この 放射線 写真がすべてを物語っていたが、誰もそれを確認しようとはしなかった。ある消費者向け基板——0.5 mmピッチのBGAを中心に設計された厚手のモジュール——が実際に戻ってきた際、 リフロー 一次不良率は9％だった。不良となったランド間接合部は欠落していなかった。むしろ、はんだ量が不足していたのだ。X線検査では、まるでダイエット中のようなはんだ接合部が確認された：一部だけ充填されており、はんだが明らかに不足しており、中には明確にオープン状態に近いものもあった。
原因として考えられる通常の要因を調べた。ステンシルは問題なしと判定された——OK。 はんだペースト はんだペーストの吐出量も仕様内であった——OK。リフロー炉の温度プロファイルも、ペーストメーカーの推奨値と一致していた——OK。
その後、あるエンジニアが基板を裏返して下側面を確認したところ、BGA領域の直下にあるビアに、はんだが詰まっていることに気づいた。わずかに詰まっているというレベルではなく、小さな金属製ストローのように完全に満杯だったのだ。
この設計では、 パッド直下にビアを配置していた -- ビア・イン・パッド（ViA-in-Pad）方式。この実装方法により、高密度BGA配線が可能になる──しかし、実際に「プラグド・ビア（plugged via）」という用語を定義した者はいなかった。リフロー工程において、溶融したはんだは、開口部のある穴を見つけたときには常にそうするように、その穴へと流れ込んでしまった。その結果、上部の接合部には十分なはんだが残らなかった。
その仕組みを、最も基本的なレベルまで単純化して説明しよう。リフロー炉内で半田ペーストが溶けると、液体となる。液体のはんだは銅を濡らす性質を持つ──これこそが、はんだ付けがそもそも成立する理由である。パッド中央に開けられた貫通穴（スルーホール）は、基板内部へ真っ直ぐに伸びる銅で内張りされた筒状の構造である。溶融したはんだは、外部から押し込まれる必要はない。毛細管現象によって、はんだが自然にこの貫通穴の内壁（バレル部）へと引き込まれる。これは、水が紙タオルを伝って上昇するのと同じ原理である。
スルーホールに吸い込まれるはんだの量は無視できないほど大きい。一般的な構成を考えてみましょう。0.4 mmピッチのBGAパッドに0.25 mm径のスルーホールが設けられている場合です。板厚1.6 mmの基板における0.25 mm径のスルーホールの内部体積は約0.08立方ミリメートルです。このパッド用の標準的なステンシルでは、はんだペーストを0.1～0.15立方ミリメートル程度塗布しますが、リフロー後のペーストは体積比で約半分が金属（はんだ）となります。つまり、1つの開放されたスルーホールが、その接合部に供給されるはずのはんだの大部分を吸収してしまう可能性があるのです。場合によっては、すべてを吸収してしまうこともあります。
これが問題の背景にある計算です。これは単なる低確率事象ではありません。「時々やや弱い接合になる」というレベルでもありません。BGAパッド内に塞がれていないスルーホールがあると、そのパッドへの全量のはんだが吸い込まれ、結果として接合部が完全に断線するか、あるいは極端に不足した状態となり、熱サイクル負荷下で数カ月以内に信頼性が失われるおそれがあります。
誰も意図的にパッド内にビアを配置することはありません。パッド内ビア（via-in-pad）手法は、ファインピッチBGAのピンから配線を逃がす唯一の方法であるため存在します。ピッチが約0.5 mm以下になると、ドッグボーン配線（パッドから横方向に短いトレースを伸ばし、その先にビアを配置する一般的な手法）を実現するためのパッド間のスペースが確保できなくなります。そのため、パッド自体にビアを配置せざるを得ず、そうでなければ設計そのものが成立しません。
したがって、この手法は正当であり、極めて重要です。問題となるのは実装方法です。パッド内にビアを配置する場合、適切な処理が施されて初めて許容されます。設計データには「スルーホール」と記載されていますが、製造指示書には明確に「このビアを充填・封止せよ」と記述しなければなりません。もし記述がない場合、製造業者は図面通り単純なプレーテッドスルーホール（PTH）としてビアを形成し、結果としてBGA下面に多数の小さな「はんだ吸引パイプ」が残った状態で基板が出荷されることになります。
実際、このシリーズが過去2年間に3回も繰り返されたのを目撃しました。ある開発者が高密度デバイスの信号を引き出すために「ビア・イン・パッド（via-in-pad）」を採用します。素晴らしい設計ノートには、レイアウト構成（スタックアップ）、製品仕様、銅箔厚など、あらゆる詳細が記載されていますが、唯一「ビアの処理方法」については一切触れられていません。基板メーカーは、そのような未指定のビアを「オープン・スルービア（open through）」と解釈する自社システムに基づき、確認も取らずに見積もり・製造を進めます。最初の試作で問題が発覚し、責任のなすりつけ合戦が始まります。結局、誰も得をしません。
半田の毛細管現象（ウィッキング）による故障モードは、接合部の薄さに限定されません。全部で4種類あり、しかもこれらは重なり合って発生します：
半田不足と断線。必要な量よりも少ない半田で形成された接合部です。最悪の場合、BGAボールがパッドにまったく濡れず（ワッテングせず）、機能試験時や、それより深刻なケースでは実機運用中にのみ検出される断線が生じます。
ギャップ（隙間）。 ジョイントの外観が正常に見えても、ビア内に十分に浸透しなかったはんだは、しばしば空隙（ボイド）を残します。BGAジョイント内の空隙は電気抵抗を高め、応力集中点を生じさせます。熱サイクル試験中には、これらの空隙が膨張します。こうした不具合を含むジョイントは、工場でのX線検査では合格と判定されますが、出荷後14か月目頃に信頼性が低下し、機能不全に至ることがあります。
