ボールグリッドアレイ検査技術

ボールグリッドアレイ検査技術

技術の絶え間ない進歩により、電子機器は小型で軽量の製品に移行しています。これらの消費者の要望に応えるために、表面実装技術（SMT）が導入されました。しかし、これらの製品に対する需要の高まりには、迅速に組み立てることができる高密度技術の開発も必要でした。この推進により、ボールグリッドアレイ（BGA）テクノロジーが開発されました。

BGAおよび同様のデバイスは、すぐに最新のプリント回路基板（PCB）設計の標準要素になりました。ただし、これらのデバイスは、組み立て後に検査するのが難しいことで有名です。この記事では、BGA検査の課題、BGA品質管理で使用される検査技術、および組み立て前に一般的なBGA欠陥を回避する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何ですか？

ボールグリッドアレイは、デバイスの取り付け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、グリッドパターンに配置されたピンで覆われているため、このテクノロジーの名前が付けられています。これらの接続は、ワイヤーピンではなく、はんだのボールが付いたパッドで行われます。これらの接続は、パッケージの下にあるため、慎重にはんだ付けする必要があります。

ただし、はんだ接続が完了すると、カジュアルな観察者には見えなくなります。それらは見えないので、それらの品質を保証するために、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認するプロセスです。 BGA検査では、パッケージのスタンドオフの高さ、接続の品質など、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、補助なしの目視検査は非常に限られているため、接続を詳細に調べるには他の手法が必要です。

これらの分析方法には、電気的検査、補助光学検査、X線検査が含まれます。これらの手法のコンポーネントについては、この記事でさらに詳しく説明します。

検査が重要な理由

BGA検査は、1つの理由で悪名高いほど困難です。はんだ接合部は、BGAパッケージの下にあります。この機能の配置により、検査のためにBGAをよく見ることが難しい場合があります。この困難にもかかわらず、次のようないくつかの理由から、BGAの検査は不可欠です。

• はんだ付けの難しさ ：BGAコンポーネントのはんだ付けは、アレイに十分な熱を加える必要があるため、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ができるため、注意が必要です。接続密度とはんだ付けの難しさの両方が、欠陥が発生する可能性が高いことを意味します。検査は、専門家がこれらの欠陥を見つけるのに役立ち、欠陥のある部品の発送を回避できます。
• 信頼性の低い電気テスト： 電気テストでは、PCBに電流を流して、PCBが電気的に健全であることを確認します。ただし、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を判断することしかできません。これらのテストは、少数の欠陥タイプしか検出できず、検出した欠陥の場所を特定できないため、信頼性がありません。この方法を他の手法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にはんだ欠陥があることが判明した場合は、リワークステーションを使用して取り外し、交換または再生して再利用できます。検査プロセスは欠陥を早期に特定するため、この方法で材料を節約でき、材料の無駄を減らすことができます。
• 品質管理： BGA SMTアセンブリは高品質の物理接続に依存しているため、BGA品質管理にはこれらの接続の詳細な検査を含める必要があります。検査により、一般的な欠陥やパターンを特定することもできます。繰り返し発生する欠陥は、製造および組み立てプロセス、さらにはPCB製品の設計に問題があることを示している可能性があるため、これらは重要です。
• コスト削減： 徹底した検査プロセスにより、次の生産段階に移行する欠陥の数を最小限に抑えます。検査に合格した欠陥は、製造プロセスでさらに捕捉され、手直しのコストが高くなる可能性があります。欠陥が発見されるのが遅いほど、あなたの会社にとってより高価になります。そのため、早期の予防と解決が重要です。

検査の重要性のため、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利用する必要があります。そうすることで、これらのチームはすべての問題を把握し、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の欠陥

BGAは複雑であるため、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。発生する可能性のある問題には、次のものがあります。

