BGAパッド設計：SMDとNSMDの違い、およびビアインパッドが有効となるケース

ほとんどのファインピッチ BGA では、NSMD（ノンソルダーマスク定義）パッドを標準とするほうが望ましいです。銅箔によってランドサイズが決まり、はんだがパッドのエッジを包み込むため、接合部は通常、熱サイクルに対してより長持ちします。SMD パッドにも依然として用途があり、落下やたわみが発生する製品に使われる大きめの部品や、コーナーボールには有効です。ドッグボーンビアがボール間に入らなくなった段階、通常は 0.5 mm ピッチ前後になった頃には、ビアインパッドにコストをかける価値が出てきます。その場合、ビアは必ず充填してメッキで塞ぐ必要があり、決して開口のままにしてはいけません。

SMD パッドと NSMD パッドの本当の違いは何ですか？

違いは、どの層がランドを定義しているかという点です。 SMDパッドではソルダーマスク開口部がランドを定義し、 NSMDパッドでは銅箔がランドを定義します。

SMD では、必要とするランドよりも大きく銅箔が引かれ、その縁にソルダーマスクが重なります。はんだは露出した上面にのみぬれます。NSMD では、銅箔そのものがランドとなり、マスク開口は後退させて、その周囲に薄いリング状の露出した基板が見えるようにします。はんだは銅箔の上面と側壁の両方にぬれます。

その幾何学的な一点の違いが、破損した際に継ぎ目がどこで壊れるかを含め、ほぼあらゆる他のトレードオフを左右している。

これらの行のうち二つは、さらに詳しく見る価値があります。

まずは公差の話から。SMD パッドでは、レジスト位置ずれによってランド自体がずれたり小さくなったりします。NSMD パッドでは、レジストが銅の上にかからない限り、変化するのはクリアランスリングの幅だけです。そのため、微細ピッチでは NSMD ランドの方がボール間での一貫性が高くなります。一方で、NSMD では銅のエッチング精度に負担がかかるため、エッチングばらつきでパッドが設計より小さくなると、そのまま接合部に影響します。

ペースト印刷の2つ目のポイント。ここでは、よく見落とされがちなSMDの大きな利点があります。マスクの縁が小さなキャビティを形成し、そこにステンシルが密着して封止されるため、ペーストの離型がより再現性の高いものになりやすいのです。非常に細かいピッチでNSMDを採用する場合は、開口部の設計と印刷条件のセットアップがより重要になります。NSMDパッドの周囲を保持するための最小マスククリアランスは基板構成によって異なるため、ライブラリのフットプリントを確定する前に、必ず当社エンジニアリングチームに確認してください。

あなたのプレゼンにはどれを選ぶべきでしょうか？

パッケージベンダーのランドパターンから開始し、NSMD をデフォルトとして扱い、機械的要件や印刷上の理由がある場合にのみ SMD に切り替えてください。

ほとんどの BGA データシートには、ベンダーが部品を評価した際のパッド径とマスク開口寸法が、SMD と NSMD の両方のバージョンで記載されていることが多いです。汎用のライブラリフットプリントではなく、その数値を使用してください。データシートに記載がない場合、NSMD の一般的な出発点としては、公称ボール径よりおよそ 20% 小さい銅ランドを用い、IPC-7351 ではその縮小率をボールサイズに合わせてスケーリングします。SMD では、銅パターンは通常ボール径に近い大きさで描き、マスク開口によって縮小を与えます。

そこから、ピッチによって選択肢が絞り込まれます。

1.0 mm と 0.8 mm のどちらでも、両方のタイプが適合します。NSMD がデフォルトであり、基板が衝撃やたわみを受け、パッドの剥離を懸念している場合には SMD が理にかなっています。

0.65mmおよび0.5mmピッチでは、ランド間の配線スペースが増えることでブレイクアウトが可能になるため、通常はNSMDの方がより適しています。

0.4mm 以下では、データシートに厳密に従ってください。一部のウェーハレベルおよびチップスケールパッケージでは NSMD を指定しているものもあれば、SMD を指定しているものもあります。これは、そのピッチでは開口部間のレジスト残りやペースト印刷の再現性が、接合部の形状よりも重要になる場合があるためです。

