ボールグリッドアレイ（BGA）は、現在最も人気のあるパッケージング技術の一つです。多ピン、小型、優れた電気特性を特徴としています。しかし、この技術には大きな課題が伴います。それは、はんだ付け品質検査です。通常、BGAは、はんだ付け品質検査の実施を義務付けています。 X線検査 BGAのはんだ付け問題を検出するために、私たちは様々な方法を試してきました。その過程で、よくあるBGAのはんだ付け問題に遭遇しました。この記事では、それらの問題の原因を一つずつ解説し、さらに重要な点として、どのように回避するかを説明します。
BGAのはんだ付けに関する6つのよくある問題
はんだボールブリッジ
はんだボールブリッジ 隣接するはんだボールが意図せず短絡してしまう状態です。これはBGAの組み立て時に頻繁に発生し、多くのトラブルを引き起こす問題の一つです。はんだボールブリッジの主な原因としては、はんだペーストの過剰供給、はんだペーストの印刷方法の誤り、部品の不適切な配置、リフロー工程における不適切なプロファイルなどが挙げられます。
はんだボールの欠落
はんだボールの欠落とは、はんだボールが意図せず欠落したり、位置がずれたりすることを指します。 BGAパッケージはんだボールの欠損は、電気接続不良や電源障害の原因となります。この欠陥は容易に特定でき、BGAアレイのX線検査でより顕著に現れます。はんだボールの欠損の原因としては、熱疲労、使用されているはんだやその他の材料の品質の低さ、ボールの不適切な配置、プリント基板のビアをはんだボールが通過することなどが考えられます。
枕に頭を入れる欠陥
枕に頭が入るというのは、はんだボールが基板と完全に接合されない部分的な接続の問題の一種です。 PCBパッド断面を見ると、枕の上に頭が乗っているように見える欠陥です。この欠陥は、BGAパッケージャーまたはPCBの反り、はんだボールまたはパッドの酸化、リフロー温度または時間、あるいはその両方に起因します。
はんだ接合部のボイド
BGAはんだ付けにおけるもう一つの一般的な問題は、はんだ接合部のボイドです。これは、はんだ接合部内に生じる気泡や空洞のことを指し、大きくなると接合部の信頼性に悪影響を及ぼします。ある程度のボイドは許容範囲とされていますが、許容範囲を超えると懸念されます。このような問題の原因としては、PCBやその他の部品からのガス放出、フラックスの滞留、リフロープロセスにおける不適切なプロファイルなどが挙げられます。
はんだボールの崩壊
はんだボールの潰れは、BGAとPCB間の距離が必要以上に狭くなることで発生する、BGAのはんだ付けにおける典型的な問題の一つです。これにより、ショートや機械的な浮き上がりが発生する可能性があります。はんだボールの潰れにつながる主な要因としては、リフロー時の温度や時間が高すぎること、はんだペーストの量が適切でない、リフロー工程における支持不足などが挙げられます。
はんだボールシフト
はんだボールシフトとは、BGAのはんだボールが特定の方向に傾き、ボールとPCBパッドの位置合わせが不完全な状態になることを指します。この欠陥は電気的な性能には影響しませんが、当社の認識では、はんだ付けの安定性を低下させる可能性があります。はんだボールシフトは、実装工程での位置ずれ、湿気によるはんだボールの動き、熱膨張・収縮による微小な動きの制御不足、BGA部品の品質、そして設計段階でパッドのレイアウトと寸法が適切に設計・適合されていなかったことなどが原因で発生する可能性があります。
BGAはんだ付け不良を回避するための提案
- 使用するはんだペーストが新しく、ペーストが適切に混合され、塗布が適切で、コンポーネントが適切に配置されていることを確認してください。
- プラスチックで覆われた PBGAはんだ付け前に 100°C で 6 ～ 8 時間乾燥させることをお勧めします。窒素がさらに好ましいです。
- リフロー温度プロファイルも重要です。温度を変更する際は、特にはんだ付け工程において、部品が均一に加熱されるように、徐々に昇温・降温するようにしてください。はんだ付け部では、すべてのはんだ接合部が完全に溶融している必要があります。温度が十分でない場合は、 冷間はんだ接合部第二段階の圧潰時に接合面が荒れたり、溶融が不完全になったりする可能性があります。その結果、PCB表面に塗布されたはんだペーストと部品のはんだの間に亀裂が生じ、はんだ接合部が不良になったり、「冷えた」状態になったりする可能性があります。
- 適量のはんだペーストを塗布します。はんだペーストの粘度は部品を一時的に固定し、溶融段階ではんだブリッジの形成を防ぎます。BGAステンシルの場合、はんだ接合部の開口部サイズは通常パッドサイズの70～80%で、ステンシルの厚さは通常約0.15mm（6ミル）です。
- PCB上のすべてのパッドは同じサイズに設計する必要があります。パッド下の設計が必要なプロセスがある場合は、適切なPCBメーカーを選定する必要があります。パッドの位置は適切にドリルで穴あけし、パッドを過度に大きくしてはいけません。ビアを小さくドリルで穴あけすると、大小のパッドをはんだ付けした後のはんだの量と高さが大きくなり、接続不良や断線が発生する可能性があります。
- さらに、PCB製造プロセスにおいては、ソルダーマスクの問題に注意する必要があります。BGAのはんだ付け前に、パッド周囲のソルダーマスクが適格であること、およびビアにバリアフィルムが塗布されていることを確認してください。
最終的な考え
この記事では、BGAのはんだ付けにおける典型的な問題点をいくつか挙げ、その回避策をいくつかご紹介します。これらの対策を実施することで、メーカーはBGAのはんだ付け不良を大幅に削減し、製品全体の信頼性を向上させることができます。エレクトロニクス業界が進化を続ける中、これらのBGAのはんだ付け問題への対処は、品質管理と製品開発において依然として重要な側面です。
