BGAはんだ欠陥：PCBのX線検査技術およびリワーク

紹介

技術の絶え間ない進歩により、電子機器はよりスマートで高速かつコンパクトなデバイスへと進化してきました。こうした製品への需要は、現代の回路が増大する複雑さに迅速かつ確実に接続できる高密度技術の開発を推進してきました。ボールグリッドアレイ（BGA）デバイスは、回路密度を最大化し、PCB実装における性能を向上させる能力を持つことから、主要なソリューションとして登場しました。

現代の電子製造では、BGA部品が広く採用されています。この技術は、スマートフォンやゲーム機器などの民生用電子機器だけでなく、航空宇宙や医療電子機器といった高付加価値分野でも利用されています。製造企業はBGA部品の実装技術を習得し、X線検査装置の操作能力を備え、高度なBGAリワーク技術に精通している必要があります。これらの専門技術はプロトタイプ開発段階で極めて重要であるとともに、量産工程においても不可欠です。このような技術体系を包括的に習得することで、最終製品が性能基準を満たすことを確実にできます。

ボールグリッドアレイ（ バイアス ）とは何か？

ボールグリッドアレイ：構造と回路実装への貢献

ボールグリッドアレイ（BGA）は、はんだボールがBGAデバイスの下面にグリッドパターンで配置された集積回路のパッケージング技術です。組み立て工程では、これらのボールが溶融し、パッケージとプリント基板（PCB）との間に機械的および電気的な接続を形成します。従来のパッケージとは異なり、BGAのはんだ接合部は隠れているため、単純な目視検査では確認できず、X線検査などの高度な検査技術への依存度が高くなります。

BGAをPCBに実装する方法

• ステップ1: はんだボールと正確に位置合わせできるように、PCBのフットプリントパッドを設計します。
• ステップ2 ステンシルを使用してPCBにはんだペーストを塗布し、各パッドに適切な量のはんだを供給します。
• ステップ3 BGA部品を配置し、各ボールが対応するパッドと一致するようにします。
• ステップ4 基板アセンブリをリフロー炉を通すことで加熱し、グリッド内のボールを十分に溶融させてBGAとPCBの間の接続を形成します。
• ステップ5 冷却後、BGAのはんだボールは再び固化し、信頼性の高い接合部が形成されます。

ボールグリッドアレイ半田接合構造

BGAデバイスの開発と特徴

ボールグリッドアレイ技術の開発は、電子組み立て品におけるI/O密度の増加と性能向上の必要性によって推進されました。パッケージ内部の集積回路がより多くの熱を発生し、より強固な接続を必要とするにつれて、BGAは重要な進歩となりました。

BGAの主な特徴：

• グリッドパターンで配置： パッケージ底部に行列状に配置されたはんだボールにより、ピン密度を高めることができます。
• 高電気性能： 短く直接的なはんだ接続により、抵抗およびインダクタンスを最小限に抑えられ、高速回路にとって重要です。
• 熱管理 広いパッド面積とグリッド分布により、集積回路によって発生する熱をより効果的に放散できます。
• 高密度PCBとの互換性： BGAは微細なボールピッチをサポートしており、高密度PCBの実装に有利です。
• 信頼性の向上： 幾何学的構造が応力を均等に分散させるため、はんだ接合部の疲労リスクを低減します。

なぜBGAが現代の回路基板設計で主流となっているのか

BGAとPCBの組み合わせへの移行は、回路基板を大きくすることなく、高速性能、高出力、およびより多くの接続を処理できるデバイスの必要性から生じたものです。この技術的飛躍により、最新世代の電子製品では、ほぼすべてのプロセッサ、FPGA、高速メモリがBGA ICとしてパッケージ化されています。

BGA実装技術

BGA実装技術の概要

BGAパッケージの実装は、従来のリード付きパッケージに比べてはるかに高い技術的要求を伴います。この工程では、はんだボールの配置の一貫性が求められます。主な目的には、正確な加熱温度制御の実現が含まれます。最終的には、きれいで空洞のないはんだ接合部を形成する必要があります。

はんだ付け技術の種類：

• リフロー工程： 標準的な方法であり、リフローオーブンを使用して、パッケージとPCBの間に配置されたはんだボールを全体的または局所的に加熱・溶融させるものです。
• 手作業のはんだ付け： 主にBGAリワークやプロトタイプの組立に使用され、BGA部品をホットエアツールで局所的に加熱する。
• ホットエアリワークステーションの使用： リワーク／修理では、制御されたホットエアおよび／またはIR源を使用して、不良なBGA部品周辺を加熱し、取り外し、交換、またはリフローを行う。
• アライメントと実装： ピックアンドプレース装置または手動マイクロスコープを使用して、はんだボールを対応するPCBパッド上に正確に位置合わせる。

