表面処理を嫌うようになったきっかけとなった、最初の基板を今でも鮮明に覚えています。ある顧客の 微細ピッチBGA レイアウト——0.5mmピッチのネットワークASICで、周囲を0402サイズの受動部品がリング状に囲む構成——が SMT実装工程 を経て戻ってきた際、パネルの14％が接続不良を起こしていました。不具合はすべて同一箇所で発生しており、本来0.3mm離れているはずのBGAパッド間に発生した半田ブリッジでした。X線画像を見ると、まるで誰かがBGA領域全体に半田を流し込んだかのようでした。
基板メーカーの最初の反応はステンシルのせいだとすることでした。次に半田ペースト、そしてリフロー条件と疑いました。しかし、これらすべてを検証しましたが、いずれも問題ありませんでした。
その後、ついに誰も注文時に問わなかった問いが投げかけられました。「この基板の 表面処理は何ですか？」 ？その解決策は HASL — 熱風はんだ付けによる実装でした。コストが低く、作業も速いのですが、この基板にはまったく不適切な方法でした。顧客は表面処理工程で1枚あたり11セントのコスト削減を図っていましたが、その製造ロットにおける再作業および不良品の発生に伴う費用総額は、単純計算で約1万9,000ドルに上りました。
細ピッチ基板においてHASLが機能しない理由を理解するには、そのプロセスを把握する必要があります。裸の基板は、溶融したはんだ（現代の多くのファブでは無鉛はんだSAC305）の浴槽に浸され、その後、熱風ノズル（ホットエアナイフ）を通過して、表面の余分なはんだを吹き飛ばします。目的は、露出しているすべての銅パッド表面に、均一で薄いはんだ被膜を形成することです。
それが理論上の理想ですが、現実の物理的挙動はそれほど協力的ではありません。
HASLの膜厚 同一基板内でもばらつきが非常に大きい。パッドの形状、基板の向き、およびエアブレードの当たる角度によって、はんだ層の厚さは1マイクロメートルから40マイクロメートルまで変化する。一部のパッドはほぼ平坦になるが、他方でははんだのドーム状盛り上がりが目視できる場合もある。これは粗悪な製造設備の問題ではなく、このプロセスに本質的に伴う品質特性である。世界中のすべてのHASL処理基板にこの現象が見られる。
1mmのパッドサイズで広いパターン間隔を持つ簡易基板では、隣接するパッド間の高さ差が20マイクロメートル程度であっても、実用上は何ら問題ない。ソルダーマスクは十分に機能し、部品も大型であり、すべてが正常に動作する。
で 微細ピッチBGA 影響は、数字が語る別の物語です。ピッチ0.5 mmのBGAでは、パッドサイズは約0.25 mmです。一方、民生用・産業用機器で非常に一般的なピッチ0.4 mmのBGAでは、パッドサイズは約0.2 mmに近くなります。ここで計算してみましょう：200マイクロメートルのパッド上に25～40マイクロメートルの半田ドームが形成されると、パッド表面の高さに12～20％ものばらつきが生じます。単一のBGA下面には数百個のパッドが存在しますが、その結果として得られるのは、平坦な着地面ではなく、小さな山脈のような凹凸のある表面です。
BGAの半田球は「丘」を許容しません。均一な平面が必要です。
不均一なHASL処理面が、従来型BGAの2つの代表的な欠陥を引き起こします： 半田接合不良 であり、 断線 一見正反対のように見えますが、両者には共通の原因があります——ボールが設計通りの位置に着地しなくなることです。
半田ブリッジは、パッドの端部で発生します。 hASLドームの高さが最大になる部分では、はんだ層がパッドの公称限界を横方向に越えて延びます。0.3 mmの間隔では、周囲のパッド間のクリアランスが著しく小さくなってしまいます。BGAボールがリフローされ、はんだが溶ける際、HASL仕上げから生じる余分なはんだと狭められた間隔が重なることで、ブリッジが発生しやすくなります。はんだが大きくずれる必要はなく、既にコーティングによって狭められたギャップを横切る経路を見つけるだけで十分です。 はんだペースト はんだが溶ける際、HASL仕上げから生じる余分なはんだと狭められた間隔が重なることで、ブリッジが発生しやすくなります。はんだが大きくずれる必要はなく、既にコーティングによって狭められたギャップを横切る経路を見つけるだけで十分です。
回路のオープンは、この現象の反対極で発生します。 BGAパッケージのはんだ球は、基板サプライヤー出荷時において数マイクロメートル以内で共面性を保っています。基板上のパッドも同様に共面性が求められます——これは「ランドパターン」という用語における「ランド」の本質的な意味です。ところが、あるパッドが隣接するパッドよりも30マイクロメートルも高くなっている場合、実装時の位置決めおよびリフロー工程で、BGAの球体はまず高いパッドに接触します。その結果、低いパッドには弱い接合、部分的な接合、あるいはまったく接合されない状態が生じかねません。こうした不具合は外観検査では見逃されやすく、機能試験で周期的に発生したり、最悪の場合、出荷後数か月経ってから現場で問題として顕在化します。
さらに、第3の、より静かだが見過ごされがちな課題もあります。 溶接パスタ印刷 これは平面であることを前提としています。ステンシルの開口部は、各パッドへ正確な量のはんだペーストを塗布するよう設計されていますが、HASL処理によるドーム状の表面では、ペーストが不均一に広がり、頂部では薄くなり、周辺部にたまる傾向があります。ブリッジングが発生しなくても、こうした現象により、はんだ接合のばらつきが生じる可能性があります。 はんだ接合 bGA全体の実装量——これは、後工程で信頼性を損なう要因となり、品質保証上の懸念を引き起こします。
