超高密度接続設計におけるマイクロビアの信頼性

Judy Warner: 今年の初めに、カリフォルニアのIPC Apexでお会いすることができました。そのときの会話では、マイクロビアの信頼性に関する広範な問題についてお話をお伺いしました。読者のために改めて説明していただけませんか。

Jim Brown: はい。テクノロジーへの需要が高まるにつれ、プリント基板の密度に対する要求も厳しくなっています。そのため、Ultra-HDI（超高密度接続）、スタックマイクロビア、75ミクロン未満の線路が生み出されました。マイクロビアは10年以上にわたって使用されていますが、通常は1つのレベルでした。配線スペースを改善するニーズの高まりを受け、スタックマイクロビアが設計者のツールボックスに加えられることになりました。スタックマイクロビアでは、温度上昇（リフロー）時に「Z」軸方向の膨張が起こりやすいため、対象パッドでの相互接続に問題が生じます。パッドとE-Lessの間、E-Lessからフラッシュ、電解銅箔。これら3つのインターフェイスが不具合の発生箇所になります。厄介な点は、高温で分離が発生することです。ただし、温度が下がると機械的に再接続して不具合が自動的に「修復」することが多いため、フィールド障害につながる可能性のある潜在的な欠陥となります。

Warner: この問題は、どれくらいの間、業界に影響を及ぼしているのでしょうか。また、どこからともなく現れたように見えるのはなぜでしょうか。

Brown: いい質問ですね。この問題は、2008年頃に一般に知られるようになりました。ただ、スタックマイクロビアの導入は限定的で、使用する場合も厳格なスクリーニング手順が実施されていました。現在では、テクノロジーの進化に伴い、次世代設計のほとんどで必要となるUltra-HDIが広く採用されているため、この問題が「どこからともなく現れた」ように見えるというわけです。

Warner: この問題はどれくらい広がっていますか。また、設計者が基板の不具合を避けるためにこの問題について知っておくべきことは何でしょうか。

Brown: これもいい質問ですね。蔓延の程度は幻のようなものです。ほとんどの欠陥が潜在的な欠陥である場合に欠陥率を把握する術はないでしょう。
エンジニアは、サプライヤーを入念に精査して、不具合のメカニズムを完全に理解し、それらを軽減するためのプロセスと手順を実施する必要があります。その後はテストが全てと言えます。私の務めるGreenSource Fabrication社では、CAT-OMテストを使って、マイクロビアの信頼性を判定しています。Ultra-HDIテクノロジーを定期的にテストし、継続的な改善のためのフィードバックを得られるようにデータを収集しています（6σ）。ISTを使用している製造業者もありますが、弊社では、リフロー時に構造で発生する熱をシミュレートして熱サイクル全体で抵抗をモニタリングする方法として、OMテストの方が優れていると考えています。もう1つの方法は、「前と後」の抵抗チェックです。周辺温度に戻ると不具合が自動的に修復される場合、その不具合を検出することはできません。Motorola Solutions社のJerry Magera氏が所有するデータでは、不具合は、多くの場合、210°C ～ 220°C付近で発生した後に180°C付近で「修復」することが示されています。つまり、温度サイクル全体をモニタリングしていないと、その不具合が明らかになることはありません。

Warner: IPCはこの問題にどのように対処していますか。また、過去数年間に、業界での解決に向けて役立つような発見はありましたか。

Brown: IPCには、不具合の仕組み（MoF）の把握に尽力している作業部会（IPC V-TSL-MVIA Weak Interface Microvia Failures Technology Solutions Subcommittee）があります。

また、IPCでは、3年以上前からHigh-Reliability Forum & MicroVia Summitを主催して、まさにこの問題を調査しています。こちらのリンクから、今年のイベントについてご覧いただけます。これまでの会合は数日間にわたる対面式のイベントでしたが、今年の会合は、現在の新型ウイルスによる危機のため、仮想会議となります。

Warner: GreenSourceは、ほぼ完全に自動化されているという点で非常にユニークなプリント基板製造業者です。マイクロビアの信頼性の問題に直面した結果としてGreenSource社が誕生したとのことですが、ご説明いただけないでしょうか。

Brown: GreenSource Fabrication社は、約6年前にWhelen Engineering Companyの自社直営店としてスタートしました。3年前に、製造部門を独立した事業体として分離して第三者販売を行うことに決めました。その決定後、「北米には何が必要か」を評価するプロセスを実施しました。この調査から、北米ではUltra-HDIサプライヤーが強く求められているという結論を得ました。高い水準のテクノロジーと信頼性を提供する最先端の設備を持つサプライヤーが、90年代後半から北米には存在していなかったのです。それから18か月を費やして、世界中を飛び回り、機器や化学の一流サプライヤーを選定しました。
米ニューハンプシャー州のWhelen社の敷地内に施設を構えるつもりでしたが、ニューハンプシャー州では廃棄物処理に対する制限がありました。そこで、弊社は、地球上で唯一の「環境にやさしい」基板製造工場を実現するリサイクルおよび回収システムを設計することになりました。

Warner: この問題や最新の進歩についてもっと知りたいと考えている設計者への助言はありますか。

Brown: 現在のサプライヤーと話し合い、他のOEMからも経験を学び、IPCのマイクロビアの信頼性に関するWebページにアクセスしてください。

Warner: この問題に対する知見やGreenSource社の歩みについてご教授いただきありがとうございました。JimさんとGreenSourceチームのますますのご発展を願っています。

Brown: ありがとうございました。今回の情報が設計エンジニアリングコミュニティのお役に立てば幸いです。

注: GreenSource社について詳しくは、主題のエキスパートであるHappy Holdenの記事「The e-Smart Factory Comes to PCB Fabrication」をご覧ください。