BGA部品のリフローはんだ付け技術における重要要素

BGA（Ball Grid Arrayの略）は、ベース背面においてピンの役割を果たすはんだボールを利用しています。BGAは、SMT（表面実装技術）実装で採用されるパッケージの一種であり、多ピンLSI（大規模集積回路）に適用されます。

BGAパッケージの分類

現在までに、BGAパッケージはベースの種類に応じて、PBGA（プラスチック・ボール・グリッド・アレイ）、CBGA（セラミック・ボール・グリッド・アレイ）、TBGA（テープ・ボール・グリッド・アレイ）の3つのカテゴリーに分類することができます。

・PBGA

PBGAは、次の特性を持つはんだボールをベース上に配置します。
a. エポキシ樹脂とのホットプレス適合性に優れている。
b. はんだボールははんだ接合部の形成に寄与し、およそ250μmの柔軟な共面性を実現します。
c. 低コストであることを特徴とする;
d. 電気的特性に優れています。
e. パッケージのエッジを基準にして、PCBパッドと正確に位置合わせすることができる。

・CBGA

CBGA に属するはんだボールは高温はんだで製造され、その後、低融点の共晶はんだ（通常は 63Sn/Pb）を用いてセラミック基板と接続される。この共晶はんだを利用して、はんだボールは PCB（プリント基板）と接続される。CBGA には次のような特長がある。
a. より高い信頼性を備えていること。
b. 約100μmの良好な共面性を備えており、はんだ接合部を容易に形成できます。
c. 湿度に敏感ではない。
d. 高いパッケージ密度を備えていること。
e. 熱膨張係数の違いにより、基材としてエポキシ樹脂を用いたPCB基板とのホットプレス時のマッチングがCBGAでは悪く、その結果、はんだ接合部の疲労がCBGAの主な故障形態となっている。
f. パッケージ端部とPCBとの位置合わせが困難であり、その結果、パッケージングコストが高くなる。

・TBGA

TBGA は、チップ、はんだボール、および PCB 間の接続を実現するためにテープインターコネクションを利用したパッケージの一種です。TBGA パッケージの特性には、次のようなものがあります。
a. エポキシ樹脂を基材とするPCBとの良好なホットプレス適合性をもたらす。
b. パッケージ端部を基準としてPCBパッドと位置合わせが可能であること。
c. 最も低いコストを特徴とする。
d. 湿度と熱の両方に敏感であり、その結果、信頼性が比較的低くなる可能性がある。

さまざまな種類のBGAパッケージについての簡単な紹介に基づき、BGAパッケージ部品の特長は次のようにまとめることができる。
a. 失敗率を低く抑えることができる。
b. パッケージサイズを小型化しつつコンポーネントのピンを大幅に改善し、ベースの実装面積を削減します。
c. 明らかに共面性の問題を克服し、共面による損傷を大幅に低減する。
d. QFP（クワッド・フラット・パッケージ）で発生するピン変形とは異なり、ソリッドピンを備えている。
e. その後の配線が短くなり、リードのインダクタンスとキャパシタンスが低減され、電気的性能が向上することを示す短いピンを含めること。
f. 放熱に有利である。
g. MCM（マルチチップモジュール）のパッケージング要件に適合しており、MCM の高密度化および高性能化の実現につながる。

BGA用リフローはんだ付け技術

基本的に、BGAパッケージの実装はSMT実装手順と互換性があります。まず、ステンシルを用いてはんだペーストをPCB上のパッドアレイに印刷するか、フラックスをパッド上に塗布します。次に、マウンターを使用してBGA部品をPCBのパッドアレイ上に正確に位置合わせして搭載します。その後、BGA部品はリフロー炉でリフローはんだ付け工程を経ます。BGAパッケージ部品の特性上、本稿ではPBGAを例としてリフローはんだ付け技術について論じます。

・予熱段階

予熱工程は通常、2～4の加熱ゾーンで構成され、温度は2分以内に150℃まで連続的に上昇し、はんだペースト中の揮発性物質を十分に揮発させます。これにより、それらの物質がはんだの飛散や基板の過加熱を引き起こすことを防ぎます。同時に、PCB上の部品温度を十分に高め、はんだのぬれ性を確保します。温度上昇速度は1秒あたり1.5℃にするのが最適です。

