AN-5082 Power56 ウェーブソルダリング基板アセンブリガイドライン

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AN-5082

Power56 ウェーブソルダリング基板アセンブリガイドライン

概要

PQFN パッケージでは、リフロープロセスによる基板実装が一般的です。フェアチャイルドの Power56 パッケージのリフロープロセスによる基板実装ガイドラインは、別のアプリケーションノート AN-9036 で提供されています。今日、基板への部品実装において、ウェーブソルダリングもまた大規模なはんだ付け工程として普及しつつあります。このアプリケーションノートは、Power56 パッケージのウェーブソルダリング実装に関するガイドラインです。ランドパッドと接着剤プリント用ステンシルのデザインに関する推奨事項もあわせて取り上げます。

ウェーブソルダリング工程

以下の図 1 に標準的なウェーブソルダリング工程を示します。接着剤を基板に塗布し、部品を搭載します。この基板を高温下に置き、接着剤を硬化させます。基板を反転させて、ウェーブソルダリング工程を通過する際に部品が基板の底面側にくるようにします。この工程は、通常、はんだフラックス塗布ゾーン、予熱ゾーン、はんだウェーブ、冷却ゾーンで構成されます。基板がコンベアー工程に入ると、はんだフラックスを部品に噴射塗布または発泡塗布します。次に予熱ゾーンに進み、通常は熱風対流加熱方式で、フラックスを活性化させます。基板は次にウェーブソルダリングに進みます。その後、基板は徐々に冷却されます。ウェーブソルダリング工程における温度設定は、フラックスのベンダーによる推奨事項、はんだ合金の種類、昇温時の部品温感性に依存します。 図 1. 標準的なウェーブソルダリング工程フロー 2nd_{Wave (Laminar} Flow) 1st_{Wave (Turbulent} Flow) Adhesive Printing / Dispensing Component Placement Board turn Flux Application (Spray

or Foaming)

Adhesive Curing

Pre-heating stage (Solder Flux Activation) PC Board

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AN-5082 アプリケーションノート

Rev. 1.0 • 12/15/15 2

アセンブリに関する検討事項

Power56 パッケージの良好なウェーブソルダリング工程を実現するために、以下の要素を考慮する必要があります。



PCB マスク構造



PCB 表面処理



PCB ランドパッドデザイン



接着剤および接着剤レイアウト



はんだフラックス



ウェーブソルダリングこれらの要素の推奨事項を以下に詳しく述べます。 基板マスク構造

基板のパッド構造には、Solder Mask Defined (SMD) と Non-Solder Mask Defined (NSMD) があります。ウェーブソルダリングには、どちらの PCB マスク構造も使用できます。ただし、SMD パッドの方が NSMD パッドよりも利点が多いことがわかっています。ランドの上のマスクが基板パッドと部品との間に追加されるスペーサーとして機能するため、フラックスが流れる余地が増えて、部品の底面電極と基板の間にはんだが充填されやすくなります。 基板表面処理 今日、基板表面処理法として一般的なのは、ホットエアーレベリング (HASL) と水溶性プリフラックス (OSP: Organic Solderability Preservative) の 2 つです。図 2 に示す推奨ランドパターンを用いて両方の表面処理法をテストしたところ、どちらの方法も Power56 のウェーブソルダリングに対する適合性を示しました。多様なランドパターンで評価した場合、OSP で表面処理を行った場合のはんだぬれ性は HASL と異なることが認められています。はんだ充填の容易性では、OSP よりも HASL が優れています。これは、溶融はんだの凝集力と HASL における溶融・メタライゼーションによって説明できます。しかし、HASL では、はんだコーティング厚さが不均一になることも珍しくなく、この種のパッケージでは基板実装のヒュージングに影響します。逆に、OSP はぬれ性では HASL に劣りますが、均一なめっき膜を形成することが知られています。OSP で適正な金属ぬれ性を確保するには、適切なはんだフラックスを選んで、はんだを流すべき場所に塗布する必要があります。無洗浄フラックスを用いた試験により、推奨ランドパッドデザインは両方の表面処理法に適合していることが既にわかっています。 基板ランドパッドデザイン 以下に、Power56 のウェーブソルダリングに推奨されるランドパッドデザインを示します。 図 2. Power56 ウェーブソルダリングのランドパターン デザイン（寸法：mm） ウェーブソルダリングのコンベアー流れ方向プリント接着剤ランドパッドパターン Power56 図 3. 基板ランドパッドとプリント接着剤の上に重ね合 わされた Power56（寸法：mm） ウェーブソルダリングでは、ランドパッドの寸法がパッケージフットプリントの呼び寸法よりも大きくなります。これにより、はんだウェーブの溶融はんだがパッケージ底面部のランドパッドを通って流れる経路ができます。コンベアーの流れ方向に対する部品配置方向は、良好なはんだ付け性を達成する上で極めて重要です。上の図 3 に示すように、リードパッドはコンベアーの運動方向に揃えて配置されています。コンベアーの動きに対してこ 3.91 1.77 1.27 4.87 1.49 .61 1.27 3.81 7.61 Ø.50 Adhesive

