チップスケールパッケージ（CSP）アセンブリ：精度、課題、そして先進的な製造ソリューション

チップスケールパッケージ（CSP） は小型フォームファクタにとって重要なパッケージングです。CSP により、チップは小型、軽量、高性能になりますが、 CSPアセンブリ 標準的なICパッケージングと比較して、はるかに難しい。この記事は FS PCBA 本講演では、チップスケールパッケージ、その課題、他のパッケージング技術との違い、そして信頼性の高い生産に必要な高度なプロセスについて解説します。.

チップスケールパッケージ（CSP）とは何ですか？

チップスケールパッケージング は、集積回路パッケージサイズを考慮したパッケージング技術 サイコロの1.2倍. ガファリアン（ジェット推進研究所）によると、この値は 1.2～1.5倍 パッケージングシステムの冒頭で、チップは最小限の材料でパッケージ化され、電気接続はピンではなく小さなはんだボールで行われます。これにより、デバイスをプリント基板に直接実装することが可能になります。.

省スペースと適切な電気性能を実現するこの相互接続システムは、理想的なソリューションです。スマートフォン, スマートウォッチ、, IoT デバイス、およびその他の携帯電子機器。.

チップスケールパッケージの寸法

A CSP ICパッケージは、内部のチップとほぼ同じサイズです。.

小さなフットプリント： 通常のみチップサイズの1.2倍.
はんだボール／パッド： 表面実装用の小さな接続部、 250～300 µm.
ピッチ： 接続間の距離は 1mmから0.5mm以下.
目立たない： 大きなリードフレームや重いものは成形, 小型デバイスに最適です。.

CSP製造における主な組立上の課題は何ですか？

部品配置の精度

CSPで使用されるコンポーネントは非常に小さいため、プレースメント接続不良などのより大きな問題を引き起こす可能性があります。, 組み立て不良, 製品の精度と信頼性を損なうことになる。そのため、SMT超高精度ピックアンドプレースマシンが必要であり、ファインピッチ部品パッドと半田ボールが密に配置されているため、再現性の高いサブミクロン精度を実現できます。.

基材の反り対策

CSPは全体的に反りが発生する可能性が高いはんだ付けの加熱段階. これは、CSPが薄いため、反りが発生する可能性が高いからです。さらに、PCBとCSPの熱膨張係数（CTE）の差も反りの原因となります。パッケージまたはPCBが少しでも反ると、パッド間の界面に隙間が生じる可能性があります。このような場合、半田付け不良や接合部のひび割れが発生し、信頼性の問題につながります。この反りを管理することは、CSP製造における重要な課題の一つであり、特にCSPを使用する設計においては重要です。 HDI（高密度相互接続）スタックアップ構造や、信号の完全性が極めて重要な高周波アプリケーションにおいて使用されます。.

高密度レイアウトにおける熱管理

非常に小さな隙間と近さ PCB部品 CSPアセンブリ内で熱を拡散するための余分なスペースを作らない。温度管理実現がより複雑になるため、メーカーは回路基板上の熱伝導経路を慎重に管理しています。熱伝導ビア、専用のヒートスプレッダ、最適化された積層構造設計などが、効率的な熱伝導経路の実現に貢献しています。.

超微細ピッチはんだ付け

CSPは、パッド間のギャップが非常に小さい超微細ピッチのはんだ接合部を使用しています。これにより、はんだブリッジのリスクが高まります。, 関節疲労, また、熱サイクルや機械的サイクル中の欠陥も発生します。さらに、CSPははんだ付けの微細ピッチ要件を要求し、製造工程より難易度が高い。そのため、非常に高度なはんだ付け技術が求められる。メーカーは、精密なはんだ付けを実現するために、ファインピッチ印刷技術とスチールメッシュレーザー切断技術を採用している。はんだペースト成膜。さらに、特に高周波アプリケーションにおいては、信号の完全性を維持するために、PCBレイアウトにおけるインピーダンス制御が非常に重要となる。.

再加工と修理の難易度

チップスケールパッケージ（CSP）の再加工は、その小型サイズと微細ピッチのため困難を伴います。周囲の部品を損傷することなくCSPを取り外したり交換したりするには、特殊な工具、正確な温度制御、そして熟練した作業技術が必要です。そのため、従来のパッケージング方法と比較して、CSPの再パッケージングは時間がかかり、コストが高く、リスクも高くなります。.

CSP vs. BGA vs. QFN

特徴	CSP（チップスケールパッケージ）	BGA（ボールグリッドアレイ）	QFN（クワッドフラットノーリード）
サイズ	最小サイズ（チップ自体とほぼ同じ大きさ）	より大きい（パッケージがシリコンダイより大きい）	中小規模
コネクション	下には小さなはんだボールがあり、細かいピッチ.	下部にはんだボールを配置し、CSPよりもピッチを大きくする。.	縁の周囲には平らな金属パッドがあり、底面には大きなサーマルパッドが配置されている。.
主な強み	超小型デバイスのための最大限の小型化。.	接続数の多さ、優れた放熱性、そして信頼性のバランスが非常に優れている。.	優れた熱性能、シンプルな設計、そしてコストパフォーマンスの高さ。.
主な課題	非常に小さいため、組み立て、はんだ付け、修理が非常に困難です。 X線検査.	はんだ接合部は隠れており、 X線検査. 非常に密度の高い設計の場合、課題となる可能性があります。.	BGA/CSPよりも接続箇所が少ない。サーマルパッドには、慎重なPCBパッド設計が必要となる。.
検査	必要 X線検査（関節部分は隠れています。）.	必要 X線検査（関節部分は隠れています。）.	使用できます AOI検査目視検査（関節は目視できることが多い）。.
最適	高周波アプリケーション, スマートフォン、ウェアラブル端末、およびスペースが限られるあらゆるアプリケーション。.	プロセッサ、高性能チップ、そして多数の信頼性の高い接続を必要とするアプリケーション。.	電力管理、アナログ回路、および発熱が懸念されるコスト重視のアプリケーション。.

