信頼性の高いエレクトロニクスのための高度なBGA検査技術

ボールグリッドアレイ検査技術

テクノロジーの絶え間ない進歩により、エレクトロニクスは小型・軽量製品へと移行してきました。これらの消費者ニーズに応えるため、表面実装技術（SMT）が導入されました。しかし、これらの製品への需要増大は、迅速に組み立て可能な高密度技術の開発も必要としました。この推進力により、ボールグリッドアレイ（BGA）技術が開発されました。

BGAと類似デバイスは、現代のプリント基板（PCB）設計における標準要素となりました。しかし、これらのデバイスは組み立て後の検査が非常に困難で知られています。本記事では、BGA検査の課題、BGA品質管理で使用される検査技術、組み立て前の一般的なBGA欠陥の回避方法について説明します。

 

ボールグリッドアレイ検査とは？

ボールグリッドアレイは、デバイスを実装するために使用される集積回路用の表面実装パッケージです。BGAの底面はグリッドパターンで配置されたピンで覆われており、技術名の由来となっています。これらの接続はワイヤーピンではなく、はんだボールを持つパッドで作られます。これらの接続はパッケージの下に位置するため、慎重にはんだ付けする必要があります。

はんだ接続が完了すると、しかし、それらは肉眼では見えなくなります。見えないため、品質を確保するためにより高度な検査技術が必要です。ここでBGA検査が重要な役割を果たします。

BGA検査は、チップとPCB間の接続を分析して品質を確保するプロセスです。BGA検査では、パッケージのスタンドオフ高さ、接続品質など、ボールグリッドアレイのさまざまな側面を調べます。 BGA検査では、目視検査のみでは極めて限定的であるため、接続を詳細に見るには他の技術が必要です。

これらの分析方法には、電気的テスト、支援付き光学検査、X線検査が含まれます。これらの技術の構成要素については、記事の後半で詳しく説明します。

 

なぜ検査が重要なのか？

BGA検査が非常に困難なのは、はんだ接合部がBGAパッケージの下に位置しているためです。この配置により、検査のためにBGAをよく見るのは困難です。この難しさにもかかわらず、検査は以下の理由でBGAに不可欠です：

• はんだ付けの難しさ： BGAコンポーネントのはんだ付けはトリッキーで、グリッド内のすべてのボールが十分に溶けてはんだ接合を形成するために、アレイに十分な熱を加える必要があります。接続の密度とはんだ付けの難しさの両方により、欠陥が発生する可能性が高くなります。検査により専門家はこれらの欠陥を発見し、不良品の出荷を防止できます。
• 信頼性の低い電気テスト： 電気テストは電流をPCBに流して電気的に健全かどうかを確認します。しかし、このタイプのテストでは、BGAコンポーネントが接続されているときに電流がオンかオフかしか判断できません。これらのテストは、ごく一部の欠陥タイプしか発見できず、発見した欠陥の場所を特定できないため信頼性が低いです。この方法を他の技術と組み合わせた包括的な検査により、エラーとその場所のより完全な概要を作成できます。
• 材料の再利用： BGAにはんだ欠陥が見つかった場合、リワークステーションで取り外し、交換またはリファービッシュして再利用できます。検査プロセスは早期に欠陥を特定し、この方法で材料を節約できます。これにより材料廃棄が削減されます。
• 品質管理： BGA SMT実装は品質の高い物理的接続に依存するため、BGA品質管理にはこれらの接続の詳細な検査が含まれなければなりません。検査は一般的な欠陥とパターンも特定できます。これらは重要で、繰り返し発生する欠陥は製造・組み立てプロセス、さらにはPCB製品設計自体に問題がある可能性を示唆します。
• コスト削減： 徹底した検査プロセスは、次の生産段階に進む欠陥の数を最小限に抑えます。検査を通過した欠陥は、生産プロセスのさらに後で発見される可能性があり、リワークコストが高くなります。欠陥が発見されるのが遅ければ遅いほど、企業にとってコストが高くなります。だからこそ、早期の予防と解決が不可欠です。

検査の重要性から、検査チームはプロセスで徹底的かつ効果的なツールと技術を活用しなければなりません。そうすることで、これらのチームはすべての問題を発見し、それらがより大きくコストのかかる問題になる前に、場所と原因を特定できます。

 

