核心的な問題：1枚のボードに対する2つの互換性のないペースト要件
産業用途向けの電力変換ボード――モータドライブ、DC-DCモジュール、絶縁ゲートドライバプラットフォーム――では、通常 3～6オンスの銅層を組み合わせて使用します銅細ピッチのロジックにペーストを印刷します。1 枚の基板上に、0.5 mm ピッチの BGA デバイスと、TO-263 または D²PAK コンポーネント用の 8 mm² の電源パッドを並べて実装する場合があります。これら 2 つの形状は、必要とされるペースト量が互いに直接矛盾しており、単一厚さのステンシルでは両方を満たすことはできません。
標準的150µmステンシルでは、物理法則は容赦がありません。
ファインピッチBGAパッド正しいペースト高さを得るには、開口部の面積比が0.66以上に保たれている場合に限られます。0.5 mmピッチでは、多くの場合、開口部はすでに限界ぎりぎりになっています。
パワーパッド同じステンシル上では不足している。6 mm² のサーマルパッド上に 150 µm のデポジットでは、ケース温度 85°C で動作するコンバータの周期的な熱ストレスに耐えるのに十分なはんだ量が得られない。
電源パッド上の過剰なペースト（電源パッドの形状に合わせてステンシルを開口することで）、リフロー中に BGA フィールド全体でブリッジが発生する。
その結果、論理ドメインか電力ドメインのいずれか一方には調整可能だが、両方を同時に安定して満たすことは決してできないプロセスとなる。
ステップステンシルエンジニアリング：開口部を形状に適合させる
ステップステンシルは、1枚のフォイルに局所的な厚み変化を加工することで、この衝突を解消する。設計ロジックは次の2つのルールに従う。
微細ピッチゾーン：アパーチャは、パッケージのピッチ、パッド設計、およびステンシル厚に応じて、通常パッド面積の80～90％に縮小されます。段差加工された領域（一般的に100～120 µm）では、許容できるアスペクト比を維持し、はんだペーストの印刷高さを制御するために、アパーチャ縮小量が最適化されます。
パワーパッドゾーン：アパーチャは、厚さ150～200 µmのフォイル全体にわたり開口率100％で保持されており、アパーチャによる制限なしに、大型サーマルパッドへのペーストを全容量で転写することができます。
微細ピッチBGAエリアでは、微細ピッチに適したはんだペースト量を制御するために、ステンシルを約110µmまで段差加工し、開口部を縮小する場合があります。アセンブリ・パワーパッドゾーンは、より大きな開口部によってはんだ量を最大化し、熱的および機械的信頼性を高めるために、全面で 180～200 µm のフォイル厚を維持しています。 2 つのゾーン間にある 70 µm の高さ差こそが、標準的な単一レベルステンシルでは対応できない点です。
この二段階高さの印刷を検証するには、クローズドループの測定システムが必要です。当社の高速3D SPIは、いかなる部品実装が行われる前に、印刷後の各パッドタイプにおけるペーストの体積データを取得します。電源パッドまたは微細ピッチ部品のいずれかについて、測定されたペースト高さまたは体積が確立されたプロセス管理限界を外れた場合、SPIシステムは、基板が実装工程に進む前に自動ステンシル洗浄サイクルを起動できます。これにより、はんだ接合不良の最大の単一要因を防止しますヘビーカッパーアセンブリリフローに達する未充填のサーマルパッド。
サーマルビアアレイ設計：接合部温度低減の定量化
サーマルビアアレイは、電気的ビアとは異なる機能を持ちます。その役割は、部品の露出パッドから基板スタックを通り、反対側のヒートシンクまたは銅プレーンまで、低抵抗の熱経路を形成することです。高い周囲温度で動作する電源コンバータ基板では、不十分なビア密度が、MOSFET やダイオードの早期故障を直接引き起こす要因となります。
IPC-2152 に準拠したレイアウトにおいてサーマルビアアレイを規定する設計ルール：
ドリル径：0.25～0.35 mm が有効範囲です。0.25 mm 未満では、ビア充填処理中の毛細管力が不足し、均一な充填を達成できません。0.35 mm を超えると、リフロー時にビアがソルダシーフとして働き、サーマルパッドからペーストを吸い取ってしまいます。
塗りつぶし方式で:導電性または非導電性のエポキシでビアを充填し、その後に銅キャップめっきを施すことで、パッド内ビア実装に適した平坦な表面が得られます。ビアフィールドがコンポーネントパッドの境界外にある場合に限り、未充填ビアも許容されます。
密度および熱的影響によってIPC-2152 に基づく熱モデリングによれば、サーマルビアの本数を増やすことで一般的に熱抵抗は低減するが、その効果の大きさは、基板厚、銅箔厚、ビア形状、および冷却条件に依存する。ビア密度が高くなるにつれて、その利点は次第に小さくなる。低いビア密度では、サーマルビアアレイは主として基本的な放熱経路を提供する役割を果たす。ビア密度が増加すると、電力損失と基板構造によっては、ジャンクション温度の低下が測定可能なレベルになる可能性が高くなる。ビア密度をおよそ 8～10 vias/cm² まで増やすことで、多くの 3～4 oz 銅の設計において、目に見える熱的改善が得られる場合があるが、実際の温度低下量は、部品の電力損失、気流、基板構造に依存する。高電力の 5～6 oz 銅の設計では、12～16 vias/cm² 程度のビア密度によって、かなりの熱的メリットが得られる可能性がある。いくつかのアプリケーションでは、限界効果が顕著になる前に、ジャンクション温度が二桁レベルで低減した事例も報告されている。16 vias/cm² を超えると、ビアを追加しても熱的な改善効果は逓減し、同時にパッドエリアの機械的信頼性が損なわれ始める。
