高品質BGA実装プロセス能力を確保する重要因子

BGA（ボールグリッドアレイ）実装は、はんだ付け実装技術と完全に互換性があります。チップスケールBGAのピッチは0.5mm、0.65mm、0.8mmであり、プラスチックまたはセラミックBGAコンポーネントは1.5mm、1.27mm、1mmなどのより広いピッチを特徴とします。細ピッチBGAパッケージは、ピンパッケージのIC（集積回路）よりも容易に損傷し、BGAコンポーネントは特定のI/Oピン要求を満たすために接点を選択的に削減できます。SMT（表面実装技術）実装で適用される最先端技術として、BGAパッケージは細ピッチおよび超微細ピッチ技術に適合する重要な選択肢となり、信頼性の高い実装技術によって高密度相互接続を実現し、このタイプのパッケージの応用がますます増えています。

BGA実装におけるX線断層撮影検査装置の適用

ほとんどのPCB（プリント基板）メーカーと電子機器メーカーは、BGAコンポーネントが電子実装に適用されるまで、製造プロセスにおけるX線検査の必要性をそれほど感じていませんでした。従来の検査方法（MVI（目視検査）、MDA（製造欠陥解析）、ICT（インサーキットテスト）、機能テストなどの電気テスト）は十分と見なされていました。しかし、これらすべての検査方法は、空洞、コールドはんだ、不良スズはんだ付着などの隠れたはんだ接合部の問題を発見できません。X線検査システムは、隠れたはんだ接合部を検査し、製造プロセスの確立と制御、試作分析、プロセス確認に役立つことが検証された検査ツールです。MDA、ICT、AOI（自動光学検査）とは異なり、X線検査システムはショート、オープン、空洞、BGAはんだボールのアライメントを確認し、プロセス品質を監視し、高い製造効率でSPC（統計的プロセス制御）のための即時フィードバックデータを提供できます。

X線断層撮影検査装置は、はんだ接合部の画像を取得して断層画像を生成し、自動はんだ接合部解析とリアルタイム断層スキャンを実装できます。さらに、PCB基板の両面のすべてのコンポーネントのはんだ接合部について、数秒〜2分で正確な比較解析を行い、はんだ接合部が合格か不合格かの結論を導き出せます。

BGA実装プロセスと変動源

X線検査システムをより効果的に使用するには、BGA実装プロセスの制御パラメータとパラメータ制御限界を明確にする必要があります。BGA実装プロセ스는以下のシーケンスに従います：

BGAコンポーネントの共晶はんだボールが実装プロセスではんだペースト内で実装されるとき、その位置は通常、液状はんだスズの自己整列によって補正されます。したがって、実装精度は細ピッチリード部品ほど本質的ではなく、BGAコンポーネント実装技術における主要な制御フェーズははんだペースト印刷とリフローはんだ付けです。さらに、はんだ接合部の形状とサイズの変動も多くの他の要素と関連しています。

すべての変動を排除することはほぼ不可能なので、製造プロセス制御の鍵は各製造フェーズでの変動を低減することです。BGAコンポーネントからPCB実装プロセス全体を考慮すると、はんだ接合部品質に影響を与える主要因子は：

1. はんだボールの体積
2. BGAコンポーネントパッドサイズ
3. PCBパッドサイズ
4. はんだペースト体積
5. リフローはんだ付けプロセス中のBGAコンポーネント変形
6. リフローはんだ付けプロセス中のBGA実装エリアでのPCB変形
7. 実装配置精度
8. リフローはんだ付け温度曲線

どのタイプの検査装置を使用しても、はんだ接合部が合格かどうかを判断する際には根拠が必要です。IPC-A-610Cは12.2.12項でBGAはんだ接合部の合格基準の定義を規定しています。優良なBGAはんだ接合部は、滑らか、丸み、エッジが明確、空洞なしであることが要求されます。直径、体積、グレースケール、コントラストはすべての接合部で同一で、位置は整列し、変位やねじれがないことが必要です。

BGA実装プロセス能力

以下の議論では、あるタイプのBGAコンポーネントを例として使用します。このタイプは、520ピン、サイズ2"×2"のPBGA（プラスチックボールグリッドアレイ）コンポーネントで、共晶はんだボールを備え、ノークリーニングフラックスを活用しています。6シグマプロセス能力解析を実施し、BGA配置精度、はんだ接合部オープンとショートの発生確率を検証します。計算前の前提条件は：

