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ボールグリッドアレイ溶接技術を正しく理解するために

ボールグリッドアレイのはんだ付け-電子機器の小型化に伴い、ピッチのサイズも大きく縮小しています。 トウモロコシの穂に穀物を封入するように、プリント基板に電子部品を搭載することが求められているのです。 その結果、プリント基板のピン数の増加に伴い、BGA(Ball Grid Array)はんだ付け技術が誕生した。 最も価値のある製品の一つであることがお分かりいただけると思います。

しかし、BGAの最適なはんだ付け方法や、はんだ欠陥の特定と対処方法について悩んでいる方も多いのではないでしょうか。BGA自体のサイズが小さくなり、はんだボールの崩れが肉眼で確認できなくなってきているのです。 本記事では、これらの点について解説しています。 さっそく始めてみましょう。

ボールグリッドアレイのはんだ付け 1

(プリント基板上のBGA技術をクローズアップしたものです)

1.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGA(Ball Grid Array Soldering)とは?

BGAは、はんだボールの配列によって電気的接続が行われる表面実装部品(SMD)です。 リード線はなく、パッケージにはハンダボールと呼ばれるハンダでできた金属球の集合体が入っています。 このはんだボールは、BGAパッケージの裏面に取り付けられており、ラミネート基板に接続されているのがわかります。

BGAチップは、フリップフロップ技術やワイヤーボンディングによって基板に取り付けられます。 BGAの内部には、基板ボンドとチップをつなぐ導電性のトレースがあります。 さらに、BGAボンドと基板との接続を行います。 BGAのパッケージはピンを見れば他のパッケージと区別がつきますが、これはBGAが釘の代わりにハンダボールを持っているからです。 このはんだボールにより、208本以上のリードでも高いリード数を実現しています。

BGAは他のパッケージと比較して、高入出力デバイスを使用する産業で大きな需要があります。 次に、なぜ他のパッケージではなくBGAパッケージが良いのか、その理由を詳しく説明します。

ボールグリッドアレイのはんだ付け 2

(写真はBGA ICの拡大写真です。)

2.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAの特性

強みがある。

低トレース密度による基板設計の向上:クワッドフラットパッケージなどのパッケージでは、ピンが近くにあるため、トレース密度が非常に高くなります。 しかし、BGAはパッケージの全面にコンタクトを配置することで、この問題を解決、あるいは大幅に緩和している。

堅牢なBGAパッケージ:クアッドフラットパッケージは、細心の注意を払っていてもすぐにピンが破壊されてしまうので、繊細なピンを持っていることが分かりますね。 また、フックのピン結合が非常に高いため、曲がったピンを直すのはほぼ不可能です。 しかし、BGAではそのような問題はない。 BGAでは、パッドとはんだボールが電気的な接続を行うため、簡単に破損することはありません。

熱抵抗の低減:やはり4プレーンパッケージは熱抵抗が高いが、BGAはシリコンチップの中ではかなり低い熱抵抗を実現している。 BGA ICが発熱した場合、その熱はパッケージからプリント基板表面に素早く、効率よく伝わります。

4面フラットパック

高速性の向上:BGAでは、導体がチップキャリアの底面に配置されます。 つまり、チップ内部の導体の長さが短くなるのです。 その結果、リード線の不要なインダクタンスを低減することができます。 高速・高周波で動作する回路では、過剰なリード・インダクタンスが過剰な信号歪みの原因となります。 そのため、BGAパッケージはQFP(Quad Flat Package)よりも高性能を実現することができます。

パッケージの薄型化:BGAの採用により薄型化が可能となり、スマートフォンなどの超薄型電子機器用パッケージの製造が容易になりました。

基板スペースの有効活用:BGAチップを使用することで、基板スペースを有効活用することができます。 このSMDチップの表面下に電気的な接続を行うことができます。 リンク先をSMDパッケージの外周に限定する必要がなくなりました。

小型ICパッケージの開発:ピングリッドアレイやダブルインラインインサートなどの標準的なSMDデバイスは、ピンが過密で、ピン間の面積が小さいため、小型のICパッケージを開発することができます。 このため、誤って2つ以上のピンをハンダ付けしてしまうというデメリットがあります。 しかし、BGAであればそのような問題はなく、小型のICパッケージを容易に製造することができます。

ボールグリッドアレイのはんだ付け 3

(PCB上のBGAフットプリントを表示)

