BGA用PCB表面処理：ENIG、ENEPIG、ImAg、OSP

BGAやファインピッチ実装には、平坦な表面処理を選択してください。ほとんどの基板では ENIG が妥当なデフォルトであり、ワイヤボンディングされたダイを同時に実装する場合や、多くの熱サイクルを経る基板では、ENEPIG はその高い価格に見合う価値があります。コストや高周波での損失が保存寿命よりも重要な場合には、浸漬銀や OSP が有効です。HASL は、はんだのクラウンが不均一で、小さなパッドでのステンシル印刷やボール配置の両方に不利に働くため、避けるよう人々に勧めている表面処理です。

私たちの経験では、化学的な違いそのものよりも、実務的な2つのポイントの方が重要です。つまり、「基板が何回リフローを受けるのか」と「ベアボードが実装ライン（SMTライン）に入るまでどれくらいの期間保管されるのか」です。これらの問いに正直に答えれば、たいていの場合、どの方式を選ぶべきかは自然と決まります。

なぜ微細ピッチになると表面仕上げがより重要になるのですか？

はんだの体積は収縮しますが、表面処理のばらつきはそうではありません。1.27 mmピッチのBGAでは、数ミクロン高くなっているパッドや、わずかに酸化しているパッドも、十分な量のペースト印刷と大きなボールによって吸収されます。ところが、0.5 mmピッチ以下では、開口部が小さく、ペーストブリックも小さく、ボールも小さいため、同じ程度のばらつきがオープン、ブリッジ、あるいはヘッドインピロー不良へとつながります。

これらの部品の組立歩留まりに直接影響する仕上げフィードの特性は4つあります。

•平面性ステンシルは各パッドに対して平坦に密着していなければなりません。ドーム状または不均一なパッドでは、はんだペーストがフォイルの下に絞り出されたり、十分でない量しか印刷されなかったりします。

・濡れ小さなパッドでは、はんだが広がるための面積も時間もほとんどありません。濡れ広がりが遅い表面仕上げでは、パッケージを実装してしまうと誰にも見えなくなる、部分的にしか濡れていないパッドが残ってしまいます。

•1回目のリフロー後の状態。両面基板では、2回目の面は、すでに一度ピーク温度にさらされたパッド上にプリントされます。ある種の表面処理はそれに十分耐えますが、別のものははんだ付け性の大部分を失ってしまいます。

•取り残されたインターフェース。仕上げは、接合部が銅上に形成されるかニッケル上に形成されるかを決定し、そしてその界面こそが、落下・曲げ・温度サイクルのストレス下でBGA接合部が通常破損する箇所である。

BGA の AOI 画像にはこれらのどれも現れません。というのも、はんだ接合部はパッケージの下に隠れているからです。X 線検査ではブリッジや大きなボイドは検出できますが、接合部が弱い界面上に形成されているかどうかまでは分かりません。だからこそ、仕上げの選定を～の一部として扱っているのです。BGA実装見積もり段階での計画立案であり、製造注文書の形式的なチェック項目ではないこと。

参考までに、当社の標準FR4基板は最小0.2 mmのBGA/SMD間隔に対応しています。範囲の下限では、上記の各特性がそれぞれ限界近くで動作しているため、お使いの部品が当社のリストと照らし合わせて確認する価値があります。サポートされている SMT パッケージ最終結果が確定する前に。

なぜ HASL は BGA や微細ピッチ部品に不向きなのですか？

それがメニューの中で最も平滑度の低い仕上げだからです。HASL はパネルを溶融はんだの中に浸し、ホットエアナイフで余分なはんだを取り除きます。残ったコーティングの状態は、パッドサイズ、ナイフに対するパッドの向き、およびパネル上での位置によって変化します。小さなパッドは丸みを帯びた山形になりやすく、一方で大きなパッドはより平坦な仕上がりになります。

BGA ランドパターンでは、その“クラウン”によって 3 つの問題が発生します。ステンシルは高い部分でぐらついて密着せず、パッドごとにペースト量が変化します。配置時にボールが中心からずれて転がることがあり、軽量な CSP では特に顕著です。そして、すでにパッド上にあるはんだが、ステンシル設計で想定していないかたちで接合部のボリュームを増加させます。

鉛フリーHASLは、その上に熱的な不利を伴います。はんだ槽はSn-Pb使用時より高温で稼働するため、組立が始まる前から、ベアボードは追加の高温プロファイルを受けることになります。厚い多層基板では、それはすべてのめっきスルーホールを通して、z軸方向の膨張がさらに1回増えることを意味します。

