反りとは

Q: 反りがあると何が起きますか？

ヘッドインピローという不良が代表例です。はんだボールとはんだペーストが未融合のまま接した状態で残る不良で、ルネサス エレクトロニクスは、実装直後の検査では電気的に導通している場合があるとしています。

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反りとは、半導体パッケージやプリント基板が弓なりに曲がり、平らさを失う現象です。 温度が上下するたびに大きさも向きも変化するため、常温での形と、はんだが溶ける温度での形は別物になります。

材料ごとの伸びの差が、全体を弓なりに曲げる

パッケージは、シリコンのチップ、エポキシの封止材、銅の配線、ガラスクロス入りの基板といった、性質の異なる材料を重ねた構造です。温度が上がったときに伸びる量は、材料ごとに異なります。伸び方の異なる板を貼り合わせたまま温度を変えると、片側だけが長くなろうとして、全体が弓なりになります。これが反りです。

伸びやすさは熱膨張係数という数字で表され、材料どうしの差が反りの大きさを決めます。レゾナックは有機基板用のエポキシ樹脂封止材で、弾性率や熱膨張率をコントロールしてパッケージの反りを抑制すること¹を特長の先頭に掲げています。その製品特性表では、CEL-9750ZHF10の熱膨張係数がα1で7ppm/℃、α2で27ppm/℃、曲げ弾性率が26GPaです。α1とα2はガラス転移温度を挟んだ前後の値で、27を7で割って計算すると約3.9倍です。同じ材料であっても、温度域が変われば伸び方はこれだけ開きます。

常温で平らでも、リフローの昇温中に反って接合が不良になる

JEITAは2007年3月に、規格ED-7306「昇温によるパッケージ反りの測定方法と最大許容値」を制定しました。電子デバイス部門の半導体パッケージ関係の規格で、日英併記です²。

制定の背景は、常温で平坦度の要求を満たしているパッケージが、リフローの昇温中に反り、はんだ接合部がオープンやショートの不良になる事例が積み上がってきたことです³。パッケージの薄型化、ボールの狭ピッチ化、鉛フリーはんだへの移行が、リフロー中の反りを増やした要因として挙げられています。

そこで同規格は、半導体を供給する側が高温での最大許容反りを規定するという合意を示しています。測る温度は、室温、はんだの融点、ピーク温度、はんだの凝固点、冷えたあとの室温の5つです。融点と凝固点は、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだで220℃を参考値としています。

反りには向きもあります。同規格は、基板へ向く面とは反対側の面が山なりに盛り上がる形を凸としてプラス、へこむ形を凹としてマイナスと定めています。

常温の平坦さと、はんだが溶ける温度の反りは別物です

JEITAの規格ED-7306は、室温、はんだの融点、ピーク温度、はんだの凝固点、冷えたあとの室温という5つの温度で反りを測るよう定めています。室温で許容の帯に収まっていても、ピーク温度で帯を超えることがあるため、1つの温度の数字で実装の成否を判断する進め方には無理があります。

許容反りはボールピッチで決まり、FLGAは基板の反りへ回す余白がゼロ

測定にはシャドウモアレ法かレーザ反射法を使い、はんだボールの頂点を避けて、パッケージの基板面を測ります。条件ごとに3個以上のサンプルを用意し、同じサンプルを繰り返しリフローへ掛ける進め方は避けるよう求められています。熱電対はパッケージ中央へ貼り、モールド側と基板側の温度差は10℃未満に収めることが望ましいとされています。吸湿すると反りが大きくなるという事実も、規格を作った作業部会の合意事項として載っています。

BGAとFBGAの最大許容反りは、ボールピッチ0.4mm・ボール高さ0.20mmで0.10mm、0.65mm・0.33mmで0.14mm、1.27mm・0.60mmで0.25mmです。ピッチが細かいほど、許される反りは小さくなります。FLGAでは、ランドピッチ0.4mmで0.08mm、0.8mmで0.13mmで、この値は溶けたはんだペーストの厚みそのものです。

BGAの最大許容反りは、オープンやブリッジを避けられる最大相対変位のうち、80%をパッケージへ割り当てた値です。残る20%は、基板の反りとペースト厚のばらつきのために取ってあります。FLGAでは100%をパッケージへ割り当てるため、基板の反りへ回す余白がゼロになり、同規格はこの点がFLGA実装の難しさを表すとしています。積み重ねる構造のパッケージは、80%と20%という配分の前提が崩れるため、同規格の適用範囲から除かれています。

ヘッドインピローは、実装直後の検査を導通したまま通り抜ける

BGAのヘッドインピロー（head-in-pillow）は、はんだボールとはんだペーストが未融合のまま接した状態で残る不良です。ルネサスエレクトロニクスは、実装直後の検査では電気的に導通している場合があるとしています⁴。厄介なのはこの点で、不良が出荷後まで持ち越されます。

同社が推定する機構は3段です。予熱でパッケージや基板が温まって反り、反りが大きいとボールとペーストが引き離されます。その状態で加熱が続くと、ボール表面の酸化が急速に進みます。このときペーストから染み出したフラックスが表面を覆いますが、フラックスが活性を失うと、冷却で反りが戻ってボールが触れても、酸化膜が残ったまま未融合の状態になります。

