XAPP646:"Connecting Virtex-II Devices to a 3.3V/5V PCI Bus" v1.1

ア プ リ ケーシ ョ ン ノ ー ト : パ ッ ケージ
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ザイ リ ン ク ス 鉛フ リ ー パ ッ ケージ
XAPP427 (v1.0) 2002 年 12 月 9 日
は じ めに
ザ イ リ ン ク ス は、 2001 年初め よ り 、 メ ーカ、 カ ス タ マ、 お よ び さ ま ざ ま な業界団体 と 共に、 鉛フ リ ー
アプ リ ケーシ ョ ンの研究開発に取 り 組んで き ま し た。 鉛フ リ ー パ ッ ケージの開発は、 電子機器製品への
鉛使用を禁止す る 法令制定の可能性を踏ま え、 環境を さ ら に考慮 し た製品を提供す る と い う ニーズ を満
たす こ と を最初の目的 と し て進め ら れて き ま し た。
製品導入スケ
ジ ュ ール
ザ イ リ ン ク スは、 鉛フ リ ー製品を段階的に提供す る 予定であ り 、 初期段階 と し て、 一部のデバ イ ス /パ ッ
ケージ をベー タ カ ス タ マに提供 し ま す。 2003 年 第 1 期 よ り 、 生産量の少ない、 一部の PQFP お よ び
BGA 製品を提供 し ます。 戦略的影響を考慮の上、 他のデバ イ ス /パ ッ ケージ も 含まれ る 予定です。 鉛フ
リ ー製品についての詳細は、 ザ イ リ ン ク ス販売代理店ま でお問い合わせ く だ さ い。
製品番号
鉛フ リ ー製品 と 従来の製品は、 パ ッ ケージ コ ー ド で区別 し ます。 鉛フ リ ー製品には、 異な る 製品番号が
付いてい ますが、 独自の文字ま たは ロ ゴは付いてい ません。 「G」 の文字が、 パ ッ ケージ コ ー ド に追加 さ
れてい る も のが、 鉛フ リ ー製品です。 た と えば、 TQ144 は、 従来 TQFP 144 リ ー ド パ ッ ケージの製品
コ ー ド ですが、 鉛フ リ ーの TQFP 144 リ ー ド パ ッ ケージの製品の コ ー ド は TQG144 です。
品質
現在の と こ ろ、 ザ イ リ ン ク ス の鉛フ リ ー パ ッ ケージは、 JEDEC に よ っ て、 ピー ク リ フ ロ ー温度が 260
℃ の レベル 3 耐湿性に分類 さ れてい ます。信頼性テ ス ト には、温度サ イ ク ルお よび THB が含まれます。
さ ら に、 ザ イ リ ン ク スは、 メ －カお よ びパー ト ナー企業 と 共に、 ボー ド レベル と 半田性のテ ス ト を実施
し ます。 こ れ ら のテ ス ト 結果は、 リ ク エ ス ト す る こ と に よ り 、 入手で き ます。
材質セ ッ ト
ザ イ リ ン ク スは、 メ ーカ な ど と 協力する こ と に よ り 、 鉛フ リ ー アプ リ ケーシ ョ ンに最 も 適 し た材質セ ッ
ト を調達 し てい ます。 材質セ ッ ト には、 MAX 260℃ の高い リ フ ロ ー温度条件を満たす信頼性 と 強固 さ
が必要であ り 、 こ れ ら は、 鉛フ リ ー パ ッ ケージの半田付けに不可欠です。
現在、 ザ イ リ ン ク ス が、 鉛フ リ ー パ ッ ケージ用に使用 し てい る モール ド コ ンパ ウ ン ド は 「グ リ ーン (環
境に対 し て安全) 」 です。 Sumitomo G700/G770 フ ァ ミ リ は、 Br/Sb/Cd/PBB/PBDE を含まず、 難熱剤を
使用 し ません。
鉛パ ッ ケージは、 マ ッ ト ス ズ メ ッ キ仕上げであ り 、 ア レ イ パ ッ ケージには、 Sn/Ag/Cu 半田ボールがあ
り ます。 こ れ ら の材質は、 入手 し やす さ 、 低 コ ス ト お よ び信頼性の観点か ら 、 業界で優先的に使用 さ れ
てい ます。
© 2002 Xilinx, Inc. All rights reserved. すべての Xilinx の商標、 登録商標、 特許、 免責条項は、 http://www.xilinx.com/legal.htm に リ ス ト さ れています。 他のすべての商標お よび登録商標
は、 それぞれの所有者が所有 し ています。 すべての仕様は通知な し に変更 さ れる可能性があ り ます。
保証否認の通知 : Xilinx ではデザイ ン、 コ ー ド 、 その他の情報を 「現状有姿の状態」 で提供 し ています。 この特徴、 ア プ リ ケーシ ョ ン ま たは規格の一実施例 と し てデザイ ン、 コ ー ド 、 そ