誰も「私は意図的にブリッジを発生させたい」と言って基板を開発することはありません。HASLが選ばれる理由は3つあり、いずれも明確かつ理解しやすいものです。
コスト hASLは製造コストが最も低い表面処理方式であり、大量生産時にはENIG（無電解ニッケル／イミング金）との単板あたりの価格差が顕著になります。細ピッチ部品を搭載しない基板であれば、このコスト削減は十分に妥当です。問題は、同じような価格優先の判断が、BGAを1個だけ搭載した基板にも適用されてしまう点にあります。0.4 mmピッチのBGA1個だけで、基板全体としてHASL仕上げが不適切となる場合がありますが、調達担当者がその関係性を常に認識しているとは限りません。 ENIG hASLは製造コストが最も低い表面処理方式であり、大量生産時にはENIG（無電解ニッケル／イミング金）との単板あたりの価格差が顕著になります。細ピッチ部品を搭載しない基板であれば、このコスト削減は十分に妥当です。問題は、同じような価格優先の判断が、BGAを1個だけ搭載した基板にも適用されてしまう点にあります。0.4 mmピッチのBGA1個だけで、基板全体としてHASL仕上げが不適切となる場合がありますが、調達担当者がその関係性を常に認識しているとは限りません。
慣れ hASLは実際、長年にわたり使用されてきた表面処理です。ベテランのエンジニアや調達担当者は、これまでに製作したすべての基板でHASLを採用してきましたが、その結果、問題が生じたことは一度もありませんでした。しかし、彼らが常に認識しているわけではないのは、過去の基板では0.8 mmまたは1.0 mmピッチの部品が主流であったという点です。この5年間で業界標準のピッチは大幅に縮小しており、旧来の基板で問題なく機能していた表面処理が、新しい基板には適用できない場合があります。
工場出荷時設定 これは特に私が歯がゆく感じるケースです。顧客が表面処理を指定しなかった場合、多くのメーカーではコストが最も低く、生産効率が最も高いHASLをデフォルトで選択しています。そのため、注文時に表面処理欄が空欄のまま送信されると、自動的にHASLが適用されてしまいます。誰も、その基板に細ピッチ部品が搭載されているかどうかを確認しません。顧客は、最初の実装工程でこの問題に気づくことになります。
ここで述べているアドバイスは、議論の余地がありません。主要な基板メーカーおよび業界標準規格文書のすべてが、同様の内容を明記しています。 ファインピッチBGA実装の場合 （ピッチ0.5 mm以下）では、 ENIG が標準的な選択肢です。ニッケル層（通常3～6マイクロメートル）は、化学還元法（無電解めっき）により形成されるため、ホットエアブローではなく、パッド形状に原子レベルで忠実に追従します。その上に施されるイmmersion gold（浸漬金）の薄い被膜（0.05～0.1マイクロメートル）は、ニッケル層を保護するとともに、平坦で半田付け性に優れた表面を提供します。その結果： パッドの共面性 が、従来の数十マイクロメートル単位から、マイクロメートル単位で管理可能になります。
オープ —自然な半田付け性を実現する化学処理—は、平坦性が高くコスト効率も優れた代替手段です。有機被膜の厚さはわずか0.2～0.5マイクロメートルであり、パッドの高さには一切影響を与えません。ただし、トレードオフも存在します。OSPは保存期間が比較的短く（一般的に6～12カ月）、取り扱いに注意が必要であり、最初のリフロー工程で被膜が燃焼して銅表面が露出します。
HASLが依然として最適な選択となるケースがあります。たとえば、スルーホール部品が主体の基板、ピッチが粗い設計、あるいは微細パターンの均一性よりも多数のリフロー工程や長期保管が重視される製品などです。重要なのは、実際の部品構成に基づいて意図的にこの選択を行うことです——慣例やデフォルトに流されて決めるべきではありません。
数字を並べて比較してみましょう。こここそが、真に選択が決まる場所です。
5,000枚の基板を製造する場合、その差額はおよそ500ドルから2,500ドルの間になります。確かに無視できない金額ですが、その後に生じるコストと比べれば、まだ小さいものです。
検査をすり抜ける単一のBGAソルダーブリッジは、最終製品全体のコストを押し上げます。この短い記事の冒頭で述べた14％というパネル不良率の場合、再作業の人件費、交換部品、緊急出荷、および生産能力の損失といったコストが発生します。その顧客事例では、HASL仕上げを選択したことによる節約額は、当該注文でわずか550ドルでした。一方、発生したコストは1万9,000ドルに上りました。この比率は、量産化によって改善されるどころか、むしろ悪化します。なぜなら、現場での不具合は製品出荷後に発生するからです。
基板仕様を定める際、 プリント配線板（PCB）の表面処理 を指定し、設計に微細ピッチBGAが含まれる場合、基板メーカーに一つだけ質問してください。「この表面処理におけるパッドの共面性仕様はどのようになっていますか？」もし具体的な数値で答えられない、あるいは「エアブレードの当たった場所によって異なります」といった曖昧な回答しか得られないなら、それがまさにあなたの求めていた答えです。
BGA基板における平坦な表面は、高級仕様ではありません。それは、そもそも必須の要件なのです。
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