同社が挙げる対策は次のとおりです。BGAと基板は吸湿すると反りが大きくなるため、規定の条件でベークします。基板の材料、構造、配線、形状、実装レイアウトが反りを助長するため、常温と加熱時の両方で反り挙動を調べ、加熱時の反りが大きい場合は反り防止治具の採用を検討します。リフローのピーク温度を上げすぎても基板やパッケージの反りが大きくなり、BGAはQFPより反りが大きいため、より慎重な検証が要ります。

加熱の途中で離れた面は、冷えて触れ直しても融合しづらくなります

ルネサスエレクトロニクスの実装マニュアルが示す、ヘッドインピローの推定機構です。反りは加熱の途中でボールとペーストを引き離し、そのあいだに進んだ酸化が、冷えて触れ直したあとの融合を妨げます。実装直後の検査で導通していることがあるため、この不良は出荷後まで持ち越されます。

反りを抑える手は封止材と基板の両側にあり、基板側では割れが代償になる

パッケージが大きくなるほど、反りは歩留まりと信頼性を左右します。手を入れる先は、封止材の側と基板の側の2つです。

住友ベークライトは2024年11月、パネルレベルパッケージについて、パネルのさらなる大型化に伴い、実装後の反りやパネル内の成形厚みのばらつきといった品質面の課題克服が必要だったとしています⁵。同社は、封止材のフィラーサイズと樹脂粘度を最適化して成形後のパネルの反りを低減した圧縮成形用の顆粒材料を製品化し、600×600mmサイズの大型パネルでも均一な成形が可能になったとしています。液状の封止樹脂と比べて、成形後のパネルの反りと個片化後のパッケージの反りをともに低減したともしています。

レゾナックは2025年2月12日、大型化に伴い基板の反りが信頼性へ与える影響はより大きくなる⁶ことを出発点に、基板の側から手を入れた場合の代償を示しました。反りを抑えるには銅張積層板の熱膨張係数を小さくすることが有効ですが、同社は、熱膨張係数を小さくすると温度サイクル試験の冷却時に、基板を構成する他の材料との熱膨張差によってクラックが発生しやすくなるとしています。同社はマルチスケール解析で材料ごとの設計指針を出し、温度サイクル試験における寿命を従来比の4倍としたうえで、100mm×100mmを超える半導体パッケージへの対応と、2026年の量産開始を掲げています。

反り対策の本質は、1つの材料の膨張を小さくする作業と、材料どうしの膨張差を揃える作業が別の仕事だという点にあります。片方を極端に進めると、もう片方が崩れます。

よくある質問（FAQ）

反りとは何ですか？

半導体パッケージやプリント基板が弓なりに曲がり、平らさを失う現象です。性質の異なる材料を重ねた構造のため、温度が上下すると材料ごとの伸びる量の差が曲げの力になります。

なぜ反るのですか？

材料ごとに熱膨張係数が異なるためです。レゾナックは有機基板用エポキシ樹脂封止材で、弾性率や熱膨張率をコントロールしてパッケージの反りを抑制することを特長の先頭に掲げています。

常温で平らなら大丈夫ですか？

常温での形と、はんだが溶ける温度での形は別物になります。常温で平坦度の要求を満たすパッケージがリフローの昇温中に反り、はんだ接合部がオープンやショートの不良になる現象が、JEITAの規格ED-7306を制定した背景です。

反りはどうやって測るのですか？

シャドウモアレ法かレーザ反射法を使います。ED-7306は、室温、はんだの融点、ピーク温度、はんだの凝固点、冷えたあとの室温という5つの温度で測ると定めています。融点と凝固点は、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだで220℃を参考値としています。

どこまでの反りなら許されるのですか？

ボールピッチごとに決まります。ED-7306では、BGAとFBGAでボールピッチ0.4mm・ボール高さ0.20mmのとき0.10mm、1.27mm・0.60mmのとき0.25mmです。FLGAではランドピッチ0.4mmで0.08mmであり、これは溶けたはんだペーストの厚みそのものです。

反りがあると何が起きますか？

ヘッドインピローという不良が代表例です。はんだボールとはんだペーストが未融合のまま接した状態で残る不良で、ルネサスエレクトロニクスは、実装直後の検査では電気的に導通している場合があるとしています。

反りはどうやって抑えるのですか？

封止材と基板の両側から手を入れます。住友ベークライトは2024年11月、封止材のフィラーサイズと樹脂粘度の最適化で成形後のパネルの反りを低減したとしています。レゾナックは2025年2月、銅張積層板の熱膨張係数を小さくすることが有効な一方、温度サイクル試験の冷却時に他の材料との熱膨張差でクラックが発生しやすくなるとしています。

比較・違いを学ぶ

リフローとは── 反りがいちばん大きくなる温度域を作る工程です
封止樹脂とは── 反りの向きと大きさを左右する材料の側です
放熱材（TIM）とは── 反りが生むすき間を埋めて熱を伝える材料です

出典

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