の他の情報を提供 し てお り ますが、 Xilinx は この実施例が権利侵害のク レ ームを全 く 受けない と い う こ と を表明する も のではあ り ません。 お客様がご自分で実装 さ れる場合には、 必要な
権利の許諾を受け る責任があ り ます。 Xilinx は、 実装の妥当性に関するいかな る保証を行な う も のではあ り ません。 こ の保証否認の対象 と な る保証には、 権利侵害の ク レームを受けない
こ と の保証または表明、 お よび市場性や特定の目的に対する適合性についての黙示的な保証も 含まれます。
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ザイ リ ン ク ス 鉛フ リ ー パ ッ ケージ
表 1 は、 ザ イ リ ン ク ス 鉛フ リ ー パ ッ ケージ 材質セ ッ ト の概要です。
表 1: 鉛フ リ ー材質セ ッ ト
パ ッ ケージ
材質特性
モール ド コ ンパウン ド
メ ッ キ/半田ボール合金
ダイ ア タ ッ チ
VQGs, TQGs, PQGs
Sumitomo G700
Ablebond 3230
100% Matte Sn
CSG48
Sumitomo G770
Ablebond 2300
Sn3.9Ag0.6Cu
CSG144
Sumitomo G770
Ablebond 2025
Sn3.9Ag0.6Cu
BGG/FGG ( キ ャ ビ テ ィ
ア ッ プ)
Sumitomo G770
Ablebond 2300
Sn3.9Ag0.6Cu
BGG/FGG ( キ ャ ビ テ ィ
ダ ウ ン , 銅ベース )
Dexter CBO-260AT
Hitachi
Sn3.9Ag0.6Cu
EN4900-1
優れた特性お よ び低吸湿性に よ り 、 鉛フ リ ー材質セ ッ ト を選択 し ます。 表 2 に、 材質特性の概要を示 し
ます。
表 2: 材質特性
モール ド コ ンパウン ド
/Encapsulant の種類
メ ッ キ/半田ボール
ダイ アタ ッ チ
G770
G700
CBO-260AT
A/B 2300
A/B 3230
EN4900-1
100Sn
SnAgCu
CTE1 (ppm/℃)
8
12
17
60
80
127
26
-
CTE2 (ppm/℃)
37
49
67
129
205
158
-
-
Tg (℃)
130
130
149
0.8
37
19
232
217
( 融点 )
( 融点 )
パ ッ ケージ
熱伝導率
0.88
0.88
0.70
0.60
1.40
4
73
57
25480
18620
12700
1800
2900
350
-
-
588
588
600
240
90
N/A
-
-
(W/m″ ℃)
Modulus (MPa) -25℃
Modulus (MPa) - 240℃
半田 リ フ ロー ガ イ
ド ラ イ ン (SMT)
業界では、 低融点 (217℃)、 低 コ ス ト 、 お よ び長期間の信頼性か ら Sn3.9Ag0.6Cu が、 半田付け合金 と
し て広 く 受け入れ ら れてい ます。 SnAgCu を使用 し た場合、 熱/機械的な耐用年数が、 共晶ス ズ /鉛半田
と 同等ま たはそれ以上に優れてい ます。 し か し 、 こ の合金の場合、 リ フ ロ ー時の ピー ク 温度が 235-260
℃ と 高 く な る と い う 問題があ り ます。 し たがっ て、 アセ ンブ リ 工程は、 も っ と も よ い イ ール ド と 信頼性
を達成す る よ う に最適化す る 必要があ り ます。
最適化プ ロ フ ァ イ
ル
最適化プ ロ フ ァ イ ルは、 使用す る 半田ペー ス ト / フ ラ ッ ク ス、 ボー ド サ イ ズ、 ボー ド 上の コ ン ポーネ ン
ト 密度、 お よ び大小 コ ン ポーネ ン ト の混合を考慮 し 、 作成す る 必要があ り ます。 コ ン ポーネ ン ト の複数
の位置で測定 さ れた熱電対を使用 し 、 新規ボー ド デザ イ ン用のプ ロ フ ァ イ ルを作成 し ます。 ボー ド 上に
複数のデバ イ ス があ る 場合は、 最低 リ フ ロ ー温度が大 き な コ ン ポーネ ン ト の リ フ ロ ー温度に達 し てい る
と 同時に、 小 さ く 、 高温に対応 し ていない コ ン ポーネ ン ト の し き い値温度を超え ていない こ と を確認す
る ために、 ボー ド 上の さ ま ざ ま な位置での測定結果を検証す る 必要があ り ます。