重要なBGAはんだ付け変数

完璧なBGAはんだ付けのためのヒント

• 実装前に必ずはんだペーストの塗布状態を点検してください。塗布漏れがあると、はんだ接合部が欠落します。
• 加熱中はPCBをしっかりとサポートして反りを防ぎましょう。反りははんだ接合部の不均一な形成を引き起こします。
• プロトタイプやBGAのリワーク作業では、まず不要なPCBを使ってBGA部品を局所的に加熱する技術を習得し、熟練してから高価な基板に取り組んでください。

はんだ接合部の検査技術および検査装置

検査が重要な理由

BGAのはんだ接合部はパッケージの下方に隠れているため、外観だけでは欠陥を特定することは事実上不可能です。このため、X線検査および他の検査技術（光学検査、電気的テスト）が工程において不可欠となります。

BGAの検査技術

1. 視覚検査：

• 部品の実装、アライメント、およびパッケージ周辺部のボール観察に使用されます。

2. 光学検査（AOI）：

• 自動光学検査では、部品の位置ずれ、不適切なスタンドオフ、およびパッケージ端でのブリッジ欠陥を検出できます。

3. X線検査：

• 手動および自動X線検査（AXI）の両方により、BGAの下に隠れたはんだ接合部を検査できます。X線画像は、はんだボールの欠陥、ブリッジ、空洞（ボイド）、断線、ヘッドインピローなどの検査に使用されます。

4. 電気検査：

• インサーキットおよびフライングプローブ検査により、BGAとPCB間のすべてのはんだ接続の導通が確認されます。

5. その他の検査方法：

• 音響検査および赤外線（IR）検査システムも、高度な欠陥検出（層間剥離、空洞、熱蓄積など）に使用されます。

検査システムの比較

高度な検査技術

検査技術の進化により、リアルタイム3D AXI、高解像度X線システム、リフロー中に温度が低すぎる場合やはんだ不足などの欠陥が生じる可能性があることを自動的に検出できるソフトウェアが登場しました。

高品質のはんだ接合部検査のためのヒント

• ブリッジング、ボイド、オープンの最適な画像明瞭度と正確な検出を実現するため、定期的にX線検査システムをキャリブレーションしてください。
• 量産では自動X線検査（AXI）を使用してください。これにより、検査の徹底性を維持しつつ組立プロセスを高速化できます。
• 試作段階では、X線検査と目視検査を組み合わせてください。人間の目は、自動検査システムが見逃すような微細な欠陥を検出できることがあります。
• BGAデバイスによって制御される各回路が、静止時だけでなく負荷下でも正常に機能することを確認するため、X線検査と電気的テスト手法を併用してください。

よくあるBGAの欠陥とその回避方法

優れたPCBおよびBGA設計を採用していても、はんだ付け工程中または後にさまざまな欠陥が発生する可能性があります。原因を理解し、予防策を講じることが、信頼性の高い回路設計の鍵となります。

代表的なBGAはんだ接合部の欠陥

一般的な症状

• 回路基板に断続的な故障（オープンまたは冷たじょう）
• 初期動作後に短絡（はんだブリッジングが原因）
• 出力ピンに信号がない、または高抵抗（ボイド／ヘッドインピローが原因）

よくあるBGA問題を回避する方法

• パッドパターンとボールピッチを注意深く設計してください ：BGAデバイスのフットプリントパターンがパッケージと完全に一致していることを確認してください。
• はんだ付け温度を制御してください リフロー工程中は、過熱またははんだ付け温度が不十分になることを避けてください。
• ペースト印刷品質を点検する 可能であればはんだペースト検査装置を使用し、パッドのはんだ抜けやはんだの過剰塗布が見つかった場合は直ちに修正してください。
• はんだ付け前に、湿気に敏感なBGA ICをベーキングしてください。 これにより、グリッド内のボールが溶ける際に「ポップコーン現象」や空洞（ボイド）の拡大を防ぐことができます。
• 常に適切な温度プロファイル設定されたリフロー炉を使用してください。 各実装工程においてピーク温度およびその持続時間を標準化し、冷汗接合や過熱接合を最小限に抑えてください。

BGAリワーク工程：ツールと技術

実装または検査で不良のはんだ接合部または故障したBGA部品が判明した場合、BGAリワーク工程が行われます。さらなる損傷を防ぐため、体系的なアプローチが不可欠です。

