BGAはんだ接合部の欠陥解析とプロセス改善

はんだボールがチップの下にあるため、BGAのはんだ付け品質を検査するのは困難です。検査装置がない場合は、一番外側のはんだリングが一貫しているかどうかを目視で確認し、チップを光に対して検査する。すべての行と列が光を透過するようであれば、連続的な溶着はないと判断できます。大きめのはんだが見えることもある。はんだ接合部の品質をより明確に判断するには、X-RAY検査装置も使用する必要があります。

従来の二次元X線直接撮影装置は比較的安価である。しかし、これには欠点があります。プリント基板の両面のはんだ接合部は、1枚の写真で同時に現像される。両面の同じ位置に部品がある場合、そのはんだの影が重なってしまう。そのため、部品側の区別がつきにくい。欠陥がある場合、どの層に問題があるのかはっきりしない。そのため、溶接不良を正確に判定するという要件を満たすことができない。

当社のX線基板検査装置は、はんだ接合部の検査に特化したX線断層検査装置です。もちろんBGAだけでなく、基板上のすべてのパッケージのはんだ接合部を検査することができます。以前は、このような装置は高価すぎると考えられていたが、はんだ接合部の検査コストは高すぎた。しかし、BGAデバイスがますます広く適用されるようになったことで、人々はこの高価な装置を受け入れることができるようになった。

X線はX線トモグラフィーを使用する。X線トモグラフィーを通して、はんだボールを重ね合わせ、断層効果を作り出すことができます。X線トモグラフィ画像は、CDAオリジナル設計データとユーザー設定パラメータに基づき、はんだ接合部の自動解析に使用できます。リアルタイムで断層スキャンを実行し、数十秒から2分（回路基板上のはんだ接合部の数と複雑さによる）でPCB両面のすべての部品のはんだ接合部を正確に比較・解析できます。溶接が適格かどうかの結論を導き出します。トモグラフィのX線撮影は、なぜ非常に高精細な結果が得られるのでしょうか？これは、その動作原理によって決まります。

X線装置のX線は、装置の上端にあるX線管から発生する。作業時には220Vから160KVまで電圧を上げる必要があり、電流は100mA。高電圧で発生させた電子ビームを金属タングステンに照射してX線を発生させる。このX線ビームは斜め下に発射され、毎秒760回転という高速で回転する。同時に下のシンチレーター台もX線と同期して同じ速度で回転する。

シンチレーター・プラットフォームは、実際にはX線に感応するレシーバーである。一般的に、金属、スズや鉛のような重金属はX線を透過せず、暗い光景を形成する。普通の物質はX線を透過し、何も見えない。X線は光源とシンチレータ台の間のある位置に集められ、集光面が現れる。集光面上にある物体や像は、シンチレータ台上に鮮明な像を結ぶ。しかし、集光面上にない物体や像は、シンチレータプラットフォーム上でぼやけ、影だけが残る。

 

X線判定トモグラフィの原理を図に示す。このため、プリント基板上の高さの異なるはんだ接合部に対してトモグラフィを行います。ある層のはんだ付け状態を確認したい場合は、その層をギャザリングプレーンの位置に合わせるだけで、スキャン結果が鮮明に表示されます。この鮮明な画像は、装置下のX線カメラで撮影されます。

どのような検査装置を使用して検査を行う場合でも、はんだ接合部の品質が適格であるかどうかを判断するための基準が必要です。IPC-A-610Cでは、BGAはんだ接合部の受け入れ基準を明確に定義しています。好ましいBGAはんだ接合部の要件は、はんだ接合部が滑らかで丸く、境界が明確でボイドがないことです。すべてのはんだ接合部の直径、体積、グレースケール、コントラストが同じで、位置が揃っており、オフセットやねじれがなく、はんだボールがないこと。

完成後、好ましい規格が追求されますが、適格なはんだ接合部については若干緩和されます。位置合わせの場合、BGA はんだ接合部はパッドに対して 25% 以下のオフセットを持つことができます。はんだボールは、最も近いはんだボール間の距離の25%を超えてはならない。

BGAの代表的な欠陥としては、はんだ接合部、オープン回路、はんだボールの欠落、大きなボイド、大きなはんだボール、はんだ接合部のエッジのぼやけなどがあります。以下は、実際の作業で遭遇するX線写真のリストであり、上記の欠陥のほとんどが含まれる。

いまだに論争が続いている問題の一つは、BGAのボイドの受け入れ基準である。ボイドの問題はBGAに特有のものではない。スルーホール部品や表面実装部品、スルーホール部品のはんだ接合部は通常、X線ではなく目視でボイドを検査できる。BGAの場合、はんだ接合部はすべてパッケージの下に隠れているため、X線でしか検査できない。もちろん、X線はBGAのはんだ接合部だけでなく、あらゆるはんだ接合部の検査に利用できる。X線を使えば、ボイドも簡単に検出できる。

では、ボイドはBGAの信頼性に悪影響を及ぼすのでしょうか？ 不明です。ボイドは信頼性にとって良いことだと言う人さえいる。IPC-7095規格は「BGA実現のための設計と組立プロセス」と題し、BGAの設計と組立技術に関する詳細なガイドラインを規定している。IPC-7095委員会は、避けられない小さなボイドが信頼性にとって有益な場合があることを認めている。しかし、許容可能なボイドの大きさを決定するための定義された基準が必要である。

BGAはんだ接合部の検査では、どこにボイドが見つかりますか？BGAはんだボールは3つの層に分けられます。1つはコンポーネント層（BGAコンポーネントに近い基板）、もう1つはパッド層（PCBに近い基板）、そしてもう1つははんだボールの中間層です。状況によっては、これら3層のいずれにもボイドが発生する可能性があります。