一般に、 鉛フ リ ー パ ッ ケージ用の リ フ ロ ー プ ロ フ ァ イ ルの段階的な傾斜は、 (図 1) の よ う に直線で示 さ
れてい ます。 こ のプ ロ フ ァ イ ルは、 傾斜に く ぼみが見 ら れ る 従来の ス ズ /鉛シ ス テ ムのプ ロ フ ァ イ ル よ り
も 、 ぬれ性が向上 し 、 熱シ ョ ッ ク も 減少 し てい ます。 さ ら に、 SnAgCu は、 235℃ で完全に液化す る た
めに、260℃ の ピー ク 温度ま で上昇 さ せ る 必要がない こ と があ り ます。260℃ ま たはそれ以上に高い ピー
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ク 温度で リ フ ロ ーす る こ と は、 熱に敏感な コ ン ポーネ ン ト に損傷を与え、 ボー ド に反 り を起 こ す可能性
があ り ます。 ピー ク 温度が最低であ る リ フ ロ ー プ ロ フ ァ イ ルを使用す る こ と をお奨め し ます。
大小の コ ン ポーネ ン ト が混在 し た、 高機能なボー ド の場合、 ボー ド の温度偏差を最小に (10℃ 以下に維
持) し 、 ボー ド に反 り が起 こ ら ない よ う に し て、 高いア セ ン ブ リ イ ール ド を達成す る こ と が重要です。
そのためには、 予備加熱の段階で温度の上昇率を低 く し ます。 は じ めは、 1℃/秒の比率で上昇 さ せ、 そ
の後は 3℃/秒以下で上昇 さ せます。
ま た、 冷却段階では コ ン ポーネ ン ト の表面お よ びサ イ ド の温度偏差を最小にす る 必要があ り ます。 こ の
段階は、 リ フ ロ ー工程で非常に重要であ る ため、 確実に最適化 し な く てはな り ません。 温度の降下率を
下げ る こ と でアセンブ リ 率は高 く な り ますが、 金属層間のグ レ イ ン サ イ ズは大 き く な り ます。 結果 と し
て、 半田接合部分の強度が低 く な り ます。 一方、 温度の降下率を上げ る と 半田接合グ レ イ ン サ イ ズが小
さ く な り 、 半田付け部分の強度を高め る こ と がで き ます。 ただ し 、 コ ン ポーネ ン ト の表面 と 底面、 お よ
び コ ン ポーネ ン ト と PCB に温度差が発生す る ために、 発熱部分が大 き いパ ッ ケージ を急激に冷却す る
と 、 ク ラ ッ ク やパ ッ ケージの反 り を引 き 起 こ す こ と があ り ます。
パ ッ ケージの表面 と 半田接合部分の温度差が最小にな る よ う に冷却す る こ と が重要にな り ます。 冷却段
階では、 コ ン ポーネ ン ト の表面 と 半田ボールの温度差は 7 ℃ 以下に維持 し ます。 こ の段階は、 ボールが
ま だ完全にはボー ド に接着 さ れていない非常に重要な段階で、 通常、こ の と き の温度は 200-217℃ です。
冷却部分を い く つかに分割 し 、 それぞれを異な る 温度で効果的に冷却す る こ と で、 温度差に よ る 問題は
解決で き ます。
表 3 お よ び図 1 に鉛フ リ ー 半田 リ フ ロ ー プ ロ フ ァ イ ルを示 し ます。
表 3: 鉛フ リ ー 半田 リ フ ロー プ ロ フ ァ イル
対流型、 IR/対流型
プ ロ フ ァ イル内容
温度上昇速度
1-3℃/秒
予備加熱温度
60-120 秒
125-175℃
217℃ 以上に維持す る 時間
45-120 秒
ピー ク 温度か ら 5℃ 以内であ る 時間
10-20 秒
ピー ク 温度
最低 235℃、 平均 245℃、 最高 260℃ (半田ペース ト 、 ボー ド
サ イ ズ、 コ ン ポーネ ン ト に よ る )
温度下降速度
1-3℃/秒
ピー ク 温度ま で 50℃ であ る時間
最短 3.5 分、 平均 5.0 分、 最長 6 分
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図 1: 鉛フ リ ー 半田 リ フ ローの一般的条件
リ フ ロー オーブ ン
常に高いアセ ンブ リ イ ール ド を維持す る には、 ゾーンの広い設備にア ッ プグ レー ド し 、デル タ T が最小
にな る よ う に リ フ ロ ー工程を調整す る 必要があ り ます。 対流型 リ フ ロ ー オーブンの使用をお奨め し ます
が、 IR リ フ ロ ーは適 し ていない場合があ り ます。
窒素