HASL と無鉛 HASL は、スルーホール部品主体で粗い SMT が中心の基板に対しては、今でも妥当な選択肢であり、当社も両方に対応しています。問題は、この表面処理がボード全体を覆ってしまうことです。もし基板の隅に微細ピッチの BGA が 1 個載っているなら、その BGA に合わせて表面処理を決めるべきであり、その周囲に並んだスルーホールコネクタの列に合わせて決めるべきではありません。

ENIG：その適用範囲とブラックパッド問題

ENIG は、多くの BGA 基板に対して推奨される表面処理であり、めっきラインが適切に管理されていることが前提となります。まず数ミクロンの無電解ニッケル‐リンめっきを施し、その上に薄い浸金層を形成します。厚さの要件は IPC-4552 によって定められています。その結果、表面は平坦で、保管性に優れ、鉛フリーの複数回リフローにも対応でき、有機系やスズ系表面処理で見られるはんだ付け性の低下が起こりにくくなります。

はんだ付けの際、薄い金はほとんど瞬時にはんだの中に溶け込み、実際の接合はニッケル上で形成されます。そのニッケルとスズの界面が荷重を受け持つ部分であり、同時に ENIG の既知の弱点が存在する場所でもあります。

ブラックパッドとは、浸金浴の中で発生するニッケルの腐食のことです。浸金は置換反応であり、金はニッケルを溶解させることで析出します。この攻撃が行き過ぎると、通常は浴液の化学組成のドリフト、過度な浸せき時間、あるいはリン含有量が不適切なニッケルによって、ニッケルの結晶粒界が腐食し、金の下にリンに富んだ層が形成されます。基板は見た目には正常に見えます。はんだの濡れ性も一見問題ない場合があります。しかし、接合部は弱くなった層の上に載っており、機械的な衝撃や基板のたわみによって、その層に沿ってきれいに破断してしまうことがあります。

ブラックパッドを厄介なものにしているのは、通常の検査では発見できないことです。AOIやX線検査では、何も異常は見つかりません。ブラックパッドを見つけるには、断面解析を行い、金を剥離してSEMでニッケル表面を観察するか、サンプル接合部に対して破壊的な引張試験やせん断試験を行う必要があります。

これはプロセス制御の問題であり、ENIG をやめる理由にはなりません。重要なのはめっきライン上の管理項目であり、浴槽の pH、安定剤と金属濃度、ニッケル中のリン含有量、そして金の浸漬時間です。製品が使用中に落下、振動、または曲げ応力を受ける可能性がある場合は、量産設計に進む前に、見積もり段階でその旨をお知らせください。そうすることで、当社のエンジニアリングチームとあらかじめ適合試験内容について合意することができます。

エンジニアが時々見落とす、2つの小さなポイントがあります。ENIG はアルミニウムワイヤボンドには対応しますが、金ワイヤボンディング用の信頼できる表面ではありません。また、ENIG パッドでは、はんだが必ずしもパッドの端まで広がらないことがあり、QFN のサイドフィレットでは見た目が少し不自然になる場合がありますが、接合部が IPC-A-610 の基準を満たしている場合は、通常問題ありません。

ENEPIG は、追加コストを払う価値があるのはいつか？

ENIG では実現できない要件、つまり信頼性の高い金ワイヤボンディングが必要な場合や、厳しい落下・振動要件を持つ製品でブラックパッドのリスクを抑えたい場合、あるいは同一面でのはんだ付けとボンディングが必要な場合には、ENEPIG はそのコストに見合う価値があります。 一方、いくつかの BGA と 1～2 回のリフロー工程程度の一般的な産業用コントローラでは、その追加コストを正当化できるほどのメリットが得られることはほとんどありません。

このスタックでは、ニッケルと金の間に薄い無電解パラジウム層を追加し、その要件は IPC-4556 で定義されています。パラジウムはニッケルを浸金浴から遮蔽し、ブラックパッドの主な発生メカニズムの大部分を取り除きます。また、金ワイヤとアルミニウムワイヤの両方によるワイヤボンディングに適した表面を提供するため、ENEPIG はしばしば「ユニバーサル仕上げ」と呼ばれます。