デメリット

まあ、すべてが完璧というわけではありませんから、BGAにもデメリットはあるわけです。 まず、BGAを扱う専門家でない素人では、その回路設計や製造に困難が伴います。 2つ目は、BGAパッケージの不具合を確認するのが難しい場合があることです。 3つ目は、BGAはマレにならないことです。 最後に、高価であることは、予算次第でデメリットにもなり得ますし、そうでない場合もあります。

3. ボールグリッドアレイのはんだ付け、一般的なBGAの種類

プラスチックBGA

プラスチックBGA(PBGA)は、低コストであることから最も普及しているBGAで、ピッチサイズは1mmから1.27mmまで様々である。 このBGAは、ガラス混合ラミネート基板に包まれ、プラスチックコーティングされたボディと銅トレースが刻まれたものが見つかります。 これにより、温度安定性を向上させた既製のソルダーボールを入手することができます。

その用途を知るなら、中高性能を要求される機器に使うのがよいでしょう。 このようなデバイスには、低インダクタンス、高い信頼性レベル、容易な表面実装が要求されます。 また、ビニール袋には銅の層があり、消費電力レベルを向上させるのに役立ちます。

セラミックBGA

セラミックBGAは、BGAの中でも初期に開発されたタイプの一つである。 CBGAは、長方形または正方形のセラミックパッケージを使用し、リード線ではなくはんだボールを使用して外部電気接続を行います。 CBGAは、ケース背面のグリッドに配置されています。 ノートパソコンや通信システム、被検査機器のアプリケーションに使用することができます。

フレックステープBGA

このタイプのBGAは、金属熱伝導体の裏側にストレッチテープ、チップ、はんだボールが配置されています。 この熱伝導体は、BGAフレキシブルテープパッケージのキャリアと補強材となるものです。 チップはワイヤーを介してテープに貼り付けられ、シースに入れられる。 QPFAやPBGAと比較すると、信頼性、電気的特性、熱的特性は優れています。 ヒートシンクなしで高い放熱性能を必要とするソリューションに使用することができます。

ハイスペック高熱伝導メタルトップBGA

フレックステープBGAと同様に,高視認性・高熱伝導性のメタルトップBGAでも高い電気・熱性能を得ることができる。そのデザインはフレックステープBGAとやや似ており,チップはパッケージ上部に達するスラグまたはヒートスプレッダの裏面に取り付けられている。 このように、銅の熱伝導体がパッケージの上部にまで達しているので、熱抵抗が大幅に下がり、パッケージの表面が自由に流れるようになるのです。

ヒートシンクやその他のパッシブまたはアクティブな熱管理デバイスも使用する必要がある場合は、サーマルプラグをそれらに結合させることができます。 また、グランドプレーンやパワープレーンを追加設計すれば、電気的な性能も向上します。 このようなBGAパッケージでは、BGAパッケージの検査が難しいというデメリットが通用しなくなる。 また、上面は反射率が高いため、偏光光源ではなく拡散光源を使用した場合にも優れた性能を発揮するビジョンシステムです。

チップスケールプログラム

このBGAパッケージの名前は、チップサイズに合わせて設計できることに由来しています。 BGAパッケージであっても、お客様のチップの仕様に合致し、表面実装型であれば、CSP(Chip Scale Package)となります。 スマートフォンやスマートデバイス、ノートパソコンなど、先進の小型電子機器に使用することができます。

4.ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAはんだ付け工程

4.1 BGAのはんだ付けの基本

下記 4.4.1 溶接温度

BGAデバイスのはんだ付けや溶接には、適切なはんだ温度とはんだ合金組成を選択する必要があります。 簡単なコツとして、BGAチップのはんだが完全に溶けていないことを確認するとよいでしょう。 半液状にしておくと、はんだボール1個1個が分離するようになります。

(ボールグリッドアレイにハンダボールを置く技術者のデモ)。

4.1.2 溶接工具および溶接機

幸いなことに、エレクトロニクス市場ではBGA用のはんだ付け装置やはんだ付けキットが豊富に販売されています。 このテクノロジーの時代には、オンラインで注文することも可能です。 溶接機を購入する際には、以下のような主な特徴を考慮するとよいでしょう。