チップスケールパッケージ（CSP）

チップスケールパッケージは、シリコンダイとほぼ同じサイズです。チップの下に配置された小型のはんだボールを使用することで、非常に高密度な設計が可能になります。.

CSPはスマートフォン、ウェアラブルデバイス、IoT機器などに使用されており、超小型・高密度電子機器に最適な選択肢となっています。はんだボールが非常に小さく、間隔も狭いため、CSPの実装には精密機器が必要です。CSPの修理は難しく、検査にX線が必要となるため、修理コストが高くなります。.

ボールグリッドアレイ（BGA）

ビーゲー CSPと同様に、BGAもパッケージの下に半田ボールを配置しますが、BGA部品のサイズはダイよりもはるかに大きくなります。このBGAの大型化により、機械的強度が向上し、放熱性も高まります。.

BGAは、プロセッサ、メモリチップ、ネットワークカードなどに使用されています。CSPと比較すると、はんだピッチが大きくスペースも広いため、組み立てが容易です。しかしながら、BGAは接合部が目に見えないため、X線検査が必要です。.

高入出力、高性能デバイスに適した選択肢です。. しかし、その主な利点と欠点は同時に次のとおりです。CSPと比較すると、サイズは大きいですが、ジョイントが隠れています。.

クワッドフラットノーリード（QFN）

があります。 QFNパッケージ底面にフラットパッドがあるため、はんだボールがありません。パッケージは非常に小さいですが、CSPほど小さくはありません。QFNは、露出したサーマルパッドを通して優れた電気的性能と放熱性を提供します。.

QFNはCSPやBGAパッケージよりも扱いやすく、許容範囲も狭い。. 目視検査実現可能性が高く、再加工も容易で、標準的なプリント基板を一般的に利用できる。そのため、QFNは電源管理やアナログ回路において非常に人気が高い。.

費用対効果が高く、信頼性の高い設計に適しています。. 主な欠点としては、BGAやCSPに比べてI/O数が少ないことが挙げられる。.

続きを読む： BGAとQFNの比較

CSPアセンブリ向け先進製造および検査

CSP（集光型太陽熱発電装置）の組み立てにおける困難に対応するため、メーカー各社はいくつかのハイテク技術を採用している。

スチールメッシュレーザー切断 微細ピッチのはんだペースト印刷に適した、正確な形状の開口部を得るため。.
ファインピッチ印刷技術 超微細パッド上にペーストを均一に塗布するため。.
局留め超高精度配置マシン 必要な部品配置精度を達成するため。.
AOI検査 （自動光学検査）は、はんだペースト、部品の配置、および表面欠陥の検査に使用されます。.
X線検査 隠れたはんだ接合部の空隙、ブリッジ、または位置ずれの問題を検査するため。.
インピーダンスコントロール PCBに技術が適用される 積み重ね構造 パフォーマンスを維持するために高周波アプリケーション.
フレキシブル回路アセンブリを含む設計では、アセンブリおよびラミネーションプロセスには、 フレキシブルプリント回路（FPC） 専門化している。.

CSP の高度なバージョンでは、 フリップチップ技術 パッケージサイズを最小限に抑え、電気的特性を最適化するために、チップを基板上に上下逆さまに配置する方式が用いられる。.

続きを読む：フリップチップ方式とワイヤボンディング方式の比較

FS PCBAチップスケールパッケージ組立能力

FS PCBA 当社は、CSP、BGA、QFN、その他のファインピッチ表面実装技術を含む包括的なICパッケージングサービスを提供しています。当社の生産ラインは、SMT超高精度実装機、高度なリフローシステム, AOI検査、X線検査、はんだペースト検査（SPI）高密度かつ微細ピッチの実装に対応します。当社は、厳格なプロセス管理、高速設計におけるインピーダンス制御、そして経験豊富な技術監督を重視し、HDIボードや高周波アプリケーションにおいても信頼性の高いCSPアセンブリを実現します。. FS PCBAにお問い合わせください 個別のサポートと詳細なプロジェクト見積もりについては、お問い合わせください。.

結論

チップスケールパッケージは、現代の電子機器に求められる小型化と高性能化を実現することを可能にする一方で、組み立てにおける大きな困難も伴います。高い位置決め精度、超微細ピッチのはんだ付け、温度管理、基板の反り、複雑なリワーク手順などが求められるため、CSPの組み立ては標準的なパッケージングよりもはるかに困難です。.

適切な設計手法、プロセス制御、および製造技術を備えていれば、これらの障害を克服し、低コストで高品質なCSPアセンブリを確実に製造することが可能になる。.

参照：
https://ntrs.nasa.gov/citations/20000073231

https://nepp.nasa.gov/docuploads/043994a5-76ac-469d-950f4d5cefdc3329/ectc99-3.pdf