一般的なBGA欠陥

BGAの複雑さにより、BGAのはんだ付けプロセス中に多くの潜在的な欠陥が発生する可能性があります。発生し得る問題には以下が含まれます：

• ミスアライメント： リフロー時にPCBとBGAがオフセットし、誤ったポイントで接続されることです。これはBGA組み立て中に発生する最も一般的な問題の一つです。
• 不均一なスタンドオフ高さ： BGAはPCBの上にセットされ、不適切なはんだ付けによりPCB表面で傾いた角度でセットされることがあります。この非対称なスタンドオフ高さは、接続の安全性を損なう可能性があります。
• 欠落ボール： BGAがPCBに取り付けられるときにボールが欠落している場合、重要な接続ポイントが組み立てから欠落する可能性があります。
• 非濡れパッド： 場合によっては、リフローしたはんだペーストがパッドを正しく濡らさないことがあります。これは不完全なリフローや、生産プロセスの前工程から残ったはんだレジストが原因かもしれません。
• ブリッジ： ペースト堆積物の間に余分なはんだペーストが残ることでブリッジが発生します。接続ポイント間のブリッジはしばしばショートを引き起こします。
• 部分リフロー： 場合によっては、リフローがボードを完全に覆わないことがあります。これは不十分なはんだリフロー、人為的エラー、機械的故障が原因でよく起こります。
• ポップコーニング： はんだ付けプロセス中にボールが合体することです。これはBGAの一般的な問題で、ブリッジと同様にショートを引き起こします。
• オープン回路： はんだがPCBパッドを濡らせず、はんだボールとコンポーネント表面に登ってしまうときに発生します。電気テストではこれがボード上の問題として特定できますが、原因を特定することはできません。
• ボイド： フローがはんだ接続の手前で止まることです。これは崩壊型BGAコンポーネントで一般的な問題です。

これらの問題はすべて最終製品にとって致命的なエラーとなり得るため、品質検査技術とテクノロジーでそれらを発見することは必須です。幸い、現代の検査技術は、これらの欠陥のほとんどを1つ以上の検査方法で特定できるレベルまで進歩しています。 しかし、組み立て前に可能な限りこれらの欠陥を回避することも不可欠です。

BGA欠陥を回避するための設計上の考慮事項

検査技術が多くの欠陥を製造プロセスを通過する前に発見できるレベルまで進歩しましたが、不具合を最初から回避するのが理想的です。これには設計チームの慎重な計画が必要です。BGAではんだ接合を成功させる確率を最大化するため、設計チームはPCBレイアウトで以下を考慮すべきです：

• BGAフットプリント： PCB設計者は、使用したいBGAデバイスの正しいフットプリントパターンを持っていることを確認する必要があります。フットプリントが正しいことを確認し、組み立て時のショートとはんだ問題を避けるため、PCBフットプリントパッドを正確に設計してください。
• 熱管理： PCBレイアウトは熱質量を考慮する必要があります。BGAを密にグループ化すると、高密度に実装された部分とそうでない部分の間で熱的不均衡が生じます。例えば、密にグループ化されたBGAを適切にはんだ付けするのに十分な熱を加えると、低密度領域で焼損が生じる可能性があります。逆に、低密度領域の焼損を避けるために十分な熱を加えると、BGAでボイドが発生する可能性があります。
• ビア配置： ビアやスルーホールはPCBの一般的な特徴ですが、ビアの配置ははんだのBGA組み立てプロセスでの挙動に影響を与える可能性があります。BGAパッドに隣接するビアは、パッドからビアへ余分なはんだが流れ、ショートを引き起こす可能性があります。これを避けるため、BGAパッドに隣接するビアをはんだマスクでテント処理してください。

これらの設計上の考慮事項に加えて、組み立て前に適切なリフロープロファイルを開発し検証することにも注意を払うべきです。これは、ボードがリフロー炉を通過する際、BGAボール/パッド接合部の温度範囲を測定・記録するプロファイラを使用します。これはスクラップのベアPCBとBGA部品で実行できます。このデータを使用して、ペーストのリフロープロファイルとPCBの熱プロファイルが正しいことを確認し、組み立て前に設計上の問題を特定できます。

 

ボールグリッドアレイの検査技術

欠陥回避が目標ですが、BGAとPCB間の接続を分析するためにBGA検査は常に必要です。直接目視観察でははんだ接合部を見るのはほぼ不可能なため、この分析はさまざまな検査技術とツールを使用して実現されます。これらのツールと技術は、信頼性が高くユーザーフレンドリーなものへと進化してきました。これらのツールを個別に使用して検査のすべての側面をカバーすることはできませんが、組み合わせることでBGAの包括的な視点を提供できます。

検査ツールと技術は、しばしば以下のカテゴリに分類されます：

 

