。
4. はんだペーストアプリケーション: デバイスを一時的に固定し、はんだブリッジを防止するために、粘度を考慮して適切な量のはんだペーストを塗布します。
5. 均一なパッ​​ド設計: BGA パッケージ用の PCB パッドを均一なサイズで設計し、パッドの下の設計プロセスを回避します。パッドの下のプロセスが必要な場合は、適切な PCB メーカーを使用し、大小のパッド間で錫の量と高さが異なることを防ぐために適切なビアホール設計を確保してください。
6. はんだマスクの品質: BGA はんだ付けする前に、パッド周囲のはんだマスクの品質を確認し、ビアがバリア フィルムでコーティングされていることを確認してください。製造中に PCB の反対側にソルダー レジスト フィルムを追加しても効果がなく、仮想ショートや短絡などの問題が発生する可能性があります。

これらの推奨事項に取り組み、BGA のはんだ付け前に十分な準備を行うことで、欠陥を最小限に抑え、高い合格率を達成できます。最終的な目標は、再加工に頼ることなく欠陥を排除し、BGA はんだ接合部の最高レベルの品質と信頼性を保証することです。

この要件が調達または生産リリースに影響を与える場合は、最終ファイルをレビューに送付する前に、PCB品質保証プロセス、マイクロビアおよびHDI設計と比較してください。