BGA組立品質に影響する主要因子：包括的ガイド

超大規模集積回路（IC）の急速な発展に伴い、従来のパッケージタイプでは電子組立需要を満たせなくなり、より高い集積度、より小さな基板サイズ、より多くのI/O数という要求の後押しにより、新しいパッケージが登場しています。前述の新しいパッケージタイプの中で、BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージは、従来パッケージの複数の制限を克服する多様性により、最も幅広い適用分野を持つ主要タイプです。半田付け技術の観点からは、BGAパッケージはQFP（クワッドフラットパッケージ）など従来パッケージとほとんど異なりません。しかし、ピンがはんだボールに置き換わったことは、電子組立における革命と見なされ、CSP（チップスケールパッケージ）などの派生パッケージの出現をもたらしました。現在でも、BGA半田付けは従来のSMT（表面実装技術）を適用して実装され、通常のSMT組立装置で実行可能です。本記事では、BGAパッド設計、半田ペースト印刷、実装位置合わせ精度、半田付け温度プロファイル、半田付け欠陥など、BGA組立技術の適用に影響する因子について議論します。

BGAパッド設計の実現可能性

BGAパッケージは異なるピッチに基づいていくつかの分類があります。一般的に、BGAパッド設計はCAD配線実現性とPCB（プリント基板）製造性を最初に考慮すべきです。BGAパッドには多数のタイプがあり、スペースが許せば自由に選択できます。以下に一般的に使用されるタイプを示します。

・ドッグボーンパッド

ドッグボーンパッドはビアを利用してトレースを他層に導くため、パッドサイズにいくつかの制限が課されます。ビアの存在により、PCB製造プロセス中にソルダーマスク剥離による半田ブリッジなどの欠陥が発生しやすくなります。したがって、パッドサイズは実際の製造レベルに厳密に準拠して設計し、BGA半田付け時の半田付け欠陥を最小限に抑え、将来のBGAリワークのためのスペースを残す必要があります。

・BGAパッド外部に分散するビア

このタイプのパッドは、I/O数の少ないBGA部品に最適です。このパッド設計は半田付けの利便性を提供し、パッドサイズにより自由なスペースを設けます。もちろん、配線の面からは基本要件を満たす必要があります。したがって、I/O数の多いBGAではこのタイプのパッドを活用することはほぼ不可能です。

・ビアインパッドパッド

ビアインパッドは、PCB製造におけるマイクロビア技術の進歩とともに発展しました。

パッドタイプの他、ソルダーマスクとBGAパッド位置はBGA半田付けと直接関連します。ソルダーマスク位置の違いにより、BGAパッドはSMD（ソルダーマスク定義）パッドとNSMD（非ソルダーマスク定義）パッドの2タイプに分類され、それぞれBGA半田付けに異なる機能を持ちます。SMDパッドを適用すると、パッドとはんだ接合部の間で大きな接合面積を持ち、PCB基板とはんだ接合部の間で同等に大きな接合面積が得られます。しかし、パッドサイズが大きくなると、隣接パッド間の間隔が狭くなり、ビアパッド分布と配線能力に影響します。

PCB製造手順において、ソルダーマスクが同方向に偏差する場合、BGAパッドは影響を受けず、BGA半田付けに有利です。しかし、このタイプのパッドはソルダーマスクリワーク時にエッジで破損しやすく、リワーク効果に悪影響です。NSMDパッドを使用すると、パッドが相対的に小さくなり、ビアパッド分布と配線に有利です。しかし、このパッド構造ははんだ接合部とパッドの接合面積を減らし、さらに半田接合部の接合強度を低下させます。一言で言えば、両パッドにはそれぞれ利点と欠点があり、技術的考慮に基づいて対応するパッドを決定できます。

半田ペースト印刷

半田ペースト印刷は半田付け品質を決定する鍵となります。半田ペースト印刷は、ステンシル、半田ペースト、プリンターが関与し、ステンシルからパッドへの半田ペーストの正確な転写です。半田ペーストプリンターの精度はまずBGA組立の要求に適合すべきです。ステンシルはその厚さと開口サイズを通じて半田ペースト量を決定します。BGAパッケージが要求する半田ペースト量は通常、以下の3側面で決定されます：
• 優れたBGA半田付け接続を確保するため十分な半田を使用すること。
• 半田ペースト量はBGA部品のはんだボール共平面性誤差（通常0.1mm）を補償すべき。
• 基板上に他の微細ピッチ部品がある場合、半田ペースト量を包括的に考慮し、更なる半田付け欠陥の発生を防ぐこと。

位置合わせ精度

基板上のBGA部品の正確な位置は、チップマウンターの精度にほぼ完全に依存します。ほとんどのチップマウンターは特定の位置決めシステムを備え、BGA部品の正確な位置決めを支援できます。さらに、一部のチップマウンターはBGAはんだボールの共平面性を検査し、欠球などの欠陥を認識でき、BGA半田付け信頼性の向上に極めて有益です。

さらに、BGA部品の実装精度をさらに向上させるためのその他の対策も可能です。例えば、BGAパッド外部にローカルフィデューシャルマークを設定する、または数本の折り線をフィデューシャルマークとして設定して組立後の手動検査に用いる、両者は実用製造で効果が実証されています。

さらに、BGA部品は半田の表面張力により半田付けプロセスで明確な自己中心効果を示すため、一部の設計者はBGAパッド設計で4隅のパッドを意図的に拡大し、自己中心効果をより明確にして、実装位置がズレた際にBGA部品が自己リセットできるようにしています。

半田付け温度プロファイルと半田付け欠陥

半田付け温度プロファイルは直接半田付け品質を決定します。温度プロファイルは通常、予熱フェーズ、浸透フェーズ、リフローフェーズ、冷却フェーズの4フェーズを含み、それぞれ異なる物理/化学変化を特徴とします。温度プロファイル設定が半田接合部の形成プロセスを決定するため、半田接合部の信頼性と密接な関係があります。BGAパッケージの特殊性により、満足のいく温度プロファイルを生成するのは極めて困難です。一般的に、BGA部品には3つの温度測定が必要です：パッケージ温度、基板表面温度、BGA内部はんだ接合部温度。

BGA検査とリワーク技術

全てのBGAはんだ接合部が半田付け後にパッケージ下にあるため、フライングプローブテストや目視検査などの従来検査手法では実用ニーズを満たせません。現在、BGAはんだ接合部の半田付け欠陥をスキャンできる主要手法は、AOI（自動光学検査）テストとAXI（自動X線検査）テストです。

BGA構造の特性に基づくと、BGA部品の単一はんだ接合部を検査することはほぼ不可能です。しかし、パッケージ全体をリワークすべきです。

その他の因子

BGA組立プロセスでは、静電気保護とBGA部品ベーキングなどのその他の因子にも注意が必要です。通常、BGA部品は静電気保護要件を持つ特殊パッケージを要求します。プリント基板組立プロセスでは、設備アース、スタッフ管理、環境管理を含む厳格な静電気保護対策を講じるべきです。

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参考資料
• BGAの包括的入門
• BGA半田付けクラックの主な理由
• BGA部品のはんだボール問題と回避方法
• PCBCartの高度ターンキーPCB組立サービス
• PCB組立価格の取得方法
• PCBメーカーまたはPCB組立業者の評価方法