• ミスアライメント： PCBとBGAがリフロー中にオフセットされ、誤ったポイントで接続されると、ミスアライメントが発生します。これは、BGAアセンブリ中に発生する最も一般的な問題の1つです。
• 一貫性のないスタンドオフの高さ： BGAはPCBの上に設置されており、はんだ付けが不適切な場合、PCBの表面に曲がった角度でBGAが設定される可能性があります。この非対称のスタンドオフの高さは、接続のセキュリティを損なう可能性があります。
• 欠落しているボール： PCBに取り付けたときにBGAからボールが欠落している場合、重要な接続ポイントがアセンブリから欠落している可能性があります。
• 濡れていないパッド： 場合によっては、リフローされ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、製造プロセスの前のステップでの不完全なリフローまたは残留はんだレジストが原因である可能性があります。
• ブリッジ： ペーストの堆積物の間に余分なはんだペーストが残っていると、ブリッジが発生します。接続ポイント間のブリッジは、しばしば短絡を引き起こします。
• 部分的なリフロー： 場合によっては、リフローがボードを完全にカバーし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、または機械的な誤動作が原因で発生することがよくあります。
• ポップコーニング： ポップコーニングは、はんだ付けプロセス中にボールが結合するときに発生します。これはBGAに共通の問題であり、ブリッジと同様に、短絡が発生します。
• 開回路： はんだがPCBパッドを濡らさず、はんだボールとコンポーネントの表面に登ると、開回路が発生します。電気テストではこれをボード上の問題として特定できますが、問題の原因を特定することはできません。
• 排尿： はんだ接続の手前で流れが止まると、排尿が起こります。これは、折りたたみ可能なBGAコンポーネントでよくある問題です。

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になる可能性があるため、品質検査の技術と技術でそれらを把握する必要があります。幸いなことに、最新の検査技術は、1つまたは複数の検査方法を使用してこれらの欠陥のほとんどを特定できるところまで進歩しています。ただし、組み立てる前に、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の欠陥を回避するための設計上の考慮事項

検査技術は、製造工程を経る前に多くの欠陥を捕らえることができるように進歩しましたが、不規則性を避けることが常に理想的です。これには、設計チームによる慎重な計画が必要です。 BGAで正常にはんだ付けされた接合部を実現する可能性を最大化するために、設計チームはPCBレイアウトで次のことを考慮する必要があります。

• BGAフットプリント： PCB設計者は、使用したいBGAデバイスに対して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、組み立て中の短絡やはんだの問題を回避するために、PCBフットプリントパッドを正確に設計するように注意してください。
• 熱管理： PCBレイアウトでは、熱質量を考慮する必要があります。 BGAを密接にグループ化すると、ボードの人口の多い部分と人口の少ない部分の間に熱の不均衡が生じる可能性があります。たとえば、密接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、人口の少ない地域で火傷を負う可能性があります。逆に、人口の少ないエリアを燃やさないように十分な熱を加えると、BGAにボイドが発生する可能性があります。
• 配置経由： ビアまたはスルーホールはPCBの一般的な機能ですが、ビアの配置はBGAアセンブリプロセスでのはんだの動作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、パッドからビアに過剰なはんだが流れ、短絡を引き起こす可能性があります。これを回避するには、BGAパッドに隣接するビアをソルダーマスクでテントします。

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および検証するように注意する必要があります。これには、プロファイラーを使用して、ボードがリフローオーブンを通過するときのBGAボール/パッド接合部の温度範囲を測定および記録することが含まれます。これは、スクラップの裸のPCBとBGA部品で行うことができます。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

欠陥を回避することが目標ですが、BGAとPCB間の接続を分析するには、BGA検査が常に必要です。はんだ接合部を直接目視で確認することはほとんど不可能であるため、この分析はさまざまな検査技術とツールを使用して行われます。これらのツールと手法は、信頼性が高くユーザーフレンドリーになるように長年にわたって進化してきました。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、組み合わせるとBGAの包括的なビューを提供できます。

検査ツールと手法は、多くの場合、次のカテゴリに分類されます。

1。電気試験

BGAの電気的テストは、ボードの電気的特性をテストするもう1つの検査プロセスです。これは、BGAに衝撃およびせん断試験を行って応力下のはんだ接合部の品質を評価する破壊的プロセスである機械的試験とは異なります。