BGAチップの実装、はんだ付け、溝開け、取り外しを手動で行えるようにする必要があります。

4.1.3 PCBを徹底的に掃除する

さて、はんだ付け装置や部品を手に入れ、最適なはんだ付け温度を選んでスタートしたわけですが、これだけではまだ十分ではありません。 BGAのはんだ付けを始める前に、PCBとBGAを十分に洗浄する必要があります。BGAの場合は、表面を滑らかにすることが条件となります。 次の項目で順を追って掃除の仕方を見ていきましょう。

4.1.4 ボールグリッドアレイはんだ – BGA洗浄方法

まず、BGAを導電性パッドの上に置き、その表面に少量のはんだペーストを付けます。

次に、はんだごてとワイヤーを使って、ボールとBGAを切り離します。 はんだごてではんだボールを液状化し、浸透線を加熱してから物干し竿をBGAの表面に移動させます。 また、はんだごてに力が入りすぎると、表面にひび割れが発生することがあるので、力を入れすぎないように注意してください。

工業用アルコールでBGA表面を洗浄し、こすり洗いをしてBGA表面のフラックスを除去してください。 通常、端から始めて、角を無視しないようにします。 拭き取りを続ける。 各BGAをきれいな溶剤で処理します。

また、顕微鏡を使ってBGA表面のはんだボールの取れ残りやパッドの破損を検査することができます。

BGAの表面をブラシと脱イオンスプレーで清掃してください。 BGA表面に残っているはんだペーストを除去することができます。 ボールグリッドアレイのはんだ付け-BGAを自然乾燥させる。 BGAの表面は2回テストしてください。

水分を除去するために、BGAとPCBを80℃~90℃の恒温槽で10~20時間焼成してください。 湿度に応じて焼成時間や温度を調整することができます。

静電気によるチップへの不要な干渉を防ぐため、以後の作業では静電気防止手袋または静電気防止リングを着用する必要があります。

4.2 ボールグリッドアレイはんだ付け – BGAはんだ接合部検査

はんだ接合部検査の重要性

PCBメーカーは、BGAアセンブリの下にあるはんだ接合部が見えないため、BGAの検査に光学的方法を使用していません。 電気的評価は、その瞬間の電気伝導度を示しているだけなので、あまり正確ではありません。 兵士の命を見積もるものではありません。 はんだ接合部は、時間の経過とともに劣化します。

X線検査方法

BGAのはんだ接合部のX線モニタリング。X線解析により、はんだ接合部の下にある部分を見ることができます。 このため、BGAの検査には自動X線検査(AXI)技術が各業界で広く使われている。

4.3 ボールグリッドアレイのはんだ付け – BGAの基本的なはんだ付けプロセス

BGAの大きな問題のひとつは、はんだ付けやハンダ付けの動作がうまくいかないことです。 また、BGAチップは裏面がピンではなくパッドになっているため、適切なハンダ付け方法が必要です。

幸いなことに、BGAのはんだ付け技術は、標準的なクワッド・フラット・パッケージよりも効率的であることが証明されています。 プロセスを正しく設定する必要があるだけです。 そこから、PCBアセンブリの試作、PCBアセンブリの大規模な生産ということになります。

BGAのはんだ付けを始める前に、はんだとボールの大きさ、倒れ高さを慎重に選択する必要があります。 はんだボールを加熱し、溶かすと表面張力でBGAとPCBに正しくフィットします。その後、はんだが冷めてBGA PCBが準備されます。

しかし、ハンダボールを加熱するのは、そう簡単ではありません。 そのためにはリフロー方式を採用する必要があります。 BGAチップの下にあるはんだを確実に溶かす必要があるため、この作業は非常に重要です。 そのためには、アセンブリ全体が融点温度を超えている必要がある。 最終的にはリフロープロセスにしかできない。

4.4 ボールグリッドアレイのはんだ付け – BGAのリフローはんだ付け

フラックス選択:水溶性、無洗浄

さて、リフローの手順が必要な理由がわかったところで、どのようなフラックスを使うべきかという話に移ります。 基本的には、水溶性と未洗浄の2つの形態があります。 無洗浄フラックスは、最終リフローやPCB組立の段階で脱イオン水による基板洗浄ができない場合に使用します。 基板に液晶や水晶、水に弱い部品が含まれている場合は、パスしないほうがいいかもしれません。