ハイブリッド・フットプリントも有効な選択肢です。基板のたわみはパッケージの四隅にひずみを集中させるため、コーナーボール（または外周列）には SMD を用い、それ以外の箇所には NSMD を用いることで、中央部の配線スペースを犠牲にすることなく、最も弱い位置を補強できます。

1つ実務的な注意点があります。ライブラリで誤ってマスクのネガティブ拡張が設定されているGerberデータを定期的に受け取ることがあり、その結果、意図していたNSMDフットプリントが、気づかないうちにSMDになってしまうことがあります。出図前に、すべてのBGAについてソルダーマスク層と銅箔層を重ねて確認し、特定の部品をどうしてもSMDのままにしておく必要がある場合は、誰かがCAM処理中にマスクを「修正」してしまわないよう、製造指示書にリファレンスデザインators付きで明記してください。標準的なFR4であれば、当社の製造能力は0.2 mmピッチまでのBGAに対応していますが、限界に近い条件では、パッド形状、ファンアウト、スタックアップは一体の設計判断となるため、最初のお問い合わせの際にパッケージ図面をお送りください。

BGA が落下や曲げに耐えられるかどうかは、パッドの種類によって決まりますか？

それ自体ではそうではありません。パッドの種類は、接合部がどこで破損するかには影響しますが、基板が過度にたわんでいるときに破損するかどうかを左右することはほとんどありません。

SMDパッドは銅を固定するため、過負荷時にはクラックははんだ内部を通って進行しやすくなります。 NSMD接合部ははんだの接触面積が大きいため、はんだの保持力が高くなり、弱点はパッドとラミネートの接合部へと移動します。 一方を他方に置き換えても、原因となっている応力は取り除かれず、故障位置が移動するだけです。

落下試験や振動試験でBGAが繰り返しクラックを起こす場合は、まず力学的要因を確認してください。パッケージ付近の取り付けネジやコネクタ、スタンドオフの間隔、基板厚、そして部品にアンダーフィルやコーナーボンディングが必要かどうかといった点です。NSMDパッド直下のビアを充填・キャップしておくと、めっきスルーホールがパッドを基板に結び付けるため多少の効果はありますが、これは基板の反り・たわみ対策の決定打ではなく、副次的なメリットとして扱っています。

ドッグボーンファンアウトか、ビアインパッドか？

ジオメトリが許す限りドッグボーンファンアウトを使用し、ビアとそのパッドが4つのボールの間に、有効なレジストウェブを残したまま収まらなくなった時点で、ビア・イン・パッド方式に切り替えてください。

ドッグボーンでは、ビアは4つのランドの中央に配置され、短い配線で接続されます。利用可能なスペースは対角線で決まり、これはピッチに√2を掛けた値です。その対角線からランド径を1つ分引いた残りの長さの中に、ビアパッドと両側のクリアランスを収めなければなりません。

ピッチだけがトリガーではありません。0.8 mm の大きなアレイでは、個々のドッグボーンが収まっていても、内側の列の逃げ経路が足りなくなることがあります。ビア・イン・パッドは、電源ボールからプレーンまでの経路も短くするため、実際の制約がインダクタンスである場合に有利です。

コストとしては、ドリル加工、フィル充填、平坦化、そしてその上からのメッキといった余分な工程が発生します。1.0 mm ピッチの BGA では、高密度な内側配列の引き出しやインダクタンスの低い電源経路が本当に必要な場合を除き、パッド内ビアはほとんど割に合いません。0.5 mm 以下になると、代替手段が層数の追加になるため、全体としてはパッド内ビアのほうが安価になることが多いです。標準的な FR4 では、パッド内ビア、レジンプラグ、ブラインド／ベリードビアに対応しており、レーザー加工による 4 mil までの穴あけが可能なため、ファインピッチ部品にはパッド内マイクロビアを使用し、それ以外の箇所ではスルーホールビアを使うことができます。

なぜパッド内ビアは充填およびキャップ処理をしなければならないのですか？

BGAランド内のオープンビアは、はんだを接合部から引き寄せてしまい、ガスを閉じ込めてしまうため、ランドを再び平坦ではんだ付け可能な状態にするには、そのビアを充填し、その上からメッキして埋める必要があります。