1. BGAコンポーネントパッドまたはPCBパッドに変動がない
2. BGAコンポーネントは変形しない（リフローはんだ付けプロセス）
3. 平均偏差はリフロー後の平均はんだ接合部体積に基づいて算出
4. BGAコンポーネント重量は浮力と表面張力でバランスされていると仮定
5. パッドと共晶はんだボールは良好なはんだ付け性を持つ
6. すべての分布は正規分布である

・BGA配置

標準SMT装置を使用してBGAコンポーネントを実装。一般的な実装装置は、BGA共晶はんだボール画像を認識可能で、配置プロセス能力は以下の通りです：

上記データに基づき、プロセス能力が6シグマのとき、最大配置偏差は6.53milです。パッド直径が28milであるため、はんだペースト溶融時の表面張力によるコンポーネントの自己整列において、配置偏差は無視できます。BGAコンポーネント配置プロセスにおいて、6シグマレベルに適合します。

・オープン回路のはんだ接合部

実装プロセスでは、共晶はんだボールの不十分な崩壊によりオープンはんだ接合部が発生しやすくなります。520ピンのPBGAでは、共晶はんだボールは直径30milのボールで、標準偏差は500mil³（体積参加）で、体積は14,130mil³に規定されています。BGAとPCBパッドの直径は28milで、はんだペースト厚は6milです。したがって、リフロー後の平均はんだ接合部体積で決定されるはんだ接合サポートの平均高さは約24milです。6シグマ能力としてはんだボール体積変動を考慮すると、

リフロー後、平均はんだ接合部体積で決定されるはんだ接合サポートの高さは19milです。プロセス能力を6シグマに設定すると、はんだペースト厚は4〜8milと測定されます。さらに、BGAはんだボールははんだペースト内で3mil崩壊し、以下の計算データが導かれます：
はんだボール下のはんだペースト最小厚 = 3mil
最小崩壊 = 7mil
最小統合崩壊 = 10mil
オープン回路防止のための最小安全偏差 = 2.2mil

上記変動が一定範囲内で制御されれば、BGAリフローはんだ付けプロセスは6シグマを達成できます。

残念ながら、BGAコンポーネントとPCBの変形は通常、BGAリフローはんだ付け実装時のはんだ接合サポートの高さ不整合を引き起こします。BGAコンポーネントとPCBパッドの差異がプロセス変動をもたらします。総じて、すべての変動を考慮しても、オープンはんだ接合部は依然として発生します。したがって、X線検査システムを使用してオープンはんだ接合部の欠陥検査を行うことができます。

・はんだ接合部ブリッジング（ショート回路）

同じ方法で、はんだ接合部ショート回路が実装プロセス能力に与える影響を推定できます。はんだ接合部は直径において互いに異なり、測定データによると、6シグマプロセス能力下では各はんだ接合部の接合体積は12,800〜19,250mil³の範囲にあります。その結果、最小はんだ接合サポート高さは15mil、最大はんだ接合直径は38.5milとなります。50milピッチのBGAコンポーネントでは、はんだ接合部ブリッジングはほとんど発生しません。

統計的プロセス制御解析

効果的なBGA実装プロセス制御は、はんだ接続への変動を減らします。しかし、実際の実装プロセスでは、以下の変動がプロセスを変動させ、それらの一貫した監視が求められます：

1. はんだペースト高さと体積
2. BGAコンポーネント側面接続の直径
3. PCBパッド側面接続の直径
4. 接続中心部接合直径
5. 空洞サイズと発生率
6. スズボール

はんだペースト厚はX線検査装置で監視でき、はんだ接合部の形状と一貫性に基づいてプロセス変動を一定レベル内で制御できます。

本記事はPCBCart編集者Dora Yangにより執筆され、元々SMT007 Magazine 2018年5月号に掲載されました。

PCBCartがBGA実装を専門的に対応

PCBCartは長年にわたりPCB実装サービスを提供しており、BGA実装プロジェクトで豊富な経験を持っています。0.4mm以上のBGAピッチを処理でき、BGAボール数は2〜50の間です。PCB実装要件にBGA実装が含まれる場合、こちらからお気軽にご相談ください。実用的でコスト効率の良いソリューションを提供します。または、下記ボタンをクリックしてPCBA見積もりリクエストを送信してください。カスタム基板実装コストとソリューションをできるだけ早くご連絡します。

参考リソース
・BGAパッケージタイプの簡単な紹介
・BGAパッケージング技術の紹介
・BGA実装品質に影響を与える要因
・PCBCartのワンストップ生産サービスはPCB製造、部品調達、ターンキー実装をカバー