ボールグリッドアレイ

ボールグリッド アレイ( BGA ) は、集積回路に使用される表面実装パッケージ (チップ キャリア)の一種です。BGA パッケージは、マイクロプロセッサなどのデバイスを恒久的に実装するために使用されます。BGA は、デュアル インラインパッケージやフラット パッケージに搭載できるよりも多くの相互接続ピンを提供できます。デバイスの周囲だけでなく、底面全体を使用できます。パッケージのリードと、ダイをパッケージに接続するワイヤまたはボールを接続するトレースは、周囲のみのタイプよりも平均して短く、高速でのパフォーマンスが向上します。^{[引用が必要]}

BGA デバイスのはんだ付けには精密な制御が必要であり、通常はコンピュータ制御の自動リフロー炉などの自動化されたプロセスによって実行されます。

BGA はピン グリッド アレイ(PGA) の流れを汲むもので、PGA は片面が (または部分的に)グリッド パターンのピンで覆われたパッケージで、動作時には集積回路とそれが配置されているプリント回路基板(PCB) との間で電気信号を伝導します。BGA では、ピンはパッケージの底部のパッドに置き換えられ、各パッドには最初は小さなはんだボールが付着しています。これらのはんだボールは、手動または自動装置で配置でき、粘着性フラックスで所定の位置に保持されます。^[1]デバイスは、はんだボールと一致するパターンの銅パッドが付いた PCB 上に配置されます。次に、アセンブリはリフロー炉または赤外線ヒーターで加熱され、ボールが溶融します。表面張力により、溶融したはんだがパッケージを回路基板と適切な距離で位置合わせし、はんだが冷えて固まると、デバイスと PCB の間にはんだ接続が形成されます。

より高度な技術では、はんだボールが PCB とパッケージの両方に使用される場合があります。また、スタックされたマルチチップ モジュール(パッケージ オン パッケージ) では、はんだボールを使用して 2 つのパッケージを接続します。

BGA は、数百のピンを持つ集積回路用の小型パッケージを製造するという問題に対する解決策です。ピン グリッド アレイとデュアル インライン表面実装 ( SOIC ) パッケージは、ますます多くのピンとピン間の間隔が狭くなるように製造されていましたが、これははんだ付けプロセスに問題を引き起こしていました。パッケージのピンが近づくにつれて、はんだで隣接するピンを 誤ってブリッジする危険性が高まりました。

BGA パッケージが個別のリードを持つパッケージ (つまり、脚のあるパッケージ) よりも優れている点は、パッケージと PCB 間の熱抵抗が低いことです。これにより、パッケージ内の集積回路によって生成された熱が PCB に流れやすくなり、チップの過熱を防止できます。

電気導体が短いほど、不要なインダクタンスが低くなります。この特性により、高速電子回路で信号に不要な歪みが生じます。BGA はパッケージと PCB 間の距離が非常に短いため、リード インダクタンスが低く、ピン デバイスよりも優れた電気性能を発揮します。

BGA の欠点は、はんだボールが長いリードのように曲がることができないため、機械的に適合しない点です。すべての表面実装デバイスと同様に、PCB 基板と BGA 間の熱膨張係数の差による曲がり(熱応力) や、曲げと振動 (機械的応力) により、はんだ接合部が破損する可能性があります。

熱膨張の問題は、PCB の機械的特性と熱的特性をパッケージの特性と一致させることで解決できます。通常、プラスチック BGA デバイスは、セラミック デバイスよりも PCB の熱的特性に近くなります。

RoHS準拠の鉛フリーはんだ合金アセンブリの主流は、 BGAに「ヘッドインピロー」^[2]はんだ付け現象、「パッドクレーター」問題、および高温、高熱衝撃、高重力環境などの極端な動作条件での鉛ベースのはんだBGAに対する信頼性の低下など、いくつかのさらなる課題をもたらしました。これは、RoHS準拠のはんだの延性が低いことに一部起因しています。^[3]

機械的ストレスの問題は、「アンダーフィル」と呼ばれるプロセスでデバイスを基板に接着することで克服できます。 ^{[4]このプロセスでは、デバイスを PCB にはんだ付けした後、デバイスの下にエポキシ混合物を注入して、BGA デバイスを PCB に効果的に接着します。使用されているアンダーフィル材料には、作業性や熱伝達に関する特性が異なるいくつかの種類があります。アンダーフィルのもう 1 つの利点は、}スズウィスカーの成長を制限することです。

非準拠接続に対するもう 1 つの解決策は、パッケージ内に「準拠層」を配置し、ボールがパッケージに対して物理的に移動できるようにすることです。この手法は、DRAM を BGA パッケージにパッケージ化するための標準となっています。

パッケージのボードレベルの信頼性を高めるための他の技術としては、セラミックBGA（CBGA）パッケージ用の低膨張PCBの使用、パッケージとPCB間のインターポーザ、デバイスの再パッケージ化などがあります。 ^[4]