1. 電気的テスト

BGAの電気的テストは、ボードの電気的特性をテストする別の検査プロセスです。これは機械的テストとは異なり、BGAに衝撃とせん断テストを適用して応力下のはんだ接合品質を評価する破壊的プロセスです。

電気的テストは、BGAに電流を流してボードの電気的安定性を分析します。テストは、BGAコンポーネント接続後に電流がオンかオフかを判断します。このタイプのテストは、ショートやオープンなどの電気的問題があるかどうかを特定するのに有用です。しかし、前述の通り、電気テストはこれらの欠陥の存在のみを特定できます。BGA上の欠陥の場所を特定するためには使用できません。

電気的テストは検査プロセスの重要なステップですが、BGAコンポーネント下のテストポイントを拾うのは困難です。電気テストだけで評価要件を満たすのも困難です。代わりに、電気テストは他のテスト技術と組み合わせて、ボールグリッドアレイ検査で問題を特定するためによく使用されます。

 

2. 光学/目視検査

光学検査（目視検査とも呼ばれる）は、光学技術を用いてBGAとその接続を観察する技術です。この技術は歴史的に肉眼や顕微鏡を使用し、限定的な結果しか得られませんでした。しかし、内視鏡の導入がこの検査技術にとって特に価値あるものであることが証明されました。

内視鏡はもともと医療用途向けに設計されましたが、狭い領域の微小物体を目視検査する技術の能力は、BGAに最適です。この技術は、高倍率レンズを備えたカメラと接続されたモニターを使用して、検査領域のクローズアップ画像を取得します。この技術は、高度な画像取得と測定のために可視化ソフトウェアと組み合わせて使用されることがよくあります。

内視鏡を用いた目視検査では、技術者がBGAとPCB間の外側列の接続を観察できます。良好な照明があれば、内側のいくつかの列も観察可能です。 この光学技術は、接合部の形状、表面テクスチャ、外観など、はんだ接合部の全体的な品質を特定および評価するのに役立ちます。これらはすべて異なる欠陥を示唆します。

光学検査は、ショート、オープン、デブリ、コールドはんだも特定でき、リワークの評価に不可欠です。適切なリフローカバレッジを特定できるためです。しかし、この検査技術の目視能力は限定的で、内部接続の詳細な分析はできません。

内視鏡について最後に一点：これらは非常に汎用性の高い検査機器です。内視鏡はBGAはんだ接合の検査だけでなく、通常の方法では分析が難しいさまざまな表面実装およびスルーホール実装アセンブリの検査にも使用できます。

 

3. X線検査

BGAにとって最も高度な検査方法はX線検査です。X線は、X線管からボードにX線エネルギーを放出することで機能します。X線はボードを異なる量で通過し、はんだ接合部などの高密度領域により多くのX線が捕捉されます。X線は検出器で収集され、可視光に変換され画像が生成されます。

この画像では、はんだ接合部が周囲より暗く見えるため、はんだパターンを観察できます。理想的なボードでは、同一の暗い円の均一なグリッドが表示され、円がはんだ接合部です。

X線テストの結果、ボールグリッドとはんだパターンがトップダウンアングルから容易に見え、検査できます。より高度なX線検査技術にはチルト機能があり、はんだ接合部の形状をさまざまな角度から分析できます。これらの画像は、はんだパターンと形状の変化を確認するのに特に有用で、はんだブリッジ、ポップコーニング、過剰はんだなどの欠陥特定に適しています。ただし、この技術はオープンの検出には不向きです。

内視鏡と同様に、X線検査技術はBGA検査以外のさまざまな用途で使用できます。例として、ビアとスルーホール検査、表面実装欠陥分析、無鉛はんだ検査などがあります。

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効果的で徹底したボールグリッドアレイ検査技術を組み合わせて使用することで、検査段階を通過する欠陥の数を大幅に削減できます。生産プロセスで進行する欠陥量を減らすことで、企業はコストのかかるリワークとリコールの発生を減らせます。 しかし、品質設計によってBGA欠陥を回避するのが常に理想的です。 BGA、検査技術、BGA欠陥回避方法についてご質問があれば、Millennium Circuitsの専門家にお問い合わせください。

Millennium Circuits Limited（MCL）は、ペンシルベニア州中部に拠点を置く業界トップクラスのPCBサプライヤーです。私たちの目標は、最高のPCBを最高の価格で提供し、競合他社から際立つために必要なPCB知識をお届けすることです。 10年以上の専念サービス、複数の受賞歴、世界中で400社以上の顧客を持つMCLは、信頼できるプリント基板会社です。

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