PCB実装の向上：先進ボトムフィル技術
ボトムフィル技術の分類
ボトムフィルは、毛管流理論に基づく流動性ボトムフィルと非流動性ボトムフィルに分類されます。現在、BGA・CSP等チップに適したボトムフィル技術には主に以下が含まれます：毛管ボトムフィル技術、SMTホットメルト接着シート技術、ACA（異方性導電接着剤）およびACF（異方性導電フィルム）技術、ESC（エポキシ封止はんだ接続）技術など。毛管ボトムフィルとSMTホットメルト接着シートでは、フラックスとフィラーが独立していますが、ACA/ACF技術とESC技術では、フラックスとフィラーが一体化されています。
毛管ボトムフィル技術
毛管流の理論は以下の通りです。液状エポキシ樹脂などの流動性に優れた液体をBGA・CSPチップ周囲に滴下し、毛管作用でチップ底面とPCB間の空間に液状樹脂を吸引。その後、加熱または紫外線硬化により樹脂・はんだ付け済みチップ・PCBを一体化し、はんだ付け点を保護、応力による悪影響を低減、はんだ付け点の信頼性を向上させます。
毛管ボトムフィル技術は、PCBチップボトムフィルとフリップチップパッケージングに適用されます。チップ底面のはんだボール点にかかる応力を分散させ、PCB全体の信頼性を向上させます。プロセスは以下の通り：
- はんだペースト印刷済みPCBにBGA・CSP等の表面実装チップをマウント
- リフローはんだ付けで合金接続を形成
- チップはんだ付け後、分配技術でボトムフィル材をチップ底面の1-2エッジに充填
- フィル材がチップ底面で流動し、チップとPCB間の空間を充填
毛管ボトムフィルは信頼性を大幅に向上させますが、フィル材充填装置、装置組立用の十分な工場スペース、繊細な操作が可能な作業者が必要です。また、PCB実装完了まで実施できず、操作困難、時間・エネルギー消費大、充填量制御が難しいという欠点もあります。そのため、熱膨張係数がPCB基板と極めて異なるキーチップやチップにのみ適用され、PCB実装で大規模には採用されていません。
SMTホットメルト接着シート技術
RoHS・WEEE規制に準拠し、無毒・ハロゲンフリー・重金属残留なし・優れた絶縁性・標準互換の境界寸法・精密サイズ・光学識別マウントに便利などの利点があります。SMTホットメルト接着シートはPCBとBGA/CSP間にマウントでき、通常の鉛/鉛フリーはんだ付け工程でのはんだ付けが可能。溶融工程でははんだの影響を受けず、溶剤蒸発がなく洗浄不要という特性は、理想的なPCBフィル材と言えます。プロセスフロー図を図1に示します。
図1に基づくと、SMTホットメルト接着シート技術の適用は、ICチップマウント前にホットメルト接着シートマウント工程を追加するだけで、ボトムフィルが必要なBGA・CSPチップをICチップマウント前に接着シートでマウント。最終的にリフローはんだ付けでチップはんだ付けとボトムフィルが完了し、再充填工程が省略されます。少量生産PCBのボトムフィルに非常に適しています。
ACAおよびACF技術
ACAとACF技術は、はんだ付けとボトムフィルを同時に完了させ、工程とコストを削減します。両者とも一般的に基材樹脂と導電充填材で構成される導電接着剤で、ICA（等方性導電接着剤）とACA（異方性導電接着剤）に分類されます。ACAはフィルタイプの導電接着剤で、電気接続を完了しながらボトムフィルを実現。形状によりゼラチン状と薄膜状に分類され、薄膜状ACAは一般に異方性導電フィルム（ACF）と呼ばれます。ACAはZ軸方向に導電性を持ち、X・Y軸方向では非導電。導電粒子層上に絶縁層が設けられ、粒子同士は導通しません。チップバンプとPCB基板パッド間の応力で粒子が応力を受け、絶縁層が潰れることでZ軸方向の導電性が確保されます。
ESC技術
ESC技術（エポキシ封止はんだ接続技術）は、ACFに代わって「ペースト粒子＋樹脂」のペースト材料を使用する新技術です。プロセスフロー：PCBパッドにはんだペースト樹脂接着剤を滴下 → チップバンプをPCBパッドに合わせてマウント → 加熱圧縮ではんだ付けと樹脂硬化を完了。
ボトムフィルのリワーク
現行技術では供給チップの良品を完全に保証できず、不良チップがPCBテストで初めて判明することがあり、リワーク・交換のニーズが高まっています。PCBチップのボトムフィル材に優れた熱安定性と不溶性があると、リワーク難易度が上がり、場合によっては基板全体を廃棄せざるを得ません。エポキシ樹脂に弱い化学結合を導入すれば、硬化後に加熱や化学薬品添加で樹脂を分解でき、ボトムフィルのリワークが容易になります。
PCBへのボトムフィル技術適用は、BGA・CSP等チップのはんだ接合強度を高め、落下耐性・耐熱サイクル性能・信頼性を向上させます。今後、PCB実装で大規模に適用されることが期待されます。
参考リソース
- PCBの製造・実装向け設計（DFM/DFA）と準拠すべき一般ルール
- プリント基板実装プロセス
- プリント基板実装検査方法
- SMT実装業者の能力評価に役立つ方法
- 品質を犠牲にせずPCB実装コストを削減する6つの効果的方法
- PCBCartのフル機能PCB製造サービス - 複数の付加価値オプション
- PCBCartの先進PCB実装サービス - 1個から対応
産業技術