BGAコンポーネントのはんだボール不良とその防止方法

電子製品が携帯性、小型化、ネットワーク化および多媒体化へと進むにつれて、多チップデバイスのパッケージング技術に対する要求は一層高まり、新しい高密度パッケージ技術が次々と登場している。その中でも最も普及しているのが BGA（ボール・グリッド・アレイ）である。従来パッケージで用いられていた周辺リード方式を変更することにより、BGA では基板裏面にはんだボールを配置しており、これらは実際には Pb/Sn はんだバンプ接合であり、リードとしての役割を果たしている。従来のパッケージ方式と比較して、BGA は単位面積当たりの多数の I/O、低リードインダクタンスおよび低キャパシタンス、優れた放熱性、そして位置合わせ精度に対する要求が低いといった利点を有しており、これらの要因により BGA パッケージは現代パッケージ技術の主流となっている。

前の段落で紹介した多くの利点にもかかわらず、BGAパッケージには欠点もあり、特に選別時の品質管理の面で顕著です。本稿では、品質管理に関するいくつかの対策を提供します。BGAコンポーネントそれらの特性に基づいて。

フィルタ処理中のBGA部品の起こりうる異常

フィルタ工程中におけるBGA部品の起こり得る異常は、主に「はんだボール」と「カバープレート」の2種類に分類される。前者には、はんだボールの損傷、はんだボールの脱落、はんだボールの酸化が含まれるが、後者については、GJB548B-2005 を参照しない限り判定することはできない。

・はんだボールの損傷およびカバープレートの傷

はんだボールの損傷およびカバープレートの傷は、主に経年劣化したソケットとの不適合によって発生し、その結果として高温化および部品の劣化を引き起こします。

BGAパッケージ用のテストソケットには、ニードルポイント型とクロー型の2種類があります。ニードルポイント型テストソケットは、はんだボールとソケットとの接触方式がニードルポイント形状、すなわちポイント・トゥ・ボール方式であることを特徴とします。このタイプのソケットは、はんだボールにニードルポイント痕を生じやすく、また長期間の使用後にはニードルポイント自体が変形しやすくなり、その結果としてはんだボールの損傷を引き起こします。クロー型ソケットとは、テストタンク内で完全なはんだボールを包み込む構造を持つソケットを指します。このタイプのソケットは、テストタンクの摩耗により摩擦が発生しやすく、その結果、はんだボール周辺部に衝撃や損傷が生じやすくなります。要するに、ニードルポイント型ソケットとクロー型ソケットのいずれも、長期間の使用後にははんだボールの損傷を引き起こします。

・はんだボールの脱落

はんだボールの脱落は偶発的な現象に属し、故障はしばしばニッケルめっき面または金めっき面で発生する。はんだボールの脱落は、パッド表面の汚染やニッケルの酸化などと関連している可能性がある。リフローはんだ付けの過程で、はんだペーストとはんだパッドとの密着性が良くない場合、湿度試験中にはんだボールが脱落する原因となる。はんだボール脱落のもう一つの可能な原因は、パッド表面の金めっき厚さに関連しており、金が厚すぎると錫とともにもろい金属間化合物を生成しやすくなり、その結果、はんだボールが脱落しやすくなる。

・はんだボールの酸化

BGAパッケージ部品の品質検査における第一次選別では、はんだボールの酸化はほとんど発生しない。はんだボールが空気にさらされる時間が長くなるほど、酸化は起こりやすくなる。その結果、はんだボールの酸化は通常、第二次選別工程で発生する。したがって、BGA部品の品質管理においては、はんだボールの酸化を防止することが非常に重要である。

BGA部品の品質管理をどのように実施するか？

・厳密なIQC

目視検査は、BGA を含むあらゆる部品の IQC（受入検査）において不可欠である。BGA 部品では、はんだボールを顕微鏡下で 100％検査することが求められ、特に二次選別後の BGA 部品に対してはこの検査が必要となる。なぜなら、二次選別に回される BGA 部品は長期間保管されることが多く、その間にはんだボールが酸化する可能性があるためである。目視検査は、外観が規格に適合しているかを確認するために用いられる。さらに、輸送過程で BGA 部品の保護が不十分な場合があり、その結果、はんだボールの損傷や脱落が発生する。

・プロセス制御

BGAコンポーネントの選別工程においては、はんだボールの保護が重要です。はんだボールが損傷する問題を防ぐために、以下の対策を講じることができます。

a. 標準操作

BGA部品の標準作業手順を策定し、BGA部品の現場管理を強化する必要がある。

b. 保護

1) 抗酸化：すべてのBGA部品およびそのテストソケットは、テスト段階において、はんだボールおよびソケットの酸化を遅らせるために窒素キャビネット内に保管する必要があります。

c. テストプロトタイプ

各試験の前に、ソケットについて 1～2 個のサンプルを用いて試験を行い、カバープレートに傷が生じるかどうか、およびはんだボールに損傷が発生していないかを確認しなければならない。異常が確認されない場合は、試験を継続してよい。異常が認められた場合は、ソケットが修理されない限り、試験を継続してはならない。

d. ソケットの寿命評価および検査

すべてのソケットにはそれぞれの寿命があり、その寿命を超えると部品の品質は著しく低下します。そのため、BGA部品の寿命評価は本質的に重要となります。ソケットの生産が開始された後は、その寿命を評価し、BGA部品の寿命に達する前に検査を実施する必要があります。後続の試験に先立ち、試験数量を見積もらなければなりません。ソケットに起因する問題によって外観上の不具合が生じないことを保証するため、試験前後にソケットおよび部品の検査を実施する必要があります。

e. 品質管理

品質は最初から重視されるべきである。まず、すべての管理者および第一線の作業者に対して、品質に関する広報・徹底および品質教育を実施し、全従業員が既存のすべての問題および容易に発生しうる問題を認識できるようにして、広報と徹底が不十分であることに起因する品質問題が再び引き起こされないようにしなければならない。次に、第一線の作業者に対して訓練を行い、作業を標準化することで、不適切な作業による品質ロスを最小限に抑える必要がある。最後に、品質検査と品質フィードバックも必要である。品質情報の統計および品質フィードバックを報告しなければならない。報告内容には、データ統計、ロット不良、潜在的な品質リスク、および品質管理に関する提案が含まれ、これらはすべて、顧客に対する信頼できる情報として、また上位部門が管理施策を見習うための参考資料として提供される。

さらに、品質システム内では内部監査および監視検査を積極的に実施する必要があります。品質管理は、購入先を厳格に管理し、重要な工程を重視することによって、最初の段階から開始しなければなりません。実務上の問題が明らかになった場合には、継続的な改善措置を維持する必要があります。

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厳格なサプライチェーンマネジメントシステムに準拠し、PCBCart は購入部品に対して全面的かつ厳密な IQC（受入品質管理）を実施しています。20年以上にわたる業界経験により、PCBCart は多数の認定電子部品メーカーおよびディストリビューターと長期的な協力関係を維持してきました。すべての部品は、正規の PCBA に使用される前に検査を受けなければなりません。

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