科学技術の絶え間ない進歩により、現代社会は電子技術と密接に結びつくようになっている。携帯電話、ポータブルコンピュータ、ストレージ、ハードウェアドライバ、CD-ROMドライブ、高解像度テレビなどの電子製品には、小型化および軽量化に対する厳しい要求が課せられている。これらの目標を達成するためには、製造技術および部品の両面から研究を進める必要がある。SMT（表面実装技術）はこのような潮流に合致しており、電子製品の小型化に対して堅固な基盤を築いている。
1990年代には、SMT は成熟期に入りました。しかし、電子製品が携帯性、小型化、ネットワーク化およびマルチメディア化へと急速に発展するにつれて、電子組立技術にはより高い要求が課せられました。その中でも BGA（ボール・グリッド・アレイ）パッケージは、高密度実装技術の一種として実用段階に入っています。はんだ接合部の品質は、SMT 実装の信頼性と性能を左右する極めて重要な要素であり、BGA のはんだ接合部の品質には特に注目すべきです。そこで本稿では、BGA 部品のはんだ接合部の品質を保証するためのいくつかの有効な対策を示し、それに基づいて SMT 実装の最終的な信頼性を確保することを目的とします。
BGAパッケージング技術の概要
BGAパッケージング技術は早くも1960年代に始まり、最初にIBM社によって適用されました。しかし、BGAパッケージング技術が実用段階に入ったのは1990年代初頭になってからでした。
1980年代の早い時期から、電子機器の小型化とI/Oピン数に対する要求は高まっていた。SMT が小型化という特性を有しているにもかかわらず、高I/Oピン数およびファインピッチ部品、リードの共面性に対して、より厳しい要求が課されている。しかし、製造精度、製造容易性、コストおよび実装技術といった面での制約により、QFP（クワッドフラットパッケージ）部品の最小ピッチは0.3mmにとどまり、高密度実装の発展を制限している。さらに、ファインピッチQFP部品は実装技術に対して厳しい条件を要求するため、その適用には制約が伴い、部品メーカーはQFP部品よりも優位性を持つBGA部品の研究開発へと方向転換している。
微細ピッチ部品の制約は、そのリードが曲がりやすく折れやすいという脆弱性にあり、リードの共面性および実装精度に対して高い要求が課される点にある。BGAパッケージ技術は、新たな設計思考モードを採用しており、すなわち円形または柱状のはんだボールをパッケージの下側に隠すことで、リード間隔を大きくし、リードを短くしている。その結果、BGAパッケージ技術は、微細ピッチ部品で一般的に発生する共面性および反りに起因する問題を解消することが可能である。
したがって、BGA部品は一般的なSMD（表面実装デバイス）よりも、信頼性およびSMT実装において優れた性能を発揮します。BGA部品の唯一の問題点は、はんだ接合部の検査が困難であり、品質と信頼性を保証することが難しいという点にあります。
BGA部品のはんだ接合部の問題
これまでのところ、信頼性の高い電子組立装置は、PCBCart例えば、BGA部品のはんだ付け不良は電子テストによって明らかになります。BGA部品の実装中の技術プロセス品質を管理し、不良を特定するための他の方法としては、ペースト印刷のサンプル検査、AXI、および電子テスト結果の分析が含まれます。
ミーティング品質評価の要件を満たすことは、パッケージの下にあるテストポイントを取得することが難しいため、困難な技術です。BGAコンポーネントの欠陥検査および識別に関しては、電子テストは通常対応できず、そのことがある程度、欠陥除去およびリワークのコストを増大させます。
BGA部品の欠陥検査の過程において、電子テストはBGA部品が接続された後に電流のオン・オフを判定できるだけです。補助として非物理的なはんだ接合テストを実施すれば、組立ての技術プロセスおよびSPC（統計的工程管理）の改善に有益です。
BGAコンポーネントの実装は、基本的な物理的接続に関する技術プロセスの一種です。技術プロセスの品質を確認・管理できるようにするためには、はんだペースト量、リードとパッドの位置合わせ、ぬれ性など、長期的な信頼性に影響を与える物理的要素を把握し、検査する必要があります。そうでなければ、電子的なテストによって得られた結果のみに基づいて修正を行うことには不安が残ります。
BGAコンポーネントの検査方法
技術プロセスの研究期間中に、BGA部品のはんだ接合部の物理的特性を試験し、組立工程において一貫して信頼性の高い接続にどのように寄与できるかを明らかにすることは、極めて重要である。