ボイドはいつ発生しましたか？BGAはんだボールは、はんだ付け前にはんだボール自体にボイドが発生し、リフローはんだ付け工程終了後にボイドが形成されることがあります。これは、はんだボール製造工程でのボイドの混入や、プリント基板表面に塗布されたはんだペースト材料の問題などが考えられます。また、回路基板の設計もボイド発生の主な原因となります。

例えば、パッド下にビアホールが設計されている場合、はんだ付け工程では、ビアホールから外気が溶融したはんだボールに侵入し、はんだ付けが終了して冷却された後のはんだボールには空洞が残ります。

パッド層のボイドは、リフローはんだ付け工程でパッド上に印刷されたはんだペースト中のフラックスが揮発し、はんだが深く浸透した部分でガスが抜け、冷却後にボイドが形成されることが原因と考えられます。パッドのめっき不良やパッド表面の汚れがパッド層のボイドの原因となる場合もあります。

部品層は、はんだボール中心とBGA基板の間に位置し、ボイドが発生する可能性が最も高い領域であることが多い。これは、プリント基板へのリフローはんだ付け時に、BGAパッド上に気泡や揮発したフラックスガスが発生するためと考えられます。結合時に空洞が形成される。リフロー温度カーブがリフローゾーン内で十分に長くない場合、気泡やフラックス中の揮発ガスが抜ける暇がなく、溶融したはんだ稚魚が冷却ゾーンに入って固化し、空洞が形成されます。

したがって、リフロー温度プロファイルがボイド発生の原因となる。共晶はんだ63n/37PbのBGAはボイドが発生しやすく、10Sn/90Pbの違法共晶高融点はんだボールからなるBGAは融点が302℃であり、一般にボイドは発生しない。BGAのはんだボールは、フローはんだ付け工程では溶融しません。

キャビティ内にガスが存在すると、熱サイクル中に収縮や膨張の応力が発生する可能性がある。空洞の位置が応力集中点となり、応力亀裂の根本原因となる可能性がある。
しかし、空洞の存在は、はんだボールによって加えられる余分な空間を減少させることにより、はんだボールにかかる機械的応力を低減します。具体的な低減効果は、空洞の大きさ、位置、形状、その他の要因によって異なります。

IPC-7095 で規定されているボイドの合否判定基準は、主にボイドの位置と大きさの 2 点を考慮している。ボイドがはんだボールの途中であろうと、パッド層や部品層の中であろうと、ボイドの大きさや量によって、どこにボイドが存在しても品質や信頼性に影響します。はんだボールの中に小さなはんだボールがあってもよい。例えば、空隙の直径がはんだボールの直径の50%の場合、空隙が占める面積ははんだボールの面積の25%となります。

IPC 規格では、パッド層のボイドがはんだボール面積の 10% を超えてはならないと規定されています。25%を超えるボイドは欠陥とみなされ、機械的および電気的信頼性にリスクをもたらします。10%から25%の間のボイドについては、除去または低減するためのプロセス改善が推奨される。

共晶はんだのBGAがはんだ付け工程ではんだ接合を形成する場合、プリント基板に塗布されたはんだペーストと部品に含まれるはんだボールが融合する必要があります。このプロセスは2段階の崩壊に分けられる。第1段階は、プリント基板上のはんだペーストが先に溶け、部品がつぶれること。第二段階では、部品自体のはんだボールも溶けてプリント基板上の溶けたはんだペーストと融合し、はんだボールは再び崩壊して扁平なはんだ接合部を形成する。

溶接工程では、溶接曲線が自然に変化するようにする必要がある。

溶接部では、すべてのはんだ接合部が完全に溶融していることを確認する必要があります。温度が不十分な場合、はんだ接合部が低温になり、はんだ接合部の表面が粗くなったり、2 回目のスランプ段階で溶融が不完全になったりすることがあります。その結果、プリント基板表面のはんだペーストと部品のはんだの間に亀裂が入り、仮想はんだ付けやオープンはんだ付けになる可能性があります。

はんだペーストの粘性は、デバイスを一時的に固定し、溶融中のはんだブリッジを防止するのに役立ちます。BGAテンプレートの場合、はんだ接合部の開口部は通常パッドサイズの70～80%で、テンプレートの厚さは通常0.15mm（6mil）です。

パッドの下に何らかの工程を設計しなければならない場合は、適切なプリント基板メーカーを探す必要もある。パッドの位置はドリルで決めるべきであり、パッドの無断拡大は避けるべきである。ビアホールはあまり小さく開けられないからだ。その結果、大きなパッドと小さなパッドでは、はんだ付け後の錫の量や高さが異なってしまう。ウェルドまたはオープン回路。

BGAをはんだ付けする前に、パッド周囲のはんだマスクが適格であること、およびビアがバリアフィルムでコーティングされていることを確認してください。製造中にプリント基板の反対側にソルダーレジストフィルムを追加しても効果はありません。ソルダーレジストフィルムの目的は、はんだ付け時の空気やボイドの発生を防ぐことと、スルーホールからのはんだの流出を防ぐことです。

リワークなしでソルダーペーストを印刷することで、余分なはんだを避け、はんだ付けの品質を向上させます。ビアホールはメッキされているため、余分なはんだやはんだ付けの問題は、仮想ショート欠陥や短絡を引き起こす可能性があります。BGAのリワークは時間がかかるため、最後の手段です。

BGAのはんだ付けを成功させるには、適切なはんだボールとリワークツールが必要です。ボールの植え付けは成功率が低く、資源を浪費する。修理されたチップは少なくとも4回のリフローに耐え、信頼性に影響する。BGAをはんだ付けする前に十分な準備をして、欠陥を最小限に抑え、高い合格率を達成する。私たちの目標は、リペアせずに不良をなくすことです。