パッケージがはんだ付けされると、はんだ付けの欠陥を見つけるのは困難です。この問題を克服するために、 X 線装置、産業用 CT スキャン装置、^[5]特殊な顕微鏡、はんだ付けされたパッケージの下を見るための内視鏡が開発されました。BGA のはんだ付けが不良であることが判明した場合、赤外線ランプ (または熱風)、熱電対、パッケージを持ち上げる真空装置を備えた治具であるリワークステーションでBGA を取り除くことができます。BGA は新しいものと交換することも、再生 (またはリボール) して回路基板に再度取り付けることもできます。1 つまたは少数の BGA のみを再加工する必要がある場合は、アレイ パターンに一致する事前構成済みのはんだボールを使用して BGA をリボールすることができます。より大量かつ繰り返しのラボ作業の場合は、ステンシル構成の真空ヘッドによる遊離球のピックアップと配置を使用できます。

X 線 BGA の目視検査はコストがかかることから、代わりに電気テストが頻繁に使用されます。IEEE 1149.1 JTAGポートを使用した境界スキャンテストが非常に一般的です。

安価で簡単な検査方法は破壊的ではあるものの、特別な装置を必要としないため、ますます人気が高まっています。一般的にダイアンドプライと呼ばれるこのプロセスでは、PCB全体またはBGAが取り付けられたモジュールのみをダイに浸し、乾燥後にモジュールをこじ開けて壊れた接合部を検査します。はんだ付け箇所にダイが含まれている場合、接続が不完全であったことを示します。^[6]

開発中は BGA をはんだ付けするのは現実的ではないため、代わりにソケットが使用されますが、信頼性が低い傾向があります。ソケットには 2 つの一般的なタイプがあります。より信頼性の高いタイプには、ボールの下を押し上げるスプリング ピンが付いていますが、スプリング ピンが短すぎる可能性があるため、ボールを取り外した BGA を使用することはできません。

信頼性の低いタイプは、ボールをつかむスプリングピンチャーを備えたZIF ソケットです。これは、特にボールが小さい場合にはうまく機能しません。^{[引用が必要]}

BGAパッケージを確実にはんだ付けするには高価な設備が必要であり、BGAパッケージを手作業ではんだ付けするのは非常に難しく、信頼性が低く、最小のパッケージを最小数量でしか使用できません。^{[7]しかし、より多くのICがリードレス（例：}クワッドフラットノーリードパッケージ）またはBGAパッケージでのみ利用可能になったため、ヒートガン、家庭用オーブントースター、電気フライパンなどの安価な熱源を使用したさまざまなDIYリフロー方法が開発されました。^[8]

事実上、チップダイをキャリアにマウントするフリップチップ方式も、バンプまたはマイクロバンプと呼ばれるボールの機能的同等物を備えた BGA 設計の派生の一種です。これは、すでに顕微鏡レベルのサイズで実現されています。

ボール グリッド アレイ デバイスを使いやすくするために、ほとんどの BGA パッケージでは、パッケージの外側のリングにのみボールがあり、最も内側の四角形は空のままになっています。

Intel はPentium IIおよび初期のCeleronモバイル プロセッサ用に BGA1 というパッケージを使用しました。BGA2 は Intel のPentium IIIおよびそれ以降の一部の Celeron モバイル プロセッサ用のパッケージです。BGA2 は FCBGA-479 とも呼ばれ、前身の BGA1 に代わるものです。

たとえば、「マイクロ FCBGA」(フリップ チップ ボール グリッド アレイ) は、フリップ チップバインディング テクノロジを使用するモバイル プロセッサ用のIntel の現在の^{[いつ? ] BGA マウント方法です。これは、} Coppermine Mobile Celeron で導入されました。^{[引用が必要]}マイクロ FCBGA には、直径 0.78 mm のボールが 479 個あります。プロセッサは、ボールをマザーボードにはんだ付けすることでマザーボードに固定されます。これは、ピン グリッド アレイ ソケット配置よりも薄いですが、取り外しはできません。

マイクロFCBGAパッケージ（478ピンのソケット可能なマイクロFCPGAパッケージとほぼ同じパッケージ）の479個のボールは、1.27mmピッチ（1インチあたり20個のボールのピッチ）の26x26の正方形グリッドの6つの外側リングとして配置され、内側の14x14領域は空です。^{[11] [12]}

BGAの主なエンドユーザーはOEM（相手先ブランド製造会社）です。また、ますます人気が高まっているメーカームーブメントなど、電子工作愛好家の間ではDIY（自分でやる）市場もあります。^{[13] OEMは通常、メーカーまたはメーカーの販売代理店から部品を調達しますが、愛好家は通常、電子部品ブローカーまたは}販売代理店を通じてアフターマーケットでBGAを入手します。

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ウィキブック「実用エレクトロニクス」には、ボールグリッドアレイの使用に関するページがあります。

• Amkor Technologyの PBGA パッケージ情報
• PBGA パッケージ情報 アーカイブ 2019-01-02ウェイバックマシンより J-Devices Corporation