通常、次のような場合におすすめしています。

・SMT 部品とチップオンボードダイ、またはその他のワイヤボンドデバイスを組み合わせた基板で、1 つの表面仕上げで両方のプロセスに対応できるもの。

・フィールドで界面BGA破断が発見されると高コストとなり、かつ認定計画に落下試験または曲げ試験が含まれている製品。

・NPIやテスト中に複数回のリフロー処理が行われ、さらに計画的なBGAリワークが実施されるアセンブリ。

・はんだ付け部品、プレスフィットコネクタ、および露出した接点面が混在している基板。

ENEPIG には、それ自体のプロセスリスクがあります。パラジウム層が厚くなり過ぎると、ぬれ性が低下し、接合品質が損なわれる可能性があるため、パラジウムの膜厚は規定された範囲内に維持する必要があります。コストもパラジウム相場に連動するため、ENIG との差額は固定比率ではなく、プロジェクトごとに見積もるべきものとして扱ってください。

RF および高速基板では、ENIG と ENEPIG のどちらも、パッド部の電流経路にニッケルを挿入することを忘れないでください。ほとんどの周波数ではその影響は小さいですが、マイクロ波帯で損失マージンが厳しい場合は、早い段階で当社にご相談ください。最適解はニッケルフリーの表面処理となる可能性があります。

浸銀、浸錫およびOSP：保管寿命とリフロー回数

これら3つはいずれもフラットで、金ベースの仕上げよりもコストが低く、銅上に直接はんだ接合部を形成します。トレードオフとして、実装前の時間、取り扱い、および熱に対する感度が高く、これは、裸基板がキットの完成を数週間待つこともある両面基板や段階的なHMLVビルドにおいて最も重要になります。

浸漬銀銅の上に薄い銀層を設けたもので、とても平坦で半田付け性が良く、信号経路にニッケルが入らないため、高速およびRF設計にとって魅力的です。その弱点は、変色（錆び）しやすいことと、空気中や梱包材中の硫黄に対して敏感なことです。管理の不十分なプロセスでは、銅と銀の界面に小さなボイドが残ることがあり、BGAではそれらがボールの真下に位置します。基板は硫黄を含まない包装で密封し、手袋を着用して取り扱ってください。硫黄分の多い環境で使用する場合、未コーティングの組立品ではクリープ腐食が既知のリスクとなります。

浸漬錫平坦で、プレスフィットピンに非常に適しています。BGA 作業における問題は、銅と錫が室温でも成長し続ける金属間化合物を形成し、加熱サイクルごとにその成長が速くなり、はんだに必要な遊離錫を消費してしまうことです。1 面目ではよく濡れる基板でも、2 面目では明らかに濡れ性が悪くなる場合があります。長寿命製品では、錫ウィスカも別の懸念事項となります。当社ではイマージョン錫を提供していますが、両面 BGA 基板にはほとんどお勧めしていません。

OSPはんだ付けまで銅を清浄な状態に保つための薄い有機皮膜です。平坦で、通常は最も低コストな選択肢であり、銅上に直接形成された接合部は落下試験でも良好な耐性を示します。ただし、この皮膜は熱にさらされるたびに劣化します。最初のリフロー後、反対面の実装を待つパッドには、より薄く一部分解したコーティングしか残らず、そのぬれ性は2回目のリフローまでの時間や、リフロー炉が窒素雰囲気かどうかに左右されます。OSP基板は含湿除去のためのベーキングを行うべきではありません。ベーキングによってコーティングが劣化してしまうためです。はんだ付けされないテストパッドも、非導電性の皮膜で覆われたままになるため、インサーキットテスト時のプロービングが不安定になる場合があります。

下の表は、組み立ての観点から6種類の仕上げを並べて比較したものです。

*保存期間およびリフローに関する数値は、あくまで業界一般の目安であり、当社としての保証値ではありません。実際の値は、化学組成、パッケージング、保管温度および湿度によって異なりますので、案件ごとに当社エンジニアリングチームへご確認ください。

パッケージおよびプロセス別の決定表

基板上で最も厳しいパッケージと最も厳しい工程ステップに適した表面処理を選択し、そのうえで、未実装基板をどのくらいの期間保管するかと照らし合わせて確認してください。以下の表は、当社が最も頻繁に目にする状況をまとめたものです。

製造図面をリリースする前に、次の短いチェックリストを確認してください。

・仕上げと、それが準拠すべき IPC 規格を明記してください：ENIG の場合は IPC-4552、ENEPIG の場合は IPC-4556、浸漬銀の場合は IPC-4553、浸漬錫の場合は IPC-4554 です。規格よりも厳しい膜厚を要求する場合は、当社のエンジニアリングチームに確認してください。