ガス放出 接続されていないビアは、フラックス残留物や湿気、取扱い時に付着した化学薬品などをビア内に閉じ込めてしまいます。リフロー工程で、こうした不純物が蒸発し、溶融したはんだを押し上げて気泡を発生させます。最悪の場合、はんだがビアから周囲のパッド上へ飛び出し、本来接続されていない2つの回路間をショートさせる欠陥が生じます。このような不良は原因の特定が極めて困難です。
はんだ球 裏面側で未接続のスルーホールから発生したはんだが、基板下面に遊離した球状のはんだ（はんだボール）として残ることがあります。筐体内に遊離した導電性の異物は、いつショートを引き起こすかわからない、潜在的な危険要因です。
これらの不具合を引き起こす設定は、いずれも回避可能です。しかし現時点では、こうした設定が問題を引き起こすことに気づかれておらず、リフロー炉内での30秒間の短い時間帯に、ビアの穴（バレル）内部で損傷が発生しています。
幸運にも、この問題には明確で標準的な対策があります。ただし、その対策は明示的に指定しなければなりません。なぜなら、コストがかかる上に、自動的には適用されないからです。
ビア接続 は最低限の要件であり、ビアの穴（バレル）を充填材で満たして、はんだが侵入しないようにすることを意味します。一方、 ビアインパッド 高信頼性が求められる用途では、一般的な手法は ビア充填＋キャップめっき です。すなわち、ビアの穴を導電性または非導電性の樹脂で完全に充填し、これを硬化・研削して表面を平坦化した後、その上に銅製のキャップ層を形成します。これにより、ビアがないパッドと全く同様の均一なパッド表面が得られます。はんだペーストは、ステンシル設計通りに、堅固な銅面上に正確に載ることになります。
業界では、この手法を信頼性の観点から分類しており、 IPC-4761 、これは7種類のビア保護方法を規定しており、簡易的なテント処理から、充填・キャップ済み構造に至るまでをカバーしています。ビア・イン・パッド（Via-in-Pad）に適用可能なのは、充填済みのタイプ——すなわちタイプIV（充填後、表面をソルダーレジストで覆う）およびタイプVII（充填後、追加のマスクでキャップする）——です。以下に、よく混同される違いを示します： テント処理 ——ビアの両面を単にソルダーレジストで覆うだけの方法——は、ビア・イン・パッドには不適です。テント処理では、表面の穴への半田流入を防げますが、熱応力によってレジストが剥離する可能性があり、またビアの孔内に閉じ込められたガス（アウトガス）や異物の対策にはなりません。テント処理は、パッド間のビア向けであり、パッド内のビアには使用しません。
製造においてさらに重要な2点の情報：
まず、充填材の選択です。 導電性 電流を流すビアには、通常、銅充填エポキシ樹脂などの充填材が用いられます。これにより、パッドを通じた電気的導通路が確保されます。 絶縁性 機械的に閉じるだけでよい場合は、樹脂封止が許容されます。この選択肢はコストと電気的性能に影響を及ぼすため、製造現場（ファブ）で後から判断するのではなく、設計段階の技術的検討（スタイル・テスティモニアル）において事前に決定すべきです。
第二に、充填品質です。穴の半分までしか充填されていない状態は、まったく充填されていない場合と同様に不適切です——材料がパッド直下の穴の途中で止まってしまうと、リフロー工程中に湿気やガスが発生しやすくなる空隙が残ってしまいます。IPCのガイドラインでは、BGA領域における充填は実質的に空隙がない状態であることが求められており、信頼性の高いファブでは、すべての製造パネルからサンプル（クーポン）を切り出して断面観察を行い、その結果を提示します。もしサプライヤーがこの断面観察データを提示できない場合は、その理由を確認してください。
信号伝送条件が許すならば、最もクリーンな解決策は、パッド内ビア（via-in-pad）をそもそも使用しないことです。 ドッグボーン配線 -- パッドから近くに配置された部品への短いトレース -- が従来の手法であり、問題の根源を解消します。ただし、その代償として実装面積が大きくなります。ドッグボーン形状の実装領域は比較的大きく、ピッチが0.4 mm未満になると、通常は収まらなくなります。そのため、そもそも「パッド内ビア（via-in-pad）」という手法が考案されたのです。
そのほかにも、 必要な箇所のみにパッド内ビアを採用する方法があります 。基板全体では大部分の配線をドッグボーン方式で処理し、BGAピンの列など、他の方法では到底対応できない箇所にのみパッド内ビアを適用するというものです。このハイブリッド方式により、充填が必要なビアの種類・数を削減できます——製造コストの主因となるのがまさにこの充填工程なのです——しかも、配線性を損なうことはありません。
こうした一連の課題に対する解決策は、製造仕様書に記載されるたった一行の指示に集約されます。「IPC-4761 クラスIV／VIIに準拠し、部品実装パッド内のすべてのビアを空隙のない状態で充填・封止すること。充填の完全性は断面観察により確認すること。」
その一文を書くのに実質的にコストはかかりません。再作業、廃棄、実装面での不具合、そして「誰の責任か」という議論をすべて回避できます。
次の基板を製造工程に送る前に、ぜひ試してみてください。設計データを開き、はんだパッドに接触したり、はんだパッド内に貫通しているビアの数を数えてください。そして、「溶けたはんだがこれらのビアに流れ込まないようにするものは何ですか？」と自問してください。もし「何もありません」という答えが出たなら、あなたは製造ロットを失う前に問題を発見したのです。これはこの業界で最も安価な対策であり、誰でも30秒の確認で実行可能です。
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