BGAリワークのためのツールと技術

BGAリワークステーション：

コアツールは、BGA用に設計されたリワークステーションです。

これらのリワークステーションには、精密な温度制御、アライメント用のビジョンシステム、およびBGA部品を局所的に加熱するための専用ホットエアノズルまたは赤外線ヒーターが備わっています。

ホットエアツールとIRプリヒーター：

ホットエアツールを使用することで、隣接するはんだ接合部を損傷することなく、不良部品を安全に取り外すことができます。

IRプリヒーターは基板を穏やかに予熱し、反りや熱衝撃を防ぎます。

ビジョンシステムとアライメント：

最新のステーションにはカメラまたは顕微鏡が含まれており、はんだボールをパッドに対して正確に位置合わせできます。

リボールツール：

再利用が必要なBGAデバイスについては、「リボール」によって、古い汚染されたはんだボールが新しいものに交換されます。

はんだペースト印刷機またはミニステンシル：

新しいBGAに適切な量のはんだを供給するため。

BGAリワーク工程（ステップバイステップ）

準備

修理対象の欠陥および回路を点検し、確認する。

プリヒートでPCBおよびBGAから湿気を除去する。

削除

リワークステーションを使用して、BGA部品を局所的に加熱する。

はんだボールが溶融したら、真空ツールを使ってBGAを持ち上げる。

実装面の清掃とパッドの点検

PCBパッドから残留はんだを除去し、パッド浮きやPCBの損傷を点検する。

新しいBGAの実装

新しいBGAには、パッドにはんだペーストを塗布し、位置決めのためにアライメントガイドを使用してください。

はんだのリフロー

ホットエアツールまたはリワークステーションの制御機能を使用して、新しいボールのはんだをリフローし、BGAとPCBの間に接続を形成します。

最終検査

必要に応じて、X線検査、目視検査、および電気的テストを実施してください。

PCB実装、リフロー、品質のためのベストプラクティス

• すべての工程を検証することで欠陥を防止します。 ペースト印刷および部品実装からリフロー、検査まで。
• BGAが多数搭載されたPCBには、自動X線検査を使用してください。 ：隠れたはんだボールの不具合を手作業で特定することは、量産規模では現実的ではありません。
• はんだ付け温度を監視する サーマルカップルを使用して、特に複雑で高密度の基板それぞれのプロファイルを設定してください。
• BGAはメーカーの推奨に従って保管してください はんだボールの酸化および湿気の吸収を防止します。

よく 聞かれる 質問

Q: BGAデバイスに手作業ではんだ付けは使用できますか？

A: 手作業のはんだ付けは、はんだ接合部が隠れておりピッチが細かいという性質上、一般的にBGA実装には適していません。ただし、特殊なホットエアノズルと正確な目視検査を用いたリワークにおいては極めて重要な役割を果たします。

Q: BGAの検査には常にX線が必要ですか？

A: はい、量産時には必要です。はんだ接合部がパッケージの下に隠れており、外観または光学的手法では完全に評価できないためです。

Q: BGAのはんだプロセスが失敗した場合の兆候は何ですか？

A: インターミッテントな信号、出力なし、またはデバイスの故障。X線検査または電気的テストの失敗によって確認されます。

Q: リフロー中に発生する一般的なBGA欠陥をどのように回避すればよいですか？

正しいオーブンプロファイリング、慎重なステンシル設計、および定期的な検査技術により、明らかな欠陥と微細な欠陥の両方を最小限に抑えることができます。

まとめ

ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージの開発は、より小型で、より高性能かつ高信頼性が求められる電子機器に対する絶え間ない需要に対応する上で極めて重要でした。しかし、BGAデバイスのはんだ接合部はグリッド状に配置され、パッケージの底面に隠れているため、高度な実装・修理・検査技術が要求されます。リフロー炉や最先端のBGAリワークステーションの使用から、高度なX線検査の必要性まで、この一連の工程では細部への徹底した配慮が求められます。

BGAの一般的な欠陥を回避するには、堅牢なプロセス管理と適切なツールおよび検査方法の使用への取り組みが不可欠です。優れた設計、専門的なはんだ付け技術、正確な検査、そして慎重な再作業が交差することで、高密度基板やパッケージ内のすべての集積回路が耐久性と性能という約束を確実に果たすことができます。

PCB実装という常に進化する世界で先頭を走り続けてください。BGAのはんだ付け技術を習得し、検査技術を最新の状態に保ち、チームのスキルに投資しましょう。