・基板に必要なリフロー回数と、BGAのリワークを予定しているかどうかをお知らせください。

・後の組み立てのために基板を保管またはキッティングする場合は、仕上げがそれに合うように、想定される保管期間を書き留めてください。

・ICT を計画している場合、どのテストパッドがはんだ付けされず、どのような表面仕上げになるかを確認してください。

• ワイヤボンドダイおよびプレスフィット部品を指定し、仕上げ処理がはんだ付けだけでなく、それらのプロセスにも適合するようにする。

PCBCartで仕上がりを完璧にする

PCBCart では、お客様のガーバーデータから基板を製造し、同じ工程内で実装まで行うため、表面処理の選定と実装プロセスを、サプライヤー間の受け渡しを挟まずに一体として検討することができます。標準的な FR4 基板に対しては、HASL、鉛フリー HASL、ENIG、ENEPIG、浸漬銀、浸漬錫、OSP をご提供しており、DFM レビューの際には、当社エンジニアが、お客様のパッケージ構成、リフロー順序、予定保管期間との整合性をチェックします。量産は杭州およびタイの工場で行っており、BGA やファインピッチ部品を用いた多品種少量生産も日常的に対応しています。お客様のガーバーデータと BOM をお送りいただき、基板の製造方法と保管方法をお知らせいただければ、当社がどの表面処理を採用するかと、その理由をご説明します。

よくある質問

1枚のボードに2種類の異なる仕上げを使うことはできますか？

はい、選択的な組み合わせは存在します。一般的なものとしては、SMTパッドには ENIG、エッジコネクタのコンタクト部にはハードゴールドを用いる組み合わせがありますし、一部の領域に ENIG、その他の部分に OSP を用いるといった事例もあります。各組み合わせは、マスキング工程とコストを増やし、すべての組み合わせがあらゆる面付けレイアウトに適しているわけではありません。特定の組み合わせがあなたの設計で機能するかどうかは、図面を最終決定する前に、当社のエンジニアリングチームに確認していただく必要があります。

表面仕上げはBGAのボイド量を変化させますか？

これは、ペーストの化学特性、リフロープロファイルおよびパッド設計ほど大きな役割は果たさず、通常の要因はビアインパッドです。表面処理が影響を示すのは界面マイクロボイディングにおいてであり、これはプロセスウィンドウ外で実行された浸漬銀処理と関連付けられています。ボイド発生が適格性判定の基準となる場合、それを制御する手段として表面処理の選択に依存するのではなく、当社エンジニアリングチームと合意した受入限界およびX線検査のサンプリング計画に従ってください。

BGA をリワークしなければならない場合、表面処理は重要ですか？

はい。リワークによってその箇所の基板が加熱され、周辺も一部加熱されるため、OSP や浸漬スズのパッドは、リワークのたびに、その箇所だけでなく周囲も含めてはんだ付け性が低下します。ENIG や ENEPIG は、局所的な繰り返し加熱に対してはるかに強く耐えます。NPI 計画で、デバッグやテスト中に BGA の交換を見込んでいるなら、その理由だけでも金系の表面処理を選ぶ十分な根拠になります。

入荷した裸基板でブラックパッドを検出することはできますか？

外観検査や電気的試験ではありません。クーポンに対する J-STD-003 に基づくはんだ付け性試験は重大な問題を検出できますが、すべてのケースを網羅できるわけではありません。信頼性のある方法は破壊試験であり、断面観察、金剥離、およびニッケルの SEM 検査です。プログラムでロットレベルのエビデンスが必要な場合は、ご注文に対してどのような試験および記録を提供できるか、当社のエンジニアリングチームに確認してください。

ENEPIGは、ライフサイエンスや半導体テストボードにとって、自動的により安全な選択肢になりますか？

いいえ。決めるのはプロセスであって、セクターラベルではありません。多数の細ピッチBGAを搭載し、繰り返しのリワークと長い使用期間が想定されるATEインターフェースボードでは、ENEPIGもしくは厳格に管理されたENIGを採用する十分な理由があります。 一方で、単一回の実装で組み立てられ、製造後すぐに出荷される診断用計測器の基板であれば、通常はENIGで十分対応できます。

PCB組立の見積もりを取得

役立つリソース

•ENIG と ENEPIG の比較

•標準PCB製造

•鉛フリーPCB製造能力