受託分析のベストパートナー日本マーテック株式会社

半導体の製造工程は、コンポーネントの設計からウェハー製造、パッケージのテスト、モジュール組み立て、さらにはシステムインテグレーションに至るまで、多岐にわたります。製品として完成するまでに、すべての製品は複数の開発段階を経る必要があり、それぞれの段階で潜在的な問題や欠陥を特定するための専門的なテストや故障解析が必要となります。この工程は、製品の歩留まりを向上させるために不可欠なものです。

今回は、このPCBAの品質検査・解析に用いられる方法について説明します!

PCBAの解析の話に入る前に、まずPCBAとは何かを理解する必要があります。PCBAとは、Printed Circuit Board Assembly（プリント基板アセンブリ）の略です。つまり、すでに電子部品が組み込まれているプリント基板のことです。表面実装技術（SMT）やスルーホール技術（THT）の向上、信頼性確認試験の合格、あるいは量産後のPCBAの出荷後品質検査や顧客からの不良品解析のために、一般的には、非破壊分析と破壊分析の両方を用いて電子部品のPCBへの取り付け状況を評価します。前者は3D X-rayを用いて行い、後者はスライスや研磨後に部品とプリント基板の間の断面観察を行います。

顧客から返品された製品の信頼性試験や故障解析を行う場合、一般的には、まずPCBAの3D X-rayを用いた予備解析を行うことをお勧めします。トモグラフィーにより、故障の種類と位置を確認します。その後、スライスや研磨で正確な位置を出し、SEMで異常構造の高解像度画像を取得します。この解析方法は、非破壊検査、正確な位置決め、詳細な観察を統合したものです。

図1 3D X-rayによるはんだボールのボイドの特定

図2 3D X-rayによるスルーホールに挿入されたピンの観察

図3 3D X-rayによるプリント基板の内部構造の3Dプロファイル

PCBAの総合的な検査：成功のカギは試料調整

現在、PCBA のスライスと研磨のサンプル作製は、IPC TM-650の規格に準拠しています。スライス観察結果は主に IPC-A-610 に基いて解釈されます。この規格にはボイド、クラック、スルーホール (PTH) の充填高さ、はんだボールの枕不良(HIP: head in pillow) などサンプルの外観およびスライス面に観察される可能性のあるさまざまな異常の評価基準が規定されています。通常、出荷検査では、基板上の各種部品を1個ずつ切り出して観察し、インク浸透試験による結果と比較することになります。したがって、サンプル作製時には、まず観察プロセスを確立し、断面の準備と観察順序をうまく調整することが重要です。このようにして初めて、PCBAの総合的な検査が可能になります。顧客から返品された製品の分析では、特定の異常部品に対してのみ、外観とスライスの観察を行います。また、故障解析のフォローアップを行う前に、位置決めツールを使ってあらかじめ欠陥の位置を確認することもできます。

試料を作製する際、通常、部品の溶接部、BGAボール、ピンとプリント基板の接着部などを切断し、クラック、冷間溶接、ブリッジ、ボイドサイズ、IMC厚などを観察します。これらの欠陥は、一般的なはんだ飛ばしやブリッジなど、PCBプロセスやはんだ付け技術と密接に関係しています。例えば、基板が加熱されると、基板が曲がり、基板と部品間の距離が長くなり、はんだ飛びが発生します。その代わりに距離が短くなると、ブリッジが発生します。HIP不良は、リフロー時に基板がたわみ、基板とはんだボールの距離が大きくなり、常温に戻ると基板の変形が小さくなることで発生します。しかし、この時の冷却過程では、すでにはんだボールの温度は融点より低くなっているため、ピロー効果が発生します。次にクラックですが、これは外部からの衝撃による内部応力やリフロー時の高温による熱膨張・収縮など、いくつかの理由で発生します。これらの故障現象の評価は、生産ラインの監視に役立ち、対応するプロセスと歩留まりの改善につながります。

あらゆる分析試験において、分析の質が求められます。破壊分析に関しては、長年の経験から、品質の鍵はしばしば試料の準備にあることが分かっています。PCBAの解析とテストの分野では、スライスの技術が不可欠です。スライスの質は、分析結果の解釈に直接影響します。例えば、試験片の研磨が層の中心でない場合、寸法測定に歪みが生じます。試料の研磨が不十分だと、傷がついて誤った結論になりやすくなります。かといって、磨きすぎると材料のエッジが丸くなり、光学顕微鏡でうまく撮影できなくなります。したがって、PCBAの分析では、試料作製技術者が不可欠な役割を担っているのです。

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