SMT実装におけるBGA部品とそのはんだ付け技術

BGA部品の分類と特性

・BGA部品の分類

異なるパッケージ材料に基づき、BGA部品は次の種類に分類されます：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）、CCGA（セラミック・カラム・グリッド・アレイ）、TBGA（テープ・ボール・グリッド・アレイ）、およびCSP（チップスケールパッケージ）。以下は、～について解説した記事です。これらの種類のBGA部品の長所と短所に関する詳細。

・BGAコンポーネントの特性

BGAコンポーネントが有する主な特性には、次のようなものがあります。
a. I/O リードピッチが非常に大きいため、同じ面積内により多くの I/O 数を収容できます。
b. パッケージの信頼性がより高く、はんだ接合部の不良率が低く、はんだ接合部の信頼性がより高い。
c. QFP（クワッドフラットパッケージ）チップの位置合わせは通常、作業者による目視で行われるため、位置合わせおよびはんだ付けが困難である。しかし、BGA部品はピンピッチが比較的大きいため、位置合わせとはんだ付けの実装はより容易である。
d. BGAコンポーネントでは、ステンシルを使ったはんだペースト印刷を行う方が容易です。
e. BGA のピンは、はんだボールが溶融した後にチップと PCB（プリント基板）間で平坦度誤差が自動的に補正されるため、QFP パッケージよりも平坦度が良好で安定している。
f. はんだ付け工程において、はんだ接合部間の張力により高いセルフアライメントが生じ、実装精度誤差を50%まで許容することができます。
g. 優れた電気特性を備えたBGA部品は、優れた周波数特性を得ることを可能にします。
h. BGAコンポーネントは、熱放散の面でより優れた性能を発揮します。

もちろん、利点とは別に、BGA部品には欠点もあります。主な欠点の一つは、はんだ接合部の品質検査が難しいことであり、はんだボールのつぶれを観察できるAXI（自動X線検査）やAOI（自動光学検査）装置に依存している点です。言うまでもなく、検査コストと難易度も上昇します。

BGA部品の保管および使用環境

BGAコンポーネントは湿気および熱に非常に敏感な部品の一種であるため、一定温度の乾燥した環境で保管する必要があります。さらに、組立前に部品への悪影響を防ぐため、作業者は作業手順を厳格に順守しなければなりません。一般的に言えば、BGAコンポーネントの最適な保管環境は、温度20°C〜25°C、湿度10%RH未満の範囲です。加えて、窒素ガスによる保管が最も望ましいとされています。

一般的に、BGAコンポーネントのパッケージを開封した後は、組立およびはんだ付け工程において長時間空気中にさらしてはならず、コンポーネントの品質低下によるはんだ付け品質の低下を防ぐ必要があります。BGAコンポーネントのパッケージを一度開封した場合、使用環境が30°C以下／60％RHの条件下では、8時間以内に使い切らなければなりません。コンポーネントを窒素中で保管する場合、使用可能時間をある程度延長することができます。

SMT（表面実装技術）実装中に、一度パッケージを開封したBGA部品が使い切れずに残ってしまうことは非常によくあります。BGA部品は、その優れたはんだ付け性を確保するために、次回使用する前にベーキングを行う必要があります。ベーキング温度は通常125°Cに保たれます。ベーキング時間とパッケージ厚さの関係は、以下の表にまとめられます。

ベーキング温度が高すぎると、はんだボールと部品との接合部における金属組織が変化します。はんだボールと部品パッケージの間に剥離が発生しやすくなり、SMT実装の品質が低下します。ベーキング温度が低すぎる場合は、十分な脱湿が得られません。BGA部品は、ベーキング後、自然環境下で30分間冷却してから実装することができます。

BGAコンポーネントのはんだ付け技術

BGAコンポーネントの実装技術は、基本的にSMTと互換性があります。主なはんだ付け工程としては、ステンシルを用いたパッドアレイへのはんだペースト印刷、BGAコンポーネントのパッドアレイへの位置合わせ、BGAコンポーネントのリフローはんだ付けが挙げられます。本記事の残りの部分では、PBGAのはんだ付けプロセスについて簡単に紹介します。

・はんだペースト印刷

はんだペーストの品質は、はんだ付け品質に大きな影響を与える重要な要素です。はんだペーストを選定する際には、優れた印刷性、優れたはんだ付け性、および汚染物質が少ないことといった点を考慮する必要があります。

はんだペーストの粒径は、部品のリードピッチに適合している必要があります。一般的に、リードピッチが小さいほど、はんだペーストの粒径も小さいほうが印刷品質は向上します。しかし、粒径の大きいはんだペーストのほうが、粒径の小さいものよりもはんだ付け品質が高くなる場合もあり、話はそれほど単純ではありません。したがって、はんだペーストを選定する際には、総合的な検討が必要です。BGA部品はファインピッチであるため、優れた印刷効果とはんだ付け効果を確保するには、粒径45μm以下のはんだペーストを選択するのが適しています。