ぬれ性を向上 さ せ、 プ ロ セ ス ウ ィ ン ド ウ を広げ る ためには、 窒素の使用をお奨め し ます。 窒素は、 特に
ボー ド 上の温度偏差が大 き い場合に有効です。 さ ら に、 窒素を使用す る こ と に よ り 、 半田接合部の酸化
を抑制 し ます。
品質検査
鉛フ リ ーの半田接合部は、 ス ズ /鉛の接合部 よ り 、 く すみお よ び粗 さ が見 ら れ る 場合があ り ます。 一般的
に、 ぬれ性 も ス ズ /鉛半田接合ほ ど優れてい ません。 技師は、 鉛フ リ ー半田接合 と ス ズ /鉛半田接合を区別
で き る 必要があ り ます。
手付け半田
手付け半田では、 半田ご て先の品質お よ び半田付けの技術の 2 点が重要です。 鉛フ リ ーアプ リ ケーシ ョ
ンは、 高温で半田付け を行 う ため、 厳密な温度コ ン ト ロ ールが特に重要です。 過度に温め る と 、 PCB お
よ び温度に敏感な コ ン ポーネ ン ト に損傷を与え る こ と があ り ます。 予備加熱を行 う こ と で、 デル タ T を
減少 さ せ、 高温の半田ご て先を使用す る こ と を避けて く だ さ い。 半田ご て先の温度お よ び所要時間は、
接合部の大 き さ に よ っ て変わ り ます。 一般的に、 半田ご て先の温度は、 ス ズ /鉛半田付けの場合 よ り も 高
く な り (350℃-375℃)、 所要時間は、 最長で 5 秒です。 場合に よ っ ては、 異な る サ イ ズの半田ご て先を
使用す る 必要があ り ます。 接合部が大 き い場合は、 こ て先 も 大 き い も のが適 し てい ます。
負荷に関わ ら ず、 さ ま ざ ま な電力で半田ご て先の温度を一定に維持で き る 新規の半田付けシ ス テ ム も 使
用可能です。 こ て先の温度が一定の場合、 作業を中断す る 必要な く 、 熱に対 し て敏感な コ ン ポーネ ン ト
を損傷す る 可能性が減少す る ため、 鉛フ リ ーの半田付けに有用です。
鉛フ リ ーのパ ッ ケージは、 汚れた半田ご て先に非常に敏感であ る ため、 清潔な こ て先の使用が不可欠で
す。
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参考資料
改訂履歴
1.
American Competitive Institute, "Initiatives in Lead Free Soldering", www.aciusa.org
2.
Bath, Jasbir, Handerwer, Carol, and Bradley, Edwin, "Research Update: Lead-Free Solder
Alternatives", www.circuitassembly.com, May 2000.
3.
Gilleo, Ken, "Area Array Packaging Handbook", copyrighted 2002 by McGraw-Hill Co., pages
14.14-14.16.
4.
Hall, James, "Concentrating on Reflow's Cooling Zones", EP&P, 3/01/2001
5.
Narrow, Phil, "Soldering", SMT Magazine, Aug. 2000
6.
Parker, Richard, "The Next No-Lead Hurdle: The Components Supply Chain", www.circuitree.com,
August 1, 2000.
7.
Peo, Mark and DeAngelo, Don, "New Reflow Profiles and Oven Configurations Must be Explored to
Meet the Needs of Lead-Free Solder Paste", www.smtmag.com, May 2000.
8.
Selig, Karl and Suraski, David, "A Practical Guide to Achieving Lead Free Electronics Assembly,
aimsolder.com
こ の ド キ ュ メ ン ト の改訂履歴を示 し ます。
日付
バージ ョ ン
12/09/02
1.0
XAPP427 (v1.0) 2002 年 12 月 9 日
改訂内容
初版 リ リ ース
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