リフロー中、溶融したはんだがスルーホールの内壁を伝って流れ落ちていきます。ペースト量は印刷時に固定されているため、穴の中に流れ込んだ分だけ接合部からは失われます。その結果、はんだ不足の接合部、いびつなボール、あるいは数回の温度サイクル後に現れる断続的なオープン不良が発生します。スルーホール内のフラックスと空気は第二の問題であり、リフロー温度で膨張して溶融ボール内部へ押し込みます。そのためビア直上に大きなボイドができるのです。ビアがランドの内側に位置しているため、テント処理を行っても改善にはなりません。

キャップを行わずにプラグだけを行っても、作業は半分しか完了していません。レジンは濡れ広がらないため、ボールはパッド中央のはんだ付け不能な箇所に落ち、フィル内部に残ったくぼみはボイドのポケットになります。有効なプロセスは、レジン充填、平坦化、その上からの銅めっきであり、IPC-4761 では Type VII ビアとして説明されています。これが私たちの製造方法です。ビアインパッド銅メッキの前に穴をレジンで埋めることで、仕上がったランドは平坦になり、はんだ付けが可能になります。

ファブ図面上に2つの事項を文書で明記してください。処理内容を明確に指示し、例えば「ビアインパッド、IPC-4761 Type VII、非導電性レジン充填、平坦化および銅キャップ」といった形で記載します。また、設計上、キャップ表面のくぼみ（ディンプル）や突起に制限が必要な場合は、その条件を明示し、その仕様で製造可能かどうかを当社のエンジニアリングチームと必ず確認してください。レーザー・マイクロビアの場合、銅埋めビアという代替案もありますが、それがスタックアップに適合するかどうかについても、当社エンジニアリングチームと確認が必要です。

リフロー後のBGA接合部はどのように検査しますか？

BGA接合部は、パッケージ本体の下を光学的な方法では確認できないため、X線で検査します。

その検査はそれよりも前から始まります。3D SPI は、すべての BGA ランド上のペースト体積と高さを測定しますが、これは多くの後工程の不良が始まる場所であり、特に微細ピッチの NSMD ランドで顕著です。JTR-1200D-N リフロー炉で実装およびリフローした後、3D AOI がパッケージ位置を確認し、外周部で目視可能な接合部を検査します。その後、基板は…オフラインX線隠し配列用に。

X線画像では、ブリッジ、ボールの欠落や変形、オープン、ボイドを確認します。ビア・イン・パッド設計では、ビア位置上にあるボイドに特に注意を払います。というのも、そのパターンは、ペーストやプロファイルの問題ではなく、フィルまたはキャップの問題を示しているためです。ヘッド・イン・ピローは判定が難しい不良です。真上からの画像では良好に見えることがあるため、斜めからの観察や電気的／機能的テストによって発見されるのが一般的です。

見積もり段階でボイド許容基準をお知らせください。弊社の標準製造基準は IPC クラス 2 です。図面で異なる BGA ボイド基準が指定されている場合は、検査をお客様の基準値に合わせて準備できるよう、早い段階でその旨をお知らせください。

BGA パッド チェックリスト

よくある質問

フットプリントを SMD から NSMD に変更した場合、新しいステンシルが必要ですか？
通常はそうです。はんだ付け可能な領域とペーストの離型性の両方が変化するため、パッドタイプのリビジョンが変更されるたびに、アパーチャサイズを再確認します。

細ピッチBGAランドには、どの表面仕上げが最適ですか？
ENIG や OSP のような平坦なものです。HASL は、ピッチが小さくなるにつれて印刷品質が悪くなるドーム状の表面になります。

BGAリワーク中にNSMDパッドには何が起こるのか？
マスクでパッドの縁が固定されていないため、より簡単にめくれ上がります。フィールドでのリワークを想定している場合は、SMD コーナーを検討してください。

パッド内ビアに関するファブノートには、何を含めるべきですか。
ビアサイズ、充填材料、「平坦化および銅キャップ処理の有無」、ディンプルの許容限度、ならびにそれが適用される部品またはネット。

ビアインパッドは、層数を増やすよりもコストが安くなりますか？
単一のファインピッチBGAであればそうであることが多いですが、複数の大規模アレイの場合は、HDIスタックアップのほうが安価になることがあります。どちらの場合も、同じガーバーデータから見積もりが可能です。

プリント基板組立の見積もりを取得

役立つリソース

BGA実装サービス

ブラインドビアおよびベリードビア対応能力

HDI基板製造