一方、純水で洗浄する場合は、水溶性フラックスを使用することができます。 どのフラックスを使っても、フラックスの種類によって、変化活性とソルダーペーストの間の活性のレベルが決まることは注目に値します。

ボールグリッドアレイのはんだ付け-はんだの選択

最後に、フラックスを選んだら、それに合ったはんだを選ぶことも欠かせません。 不適切なリフロー、不適切な切り替え、低いステンシル印刷は、すべてソルダーボールの開口不良につながる可能性があります。

5.ボールグリッドアレイのはんだ付け-BGAのはんだ欠陥

先ほど、「はんだボールのオープン不良」という言葉を紹介しました。 はんだの欠陥のことで、使用可能なはんだ接合部、または非崩壊ボールとも呼ばれる。 BGA間欠接続(BIC)もはんだ欠陥の一種です。 あらゆるピッチサイズに影響し、不規則になることが多いので非常に危険です。 製造時間の浪費と製品発売の遅れにより、OEMは数千ドルの損失を被ることになります。

しかし、BICはその名の通り、たまにしかクラッシュしません。 BICは入手が困難であるため、追跡が困難な設計のジレンマを複数のOEMエンジニアリングチーム、そして最終的には経営委員会にまで波及させることになるのです。

ノンコラプスボール、BICに加え、ショート、オープン、クラックの入ったBGAボールも使用する必要があります。 非倒立ボールやBICと同様に、リフローの熱プロファイルが弱いと、このような欠陥が発生する可能性があります。

熱プロファイルは、リフロー中に基板が加熱される温度範囲と、どの温度で基板が過ごす時間を定義します。 サーマルプロファイルのすべての温度領域を正しく挿入すれば、完全なリフローとなります。 そして、BGAのX線検査で確認することができます。

6.ボールグリッドアレイのはんだ付け – BGAのリワーク問題

6.1 ボールグリッドアレイのはんだ付け – 手動BGAのはんだ除去

初回に正しくはんだ付けできなかった場合は、更新が必要です。 リワークで部品を取り外さない場合、部品周辺のプリント基板を加熱して再びはんだを溶かし(はんだ除去)、はんだ付けを改善する必要があります。 部品を取り外してはんだ付けする必要がある場合、BGAパッケージのリワークと手はんだ付けが最も面倒です。 次の小節で説明しましょう。

6.2 ボールグリッドアレイのはんだ付け – 手動BGAのはんだ付け

1: BGAを分解し、PCBパッドのはんだの残りを丁寧に拭き取ってください。

2:次に、BGAは水分に弱いので、水分の有無を確認します。

3: ソルダーペーストを印刷する小型のBGA用ステンシルを選択します。 ボールのピッチと直径は、ステンシル開口部のサイズと厚さを決定するために使用する必要があります。 最後に、印刷の品質も確認する必要があります。

4: 残ったはんだは、はんだごてで平らにしてください。 さらに、平らなハンダの頭と剥離可能なテープを使用することができます。 ハンダマスクやパッドに傷をつけないように注意してください。

5: 手順 2 と 3 を繰り返す。

6:いよいよBGAの登場です。 表面実装基板(印刷後)を作業台の上に置いていただくと、より効果的です。 ノズルを選択した後、真空ポンプのスイッチを入れる必要があります。 プリント基板がBGAに重なると、ノズルがBGAチップを飲み込みます。 最後に、BGAチップをプリント基板に組み込み、真空ポンプのスイッチを切る。

7: PCBの厚みやデバイスの大きさなどに応じて、適切なリフロー温度を選択してください。 一般に、BGAの温度は従来のsmdより15度ほど高くなる。

8:これで設定は完了です。 最後にBGAのハンダ付けを確認します。

はじめに

今回は、BGAの技術、その種類、メリット、デメリットについて説明します。 さらに、それらをはんだ付けするために購入できるはんだ付けツールや機械についても解説しています。 また、BGAのリワークで、はんだ付けがうまくいかない場合の方法について。

また、BGAと従来の表面実装装置との比較も行っています。 最後に、はんだ付けの不具合を回避できるよう、はんだ付けの不具合も取り上げています。 BGA技術についてもっと知りたい方は、一緒に考えてみませんか?

Hommer Zhao
こんにちは、WellPCBの創設者であるHommerです。 これまでのところ、世界中に4,000を超える顧客がいます。 ご不明な点がございましたら、お気軽にお問い合わせください。 前もって感謝します。

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