電気テストでは、BGAに電流を流して、ボードの電気的安定性を分析します。このテストでは、BGAコンポーネントが接続された後、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、短絡や開放などの電気的な問題があるかどうかを特定するのに役立ちます。ただし、前述のように、電気的テストではこれらの欠陥の存在を特定することしかできません。BGAのどこに欠陥があるかを特定するために使用することはできません。

電気試験は検査プロセスの重要なステップですが、BGAコンポーネントの下でテストポイントを取得することは困難です。また、電気試験だけで評価要件を満たすことも困難です。代わりに、電気テストは、ボールグリッドアレイ検査の問題を特定するために他のテスト手法と組み合わせて使用​​されることがよくあります。

2。光学的または目視検査

光学検査は、目視検査とも呼ばれ、光学技術を使用してBGAとその接続を表示します。この技術は歴史的に肉眼または顕微鏡を使用していましたが、限られた結果しか得られませんでした。ただし、内視鏡の導入は、この検査技術にとって特に価値があることが証明されています。

内視鏡はもともと医療用途向けに設計されたものですが、限られた領域にある小さな物体を視覚的に検査する技術により、BGAに最適です。この技術では、高倍率レンズと接続されたモニターを備えたカメラを使用して、検査領域のクローズアップ画像を取得します。このテクノロジーは、多くの場合、高度な画像キャプチャと測定のための視覚化ソフトウェアと組み合わせられます。

内視鏡による目視検査により、技術者はBGAとPCB間の接続の外側の列を見ることができます。適切な照明があれば、技術者はいくつかの内側の列も見ることができます。この光学技術は、接合部の形状、表面の質感、外観など、はんだ接合部の全体的な品質を特定して評価するのに役立ちます。これらはすべて、さまざまな欠陥を示している可能性があります。

光学検査は、短絡、開口部、破片、およびコールドはんだを特定することもでき、適切なリフローカバレッジを特定できるため、リワークを評価するために不可欠です。ただし、この検査手法の視覚的機能は制限されており、内部接続の詳細な分析はできません。

内視鏡に関する最後の注意点は、内視鏡は非常に用途の広い検査装置であるということです。内視鏡を使用して、BGAはんだ接合部、および通常の方法では分析が困難な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を検査できます。

3。 X線検査

BGAの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によって機能します。 X線はさまざまな量でボードを通過し、はんだ接合部などの密集した領域により多くのX線がトラップされます。 X線は検出器で収集され、検出器が可視光に変換して画像を生成します。

この画像では、はんだ接合部が周囲よりも暗く、視聴者がはんだパターンを確認できるようになっています。結果の画像は、理想的なボード内の同一のくまの均一なグリッドを示しています。円ははんだ接合部です。

X線検査の結果、ボールグリッドとはんだパターンが見やすく、上から下の角度から検査できる画像が得られます。より高度なX線検査技術は、さまざまな角度からはんだ接合部の形状を分析できる傾斜機能を備えています。これらの画像は、はんだのパターンや形状の変化を確認するのに特に役立ち、はんだブリッジ、ポップコーニング、過剰なはんだ、および同様の欠陥を特定するための優れたテクノロジーになります。ただし、このテクノロジーはオープンの検出には適していません。

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に使用できます。例としては、ビアおよびスルーホール検査、表面実装欠陥分析、無鉛はんだ検査などがあります。

ミレニアムサーキットに連絡する

効果的かつ徹底的なボールグリッドアレイ検査技術を組み合わせて使用​​すると、検査段階を通過する欠陥の数を大幅に減らすことができます。生産プロセスで進行する欠陥の量を減らすことにより、企業はコストのかかるやり直しやリコールの発生を減らすことができます。ただし、品質設計を通じてBGAの欠陥を回避することが常に理想的です。 BGA、検査技術、およびBGAの欠陥を回避する方法について質問がある場合は、MillenniumCircuitsの専門家に詳細を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をリードする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の知識を提供することです。 MCLは、10年以上にわたる献身的なサービス、複数の賞、世界中の400を超える顧客を擁する、信頼できるプリント回路基板会社です。

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