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プリント基板実装におけるボトムフィル技術の適用
ボトムフィリングは、毛細管流動理論に基づく流動性ボトムフィリングと、非流動性ボトムフィリングに分類することができる。現在までのところ、チップに適したボトムフィリング技術はBGA、CSP などには主に以下が含まれる：毛細管ボトムフィル技術、SMT ホットメルト接着シート技術、ACA（異方性導電接着剤）および ACF（異方性導電フィルム）技術、ESC（エポキシ封止はんだ接続）技術など。毛細管ボトムフィル技術および SMT ホットメルト接着シート技術では、はんだフラックスとフィラーは互いに独立しているが、ACA・ACF 技術および ESC 技術では、はんだフラックスとフィラーは一体化されている。
毛細管ボトムフィリング技術
毛細管流動の理論は次のようなものです。液状エポキシ樹脂のような流動性に優れた液体を BGA や CSP チップの周囲に滴下すると、毛細管現象によってチップ底面と PCB の間の空間に液状樹脂が吸い上げられます。その後、加熱または紫外線硬化の方法によって樹脂とはんだ付けされたチップおよび PCB を一体化させることで、はんだ接合部を保護し、応力による損傷を低減し、はんだ接合部の信頼性を高めます。
毛細管アンダーフィル技術は、PCB チップのアンダーフィルおよびフリップチップパッケージングの分野に適用される。アンダーフィル技術を用いることで、チップ底部のはんだボール接合部が受ける応力を分散させ、PCB 全体の信頼性を向上させることができる。毛細管アンダーフィルのプロセスは、以下のように実施される。まず、BGA や CSP などの表面実装チップを、はんだペーストが印刷された PCB 上に実装する。その後、リフローはんだ付けを行い、合金接続を形成する。チップのはんだ付け後、ディスペンス技術を用いて、チップ底部の一辺または二辺からアンダーフィル材を充填する。充填材はチップ底部を流れ、チップと PCB の間の空間を満たす。毛細管アンダーフィルは信頼性を大幅に向上させることが可能であるが、このプロセスを完了するためには、アンダーフィル材を充填する装置、装置組立用の十分な工場スペース、そして繊細な作業を行うことができる作業者が必要となる。さらに、毛細管アンダーフィル技術は、〜までは実施することができない。PCB組立が完了しており、操作が難しい、大量の時間とエネルギーを消費する、充填量の制御が困難であるといった欠点も有している。そのため、毛細管ボトムフィル技術は、一部の重要なチップや、熱膨張係数がPCB基板と極端に異なるチップにのみ適用されており、PCB実装において毛細管ボトムフィル技術が大量に適用されることはない。
SMTホットメルト接着シート技術
規定に従いRoHSおよび WEEE、SMTホットメルト接着シート技術は、無毒、ハロゲンフリー、重金属残渣なし、優れた絶縁性、標準および高精度サイズに対応した外形寸法、光学式位置決め実装に便利であるといった特長と利点を有しています。SMTホットメルト接着シートは、PCBとBGAまたはCSPの間に実装することができ、通常の鉛入りまたは鉛フリーはんだ付けクラフト。溶融の過程において、接着シートははんだの影響を受けず、溶剤の揮発がないことや洗浄の必要がないといった特性により、理想的なPCB充填材料としての地位を確立している。SMTホットメルト接着シート技術のプロセスフロー図を以下の図1に示す。
図1
図1に基づくと、SMTホットメルト接着シート技術の適用とは、ICチップ実装の前にホットメルト接着シートの実装工程を追加することを意味します。つまり、アンダーフィルが必要なBGAおよびCSPチップには、ICチップ実装に先立ってホットメルト接着シートが実装されます。最終的には、リフローはんだ付け工程においてチップのはんだ付けとアンダーフィルが同時に完了し、再充填の工程を省略できます。これは、小ロット生産のPCBにおけるアンダーフィルに非常に適しています。
ACA と ACF テクノロジー
ACA および ACF 技術は、はんだ付けとボトムフィルを同時に完了することで、工程数とコストを削減します。ACA と ACF はどちらも導電性接着剤であり、一般的にマトリックス樹脂と導電性充填材で構成され、ICA（等方性導電接着剤）と ACA（異方性導電接着剤）に分類されます。ACA は充填型の導電接着剤の一種であり、電気的接続を完了しながらボトムフィルを仕上げることができます。形態の違いに基づき、ACA はゲル状タイプとフィルム状タイプに分類されます。一般的に、フィルム状タイプの ACA は異方性導電フィルム（ACF）とも呼ばれます。ACA は Z 軸方向には導電性を持ちますが、X 軸および Y 軸方向には導電性を持ちません。導電性粒子層の上には絶縁層が設けられており、粒子同士は導通しません。チップバンプと PCB 基板パッドの間で粒子に応力が加わり、その結果として絶縁層が破壊されたときにのみ、Z 軸方向の導電性が確保されます。
ESCテクノロジー
ESC技術は、epoxy encapsulated solder connection technology（エポキシ封止はんだ接続技術）の略で、「ペースト粒子＋樹脂」のペースト材料を用いてACFの代わりとする新しいタイプの技術です。ESC技術のプロセスフローは、まずPCBパッド上にソルダーペースト樹脂接着剤を滴下することから始まります。次に、チップバンプをPCBのパッドと位置合わせして実装します。最後に、加熱および加圧によってはんだ付けと樹脂の硬化を完了させます。
ボトムフィリングの改訂
現在の技術では、供給されるチップの良好な状態を十分に保証できず、一部の不良チップはPCBテストまで発見されないため、リワークや交換の必要性が非常に高くなっています。もしPCBチップの底部充填材が優れた耐熱性と不溶性を有している場合、リワークはより困難になり、場合によってはPCB全体を廃棄せざるを得ないこともあります。底部充填材のエポキシ樹脂に弱い化学結合を導入すれば、硬化後に加熱または化学試薬の添加によって樹脂を分解させることができ、底部充填のリワークをはるかに容易にすることができます。
PCBにおけるボトムフィル技術の適用は、BGA や CSP など一部のチップのはんだ接合部の強度を高め、落下耐性、耐熱サイクル性能および PCB の信頼性を向上させることができます。そのため、将来的には PCB 実装において大規模に適用されることになります。