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のような部品配置方向をとることで、はんだブリッジやスキップ、シャドーイングの形成を防げます。 接着剤 Power56 のウェーブソルダリングでは、ウェーブソルダリング工程フロー全体を通して部品が所定位置に維持されるよう、接着剤を正しく選ぶ必要があります。部品の搭載から硬化に至る搬送中に部品が動いたり落下したりしないように、プリント（パターン複写）後も、接着剤は十分な粘着性を備え、十分な量が確保されなければなりません。フラックス噴射から予熱を経てウェーブソルダリングに至るウェーブソルダリング工程の途上で剥がれることのないよう、硬化後に良好な接着強度を備えている必要があります。また湿潤接着剤は、プリント工程または塗布工程において一貫した粘稠度を維持する必要があります。図 3 に、Power56 の接着剤プリントを示します。平坦度を向上させ、塗布ムラをなくすため、接着剤は塗布するよりもプリントすることを推奨します。プリントする接着剤は十分な量が必要です。接着剤が少なすぎると、搭載やウェーブソルダリングの工程で部品を保持できなくなります。一方、接着剤が多すぎると、搭載時にランドパッドまで広がり、リードや基板パッドの部品のはんだ不ぬれを引き起こす場合があります。接着剤は、供給業者の推奨する硬化条件に従って硬化させ、ウェーブソルダリング前には十分に硬化させる必要があります。接着剤プリントの推奨ステンシル厚は 6 ミルです。 はんだフラックス ウェーブソルダリングにおいてフラックスの選択は重要です。固形分含有量の少ないフラックスを推奨します。粘度が低いため、部品下のはんだパッドを容易にウィックアップさせ、毛細管現象により部品と基板との間の狭空間下に流れ込むことで、ウェーブソルダリング時のはんだぬれ性を促進します。このタイプのフラックスは噴射塗布または発泡塗布が可能です。一方、固形分含有量が多いフラックスにもそれなりの利点があります。含有活性成分を長く保持できることからはんだぬれ性が高まり、さまざまなウェーブソルダリング条件にも柔軟に対応できます。不洗浄タイプのはんだフラックスを推奨します。また、PQFN パッケージではスタンドオフがなく、部品と基板間の空間が狭いため、このような空間に入り込んだはんだの残留フラックスを基板洗浄処理で除去するのは困難です。そのため、腐食性成分含有量の少ないフラックス材が推奨されます。 ウェーブソルダリング 標準的なウェーブソルダリングマシンは、フラックス塗布ゾーン、予熱ソーン、はんだ付けゾーン、洗浄ゾーン（洗浄処理については、使用するフラックスの種類による）で構成されるのが普通です。予熱温度と予熱時間は、フラックス仕様に従って設定する必要があります。温度が高すぎ、かつ予熱時間が長すぎると、フラックスの活性化メカニズムが機能しなくなり、ショートやつららの原因となる恐れがあります。逆に予熱温度が低すぎると、スキップが発生したり、PCB 上に不要な残留フラックスが残る原因となる恐れがあります。現在、主流となりつつあるのは、デュアルウェーブソルダリングです。図 4 に、標準的なデュアルウェーブソルダリングのプロファイルを示します。第一のはんだウェーブは、乱流ウェーブを含み、すべてのランドパッドを浸潤させ、溶融したはんだが PCB 上のすべての接合部に入り込むようにします。層流ウェーブを含む第二のはんだウェーブは、第一のウェーブを通過した後の余分なはんだを洗い流すことで、はんだブリッジを除去します。はんだ槽温度は、パッケージの温度上限 (260°C) を考慮して設定する必要があります。ウェーブソルダリング温度プロファイル（予熱ランプレート、速度、ピーク温度）は、使用するウェーブソルダリング装置と材料に依存します。 図 4. 標準的なデュアルウェーブソルダリングのプロフ ァイル