PCBCart で記録されたある電源モジュール実装（産業用サーボドライブ向け三相ゲートドライバ）では、120 mm² の露出パッド内のサーマルビア密度を 6 vias/cm² から 14 vias/cm² に増やした結果、定格負荷時の接合部温度上昇が 18°C 低減し、周囲温度 70°C の条件下で 94°C の Tj から 76°C の Tj へと下がった。
窒素雰囲気によるTHTパワーパッシブ部品の選択はんだ付け
産業用電力コンバータでは、高電流・高インダクタンス部品に必要な形状や線径はSMT形態では実現できないため、スルーホール型のインダクタやトランスが使用されます。これらの部品は大きな銅箔エリア上に実装されることが多く、しばしば複数層の電源プレーンに接続されていますが、その熱容量の大きさにより、リフローでは対応できないはんだ付け上の課題が生じます。
THT パワーパッシブ部品のはんだ付けにおける主な故障モードは、銅の酸化によって引き起こされるスルーホール内のはんだ充填不完全です。6 oz クラスの基板では、PTH 内の銅めっきスルーホールのバレル表面積は非常に大きくなります。酸化した銅は濡れ性抵抗を大幅に増加させます。酸化銅表面は、適切に保護され、低酸素の窒素雰囲気中ではんだ付けされた銅表面と比べて、著しく大きな接触角と劣った濡れ挙動を示し、その結果、はんだの流動性およびスルーホール充填性能が低下します。その 27° の接触角の差は、バレル内部におけるはんだの上昇高さの低下として定量的に現れ、直接的にスルーホールの充填不足を引き起こします。
当社の ZSWHPS-11-2 選択はんだ付け装置は、はんだノズル周囲を密閉型窒素カーテンで覆うことでこの問題に対処します。高銅含有 THT アセンブリ向けの動作パラメータ：
N₂ 流量：ノズルシュラウドで80～120 L/minとし、能動はんだ付けゾーン内のO₂濃度を500 ppm未満に維持すること
はんだ付け温度：Sn-Ag-Cu を使用した 5～6 オンス Cu 基板の場合は 265℃ ±3℃（熱吸収を補償するため、標準の 255℃ から引き上げ）
各関節あたりの滞留時間:内部銅プレーンを有する多層基板の場合：4.5〜6.0秒
フルパネル波ではなく選択はんだ付けを用いることで、すでにリフロー済みであり、波はんだ付けの温度に対応していない隣接するSMT部品への熱衝撃を回避できる。
X線検査：充填率およびBGAボイド許容基準による検証
高銅厚電力コンバータ組立体における2種類の欠陥カテゴリーは、外観検査では目視できず、主な検出手段としてX線解析が必要となる。
サーマルビア充填率：ビア内部のエポキシ充填が不十分だと、内部に空隙が生じ、熱伝導率が著しく低下します。中空のビアは、パッド内のどこに位置していても、熱伝達への寄与はごくわずかです。多くのメーカーは、信頼性目標や顧客要件に応じて、熱的に重要なビア構造について、断面積ベースでおおよそ 75％ 以上のビア充填を最低条件として規定しています。弊社の自動 X 線システムは、基板ごとにビアアレイの統計的サンプリングを行い、サンプリングされたビアのうち 5％ を超える数が 75％ のしきい値を下回ったビアフィールドを検出してフラグを立てます。
BGAボイド検出:高信頼性が求められるパワーモジュール実装において、メーカーはしばしば BGA はんだ接合部の内部ボイドに対して保守的な基準を採用し、顧客仕様や業界ガイドラインで許容される最大値よりも低いボイドレベルを目標とすることが多い。4 オンスのパワーコンバータ基板上の 256 ボール BGA に関するプロセス比較データでは、X 線解析によって光学検査と X 線検査の検出ギャップが特に明確に示された。X 線検査は、BGA ボイドやサーマルビア下部の未充填といった隠れた欠陥に対して、AOI よりもはるかに高い検出能力を示し、光学的には検出が困難または不可能である欠陥状態を特定した――いずれの欠陥タイプも AOI ではまったく視認できなかった。QFN 部品下のはんだブリッジについては、X 線検査で 94% の検出率を示したのに対し、AOI は 31% にとどまり、パワーパッド上のコールドジョイントは X 線で 87%、光学では 22% という結果であった。このパターンは一貫しており、パワーコンバータ実装において現場故障の影響が最も大きい欠陥ほど、光学検査では検出できない欠陥であることが明らかになっている。
初回合格を実現するヘビーカッパー実装設計
ヘビーカッパーPCBAは、単に銅箔を厚くした標準SMTプロセスではなく、ステンシル設計、ビア構造、選択はんだ付けの雰囲気、検査手法などにわたる一貫した判断を必要とする独立した製造分野です。いずれか一つの領域でのエラーは、他の領域にも波及します。
当社の IATF 16949 認証取得済みプロセス管理、ステップステンシル対応、3D SPI クローズドループペースト検証、N₂選択はんだ付け、そしてパワーモジュール向け 100% X線検査は、個々の独立した工程としてではなく、システム全体として設計されています。
初号機の前に、電力コンバータ設計を検証する準備はできていますか？
リフロープロファイルのレビューを依頼する— ボードのスタックアップおよび部品の熱特性仕様を提出していただければ、当社のプロセスエンジニアリングチームが無償で熱シミュレーションとペースト使用量評価を実施します。
役立つリソース
•大電流対応PCB組立プロジェクトにおいて、銅箔厚ははんだ付け性にどのような影響を与えるのか？
•ヘビーカッパーPCBアセンブリ：重要な製造課題の克服
•ステップステンシルとは何ですか？
•PCB製造プロセス — ステップバイステップガイド
・プリント基板実装（PCBA）プロセス