・浸漬工程

浸润工程の目的は、十分な溶融を達成し、PCB 上のすべてのはんだ接合部の温度をはんだ付け温度にできるだけ近づけることです。溶融の程度は、はんだ接合部のはんだ付け品質を直接左右します。温度は約 170°C に保ち、その時間は 60～120 秒とします。

・はんだ付け工程

はんだ付け工程では、はんだ接合部の温度がはんだ付け温度まで素早く上昇する必要があります。温度が183°Cを超えている時間は、60秒から120秒の範囲に制御しなければなりません。はんだ付け工程における最高温度は200°Cから210°Cの範囲に設定するのが望ましく、部品のピーク温度は220°Cを超えてはなりません。温度上昇率は、1秒あたり2°Cから3°Cにするのが最適です。

・冷却段階

冷却工程には、空冷と自然冷却の2つの冷却モードが含まれます。冷却速度は、1秒あたり1℃から3℃の範囲に達することが最適です。さらに、部品表面と底部との温度差は7℃を超えてはならず、超えると熱応力の集中が生じます。

パッケージの異なる部品は、熱吸収率および放熱率がそれぞれ異なるため、はんだ付け工程における温度上昇速度と温度下降速度は区別して扱う必要があります。

リフローはんだ付け工程における各フェーズの温度と時間は、次の表にまとめることができます。

この表は、あらゆる状況に完全に適合させることは決してできないことに留意する必要があります。部品、リフロー炉、PCB、組立環境、作業者の製造経験などによって差異が生じるため、より正確な設定パラメータは実際の組立経験に依存します。

BGA部品検査

良好なはんだ付けができても、それだけでは作業は半分しか完了していません。検査を実施しない限り、はんだ接合部が完全に良好であると保証することはできません。BGAパッケージは部品を本体の下に隠しているため、目視検査はほとんど役に立ちません。さらに、最適な目視検査を行っても、露出させられるのは端部のはんだ接合部だけであり、完全かつ正確な検査結果を得ることはできません。その結果、BGAのはんだ接合部はX線検査装置によって検査する必要があります。X線検査装置には、透過検査と断面検査の2つの方法があり、いずれもはんだ接合部間のブリッジや位置ずれを検査することができます。実際のところ、これら2つの検査方法は、BGAはんだ接合部の形状およびサイズの検査能力という点で、それぞれ異なる性能を示します。

・X線透過検査

X線は、高密度のすべての材料を垂直方向に透過します。CBGAの場合、はんだボールがはんだ付けステーションレベルでの共晶はんだの生成を妨げ、部品レベルの共晶はんだははんだボールに覆われがちです。PBGAパッケージに関しては、はんだ付けステーションでのはんだの画像は、はんだ接合部で止まる傾向があります。その結果、X線透過検査では、はんだ不足不良を正しく検出することができません。

・X線断面検査

X線断面検査は、はんだ接合不良を検出し、BGAはんだ接合部の形状および断面の重要寸法を正確に取得することができます。はんだステーションレベルでの環状厚さ検査は、はんだリフロー工程や、はんだステーションにおけるはんだの変化状況を反映します。はんだステーションレベルでの半径検査は、はんだペースト印刷技術や過剰なリフローはんだによって引き起こされる、はんだステーションにおけるはんだ量の変化を示します。はんだボールの半径検査は、はんだ接合部間、あるいは基板間の平面度を示します。

電子製品の小型化と高性能化は不可欠な開発動向であり、それに伴って回路モジュールの実装密度は絶えず向上している。その結果として、高集積のマイクロ部品は多様化し、それらの実装方法も進化している。現代のパッケージ技術が発展する中で、BGAパッケージ技術はμBGAやMCMへと進んでいる。高密度実装部品の一種として、各種パッケージの要件に適合するよう、異なるはんだ付け温度を適用する必要がある。BGAリフローはんだ付けにおいて重要な要素を十分に考慮すれば、BGA部品およびSMT実装の信頼性は十分に保証される。

ボールグリッドアレイ（BGA）技術は、コンパクトで効率的かつ高性能な実装を実現するために、現代の電子機器において不可欠です。高度なリフローはんだ付け技術と精密な検査工程を用いることで、BGAパッケージはさまざまな用途において堅牢な接続と拡張された機能性を提供し、電子製品の小型化および高信頼性に対する要求を満たします。

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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
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•BGA SMT実装プロセスで最適なはんだ接合を実現するためのエンジニアに優しいいくつかの方法