はんだペースト印刷に使用されるステンシルは、ステンレス素材で作られています。BGA部品はファインピッチであるため、ステンシルの厚さは一般的に0.12mmから0.15mmの範囲に抑える必要があります。ステンシル開口部は通常、部品によって決定され、多くの場合、パッドよりも小さく設定され、レーザー加工によって形成されます。

印刷工程では、60度のステンレス製スクレーパーを使用し、その印刷圧力は35Nから100Nの範囲で制御されます。圧力が高すぎても低すぎても印刷には好ましくありません。印刷速度は10mm/sから25mm/sの範囲で制御されます。開口ピッチが小さいほど、印刷速度は遅くなります。さらに、作業環境の温度は約25°C、湿度は55%から75%RHの範囲であることが求められます。はんだペースト印刷後のPCB基板は、はんだペーストが長時間空気にさらされて製品品質が低下するのを防ぐため、はんだペースト印刷から30分以内にリフロー炉に投入する必要があります。

・コンポーネントの取り付け

実装の本質的な目的は、BGA部品上の各はんだボールをPCB基板上の各パッドと整列させることです。BGA部品のピンは肉眼では容易に確認できないほど短いため、正確な位置合わせには専用装置を使用する必要があります。現在までのところ、正確な位置合わせに用いられる主な装置には、BGA/CSPリワークステーションとチップマウンタがあり、その中でもチップマウンタの精度は約0.001mmに達します。ミラー認識を活用することで、BGA部品を回路基板上のパッドアレイに正確に実装することができます。

それにもかかわらず、BGAコンポーネントはミラー認識によってもはんだボールの100％完全な品質を保証できず、Z軸方向の一部のはんだボールは他のボールより小さい場合があります。優れたはんだ付け性を確保するために、BGAコンポーネントの高さを25.41μm～50.8μm低くし、さらに400msの遅延停止真空システムを適用します。はんだボールとはんだペーストが完全に接触することで、BGAコンポーネントのボイドはんだ付けを減少させることができます。

・リフローはんだ付け

リフローはんだ付けは、BGA 実装プロセスにおいて最も制御が難しい工程であり、そのため最適なリフローはんだ付けプロファイルの実現は、優れた BGA はんだ付けを達成するための重要な要素となる。リフローはんだ付けプロファイルは、予熱、ソーク、リフロー、冷却の4つの工程から構成される。これら4工程の温度と時間はそれぞれ設定および変更することができ、最適なはんだ付け結果を得ることが可能である。

・BGAリワーク

BGAのはんだ付け後のリワークは、周辺部品に影響を与えることなく、BGAチップ単体のはんだ付けおよびリワークを独立して行うことができるBGAリワーク装置上で実施されます。そのため、はんだ付け作業を容易にするために、BGAチップを覆うことができる適切なサイズの熱風リフローノズルを選定することができます。

BGA部品はんだ付け品質検査

BGA はボールグリッドアレイパッケージの略称で、部品の下にはんだボールを有しており、専用の検査装置を用いなければはんだボールの品質を把握することはほとんどできません。目視検査だけでは、はんだ接合部のはんだ付け品質を確認することはできません。現在のところ、BGA のはんだ付け品質を検査する装置は X 線検査装置であり、2D と 5D の 2 種類に分類されます。

2D X線検査装置は、低コストでクラック、はんだ抜け、ブリッジ、位置ずれ、不十分なはんだ量といったはんだ付け不良を検査することができます。しかしながら、2D X線検査装置の主な欠点は、2つの画像が重なっている場合に、部品画像がどちら側を反映しているのかを判別するのがやや難しいことがある点です。この欠点は、より高コストにはなりますが、5D X線検査装置を用いることで克服することができます。

PCBCartでは、お客様のBGA部品に対して100％の検査を実施します

PCBCartでは、各BGA部品は事前に検査を受けなければなりませんSMT実装最終製品の機能実装に貢献する際に最適な性能を発揮できるようにするためです。BGA コンポーネントの品質保証として、AOI および／または AXI をご利用いただけます。弊社の部品検査方針およびサプライチェーン管理規則の詳細については、お問い合わせ。

今すぐBGA実装の即時見積もりを取得

役立つリソース
•品質保証付き BGA 部品調達サービス（PCBCart 提供）
•PCBCart のフル機能 PCB 製造サービス
•PCBCart の高度なターンキー PCB アセンブリサービス
•BGA実装の品質に影響を与える要因
•BGAコンポーネントのはんだボール不良とその回避方法