ウェーブソルダリング後の Power56 の検査

実装済み部品は、10～20 倍の倍率のスコープと透過 X 線または断層 X 線による検査が必要です。リフローの良好なはんだ接合部のぬれ性と接着性は、はんだのはんだ面に対する接触角が  90 を成すことで立証されます。はんだ接合部の表面は常に滑らかである必要があります。はんだ接合部に艶がない、あるいはくすみやざらつきが観察される場合は、はんだ合金、部品端子、基板パッドの表面処理、適用したはんだ付け法などに原因があることが考えられます。このパッケージの検査方法と許容基準は IPC-A-610 に規定されています。ウェーブソルダリング工程では、基板に、はんだブリッジ、スキップ、つららなどのはんだ接合不良が発生しやすくなっています。特に PQFN の場合はリードとドレインが露出していないかどうか、はんだ接合部を検査する際に、照査工程を設けるのが賢明です。照査は目視と X 線検査で可能です。図 5 に、基板にウェーブソルダリングで接合された Power56 の上面図と端子側面図を示します。はんだ付けされたユニットのドレインとフラット端子領域のはんだカバレージは、露出していないために目視検査できません。このような場合は、部品底面のランドパッドとはんだ面との間におけるはんだカバレッジを X 線検査で照査するのが妥当です。図 6 は、ウェーブソルダリング実装による Power56 の標準的な X 線画像です。X 線検査は、はんだブリッジやはんだスキップの検出方法としても信頼できます。

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AN-5082 アプリケーションノート

Rev. 1.0 • 12/15/15 4 (a) (b) 図 5. ウェーブソルダリング実装による Power56 のゲー トリードとソースリードの (a) 上面図および (b) 側面図 図 6. ウェーブソルダリング実装による Power56 の X 線 画像開発段階のサンプルモニタリングとして断面切り出しなどの破壊検査を実施しても構いません。このような検査により、実装済みパッケージに接着剤プリントやウェーブソルダリング工程に起因する著しい傾きがあるかどうかを検証できます。 図 7. ウェーブソルダリング実装による Power56 の断面図 はんだ接合部 Power56 PCB はんだ接合部

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参考文献

[1] FSC-QAR-0024、基板レベル特性化の方法に関するガイドライン [2] IPC2221、IPC 規格、プリント基板設計に関する共通規格

[3] 『Board-Level Evaluation of Power Qual Flat No-Lead (PQFN) Packages』フェアチャイルドセミコンダクターパワーセミナー 2008-2009 ホワイトペーパー [4] IPC-TM-650、IPC 試験法マニュアル、はんだ付け性、ウェーブソルダリング法 [5] IPC/EIA J-STD-001 および EIA 統一規格、はんだ接合電気・電子アセンブリの要求事項 [6] IPC-A-610、IPC 規格、電子アセンブリの許容基準 [7] IPC7351、IPC 規格、表面実装設計の共通要求事項とランドパターン規格 [8] IPC9701、IPC 規格、表面実装はんだ取り付けの性能試験法と適格要件

[9] IPC/JEDEC J-STD-033、IPC および JEDEC の統一規格、吸湿／リフロー耐性表面実装デバイスの取扱い、梱包、出荷、および使用について [10] AN-9036、フェアチャイルドのアプリケーションノート、フェアチャイルドの Power56 使用ガイドライン免責事項フェアチャイルドセミコンダクターは、信頼性、機能、設計を向上させるために、更なる通告なしに、ここに記載したあらゆる製品に変更を加える権利を留保します。フェアチャイルドは、ここに記載した製品または回路の適用や使用から生じるいかなる責任も負わず、特許権に基づくライセンスや他者の権利を譲渡することもありません。生命維持の方針フェアチャイルドの製品は、フェアチャイルドセミコンダクターコーポレーション社長の書面による明示的な承諾がない限り、生命維持装置または生命維持システム内の重要な部品に使用することは認められていません。本規約内の定義： 1. 生命維持装置または生命維持システムとは、(a) 外科的に体内に埋め込まれて使用されることを意図したもの、(b) 生命を維持あるいは支持するもの、(c) ラベルに表示された使用法に従って適切に使用された場合にその不具合が使用者に重大な傷害をもたらすことが合理的に予想されるもの、を言います。 2. 重要な部品とは、生命維持装置または生命維持システム内のあらゆる部品を指し、これらの不具合が生命維持装置または生命維持システムの不具合の原因に、またはその安全性および効果に影響を及ぼす原因になるものと合理的に予想されるものを言います。

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