これらすべての試験によって得られるフィードバック情報は、各技術プロセスやはんだ接合部のパラメータの修正に関係している。
物理試験は、リフローはんだ付け工程におけるペースト印刷状態の変化や、BGA部品の接続状況を把握することができます。さらに、同一基板上および複数基板間のすべてのBGA部品の状態を示すことができます。例えば、リフローはんだ付けの過程では、冷却時間の変化に伴って極端な湿度変化が生じ、それがBGAはんだ接合部のボイド数やボイドサイズに反映されます。
実際のところ、BGA部品実装の全工程にわたって高精度な計測および品質検査を行う検査装置はそれほど多くありません。自動レーザー検査装置は、部品実装前のはんだペースト印刷状態を検査することは可能ですが、処理速度が遅く、BGA部品のリフローはんだ付け品質を検査することはできません。
X線検査装置を適用すると、パッド上のはんだペーストは、はんだ接合部の上に配置されているため、影のような画像として示されます。非コラプシブルBGA部品の場合、あらかじめ形成されたはんだボールによっても影が見られ、それが判別を困難にします。これは、はんだペーストや事前形成されたはんだボールによって生じる影の効果により、BGAパッケージの工程不良を大まかにしか反映できないX線検査装置の働きが妨げられるためです。さらに、周辺部の検査では、不十分なはんだペーストや、異物によるオープン回路などの問題にも悩まされます。
断面X線検査技術は、上記の制限を克服することが可能です。はんだ接合部の隠れた欠陥を検査し、BGAはんだ接合部の接続状態を表示することができます。
BGAはんだ接合部の本質的欠陥
・オープン回路
パッドの汚染が原因で、非コラプシブルBGAはんだ接合部には常にオープン不良が発生します。はんだペーストがプリント基板（PCB）のパッドを十分に濡らせないため、はんだボールを伝って部品表面へと上昇してしまいます。前述のとおり、電気的テストによってオープン不良の有無は判定できますが、そのオープン不良がパッド汚染によるものか、はんだ印刷不良によるものかを判別することはできません。さらに、X線検査装置も、手前側のはんだボールによるシャドー効果のため、オープン不良を示すことができません。
断面X線検査技術は、パッドと部品の間のスライス画像を取得し、その後、コンタミによるオープン不良を確認することができます。コンタミによるオープン不良では、パッド径が微細で部品径が比較的大きくなるため、部品径とパッド径の差異を用いて、コンタミが原因のオープン不良かどうかを判定することができます。不十分なはんだペーストによるオープン不良に関しては、断面検査装置のみが対応可能です。
・ヴォイド
折りたたみ式BGA部品のはんだ付けに発生するボイドは、共晶点の低いはんだ接合部で流動するフラックスガスが滞留することによって生成されます。ボイドは、折りたたみ式BGA部品に発生する主要な欠陥と見なすことができます。リフローはんだ付けの過程において、ボイドに起因する浮遊物は部品表面に集中するため、はんだ接合部の不良の大部分も同じ箇所で発生します。
リフローはんだ付け工程において、予熱および一時的な予熱時間の延長と低い予熱温度の採用によってボイド不良を低減することができる。ボイドがその大きさ、数、または密度において一定範囲を超えると、信頼性は確実に低下する。しかし一方で、ボイドは制限すべきではなく、むしろ破壊と膨張を加速させることで、できるだけ早期に不良として検出・除去すべきだと考える別の立場も存在する。
PCBCart：BGAコンポーネント向けのプロフェッショナルなSMT実装業者
PCBCart には、はんだペースト印刷機、チップマウンター、オンラインおよびオフライン AOI 装置、リフロー炉、AXI 装置、BGA リワークステーションを備えた専門の SMT 実装ラインがあります。PCBCart が提供する自動実装プロセスは、ピッチ 0.4mm までの BGA 部品に対応可能です。当社が提供するすべてのサービスおよび製品は、ISO9001:2008 システムの規格に適合しており、お客様の期待を実現するための確固たる基盤となっています。お問い合わせBGAコンポーネントに対する当社のSMT対応能力の詳細については、こちらをご覧ください。または、下のボタンをクリックして、無料かつ義務なしのPCBAお見積りをご依頼いただけます。
PCB組立見積依頼
役立つリソース
•BGAを理解するための4つのステップ
•BGAパッケージング技術の概要
•BGAパッケージ種類の概要紹介
•BGA実装の品質に影響を与える要因
