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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永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よりも多くの相互接続ピンを提供できます。デバイスの底面全体を使用できるため、外周部のみを使用する従来の方式よりも優れています。また、パッケージのリード線と、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配線も、外周部のみを使用する方式よりも平均的に短いため、高速動作時の性能が向上します。
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行われます。
BGAはピングリッドアレイ（PGA）から派生したもので、PGAは片面がグリッドパターンでピンで覆われている（または部分的に覆われている）パッケージで、動作時には集積回路とそれが配置されるプリント回路基板（PCB）との間で電気信号を伝達します。BGAでは、ピンはパッケージの底面にある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。これらのはんだ球は手動または自動装置で配置でき、粘着性のある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で銅パッドのあるPCB上に配置されます。次に、アセンブリはリフローオーブン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正しい分離距離で位置合わせし、はんだが冷却されて固化してデバイスと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、はんだボールはプリント基板とパッケージの両方に使用されることがあります。また、積層型マルチチップモジュールでは、はんだボールは「パッケージ・オン・パッケージ」構成で2つのパッケージを接続するために使用されます。
BGAは、数百ピンもの集積回路を小型パッケージに収めるという課題を解決する技術です。ピングリッドアレイやデュアルインライン表面実装（SOIC）パッケージは、ピン数が増え、ピン間隔が狭くなるにつれて製造されるようになりましたが、これははんだ付け工程に困難をもたらしていました。パッケージのピン間隔が狭くなるにつれて、隣接するピン同士が誤ってはんだでブリッジしてしまう危険性が高まっていたのです。
BGAパッケージは、個別のリード線を持つパッケージ（つまり、脚部のあるパッケージ）に比べて、パッケージとPCB間の熱抵抗が低いという利点があります。これにより、パッケージ内部の集積回路で発生した熱がPCBへより容易に伝わり、チップの過熱を防ぐことができます。
電気導体が短いほど、不要なインダクタンスは低くなります。このインダクタンスは、高速電子回路において信号の不要な歪みを引き起こす特性です。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、ピン付きデバイスよりも優れた電気的性能を発揮します。
BGAの欠点は、はんだボールが長いリード線のように柔軟に曲がることができないため、機械的な柔軟性に欠けることです。すべての表面実装デバイスと同様に、 PCB基板とBGAの熱膨張係数の違いによる曲げ（熱応力）や、曲げや振動（機械的応力）によって、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、プリント基板（PCB）の機械的特性と熱的特性をパッケージの特性に合わせることで解決できます。一般的に、プラスチック製のBGAデバイスは、セラミック製のデバイスよりもPCBの熱特性によく適合します。
RoHS指令に準拠した鉛フリーはんだ合金アセンブリが主流になったことで、BGAには「枕に頭を入れる」現象[ 2 ]、「パッドクレーター」問題、高温、高熱衝撃、高重力環境などの過酷な動作条件下での鉛ベースのはんだBGAに対する信頼性の低下など、いくつかの新たな課題が生じています。これは、 RoHS指令に準拠したはんだの延性が低いことが一因です。 [ 3 ]
機械的応力の問題は、「アンダーフィル」と呼ばれるプロセス[ 4 ]によってデバイスを基板に接着することで克服できます。このプロセスでは、デバイスがPCBにはんだ付けされた後にエポキシ混合物をデバイスの下に注入し、BGAデバイスをPCBに効果的に接着します。アンダーフィル材料には、作業性や熱伝導性に関して異なる特性を持つ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、スズウィスカの成長を抑制できることです。
接続部の不具合に対するもう一つの解決策は、パッケージ内に「コンプライアント層」を設けることで、ボールがパッケージに対して物理的に動くことを可能にすることです。この技術は、DRAMをBGAパッケージにパッケージングする際の標準的な手法となっています。
パッケージの基板レベルの信頼性を向上させ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、およびデバイスの再パッケージ化などがある。[ 4 ]
パッケージが所定の位置に半田付けされると、半田付け不良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、工業用CTスキャン装置[ 5 ] 、特殊な顕微鏡、半田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の半田付け不良が見つかった場合、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取り外すことができます。BGAは新しいものと交換することも、再生（またはリボール）して回路基板に再取り付けすることもできます。1つまたは少数のリワークが必要な場合、アレイパターンに一致する事前構成された半田ボールを使用してBGAをリボールできます。大量かつ繰り返しラボ作業を行う場合は、ステンシル構成の真空ヘッドを使用して、ルーズスフィアをピックアップして配置することができます。
目視によるX線BGA検査はコストがかかるため、代わりに電気検査が頻繁に用いられる。中でも、IEEE 1149.1 JTAGポートを用いたバウンダリスキャン検査は非常に一般的である。
より安価で簡単な検査方法（ただし破壊検査）が、特別な装置を必要としないため、ますます普及しつつあります。一般的に「染色とこじ開け」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染色液に浸し、乾燥後、モジュールをこじ開けて、破損した接合部を検査します。はんだ付け箇所に染色液が付着している場合は、接続が不完全であったことを示しています。[ 6 ]
開発段階では、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、ソケットは信頼性に欠ける傾向があります。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は、ボールの下から押し上げるバネピンを備えていますが、バネ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、バネ式の挟み込み機構でボールを掴む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。
BGAパッケージを確実に半田付けするには高価な装置が必要であり、BGAパッケージの手作業による半田付けは非常に難しく信頼性が低く、最小のパッケージを少量しか処理できない。[ 7 ]しかし、ICがリードなし（例えばクワッドフラットノーリードパッケージ）またはBGAパッケージのみで入手可能になるにつれて、ヒートガン、家庭用トースターオーブン、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てきた。[ 8 ]
実質的に、チップダイをキャリアに実装するフリップチップ方式も、BGA設計の一種であり、ボールに相当する部分がバンプまたはマイクロバンプと呼ばれています。これは既に微細なレベル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配置され、最も内側の正方形は空になっています。
Intelは、 Pentium IIおよび初期のCeleronモバイルプロセッサにBGA1というパッケージを使用していました。BGA2は、 Pentium IIIおよび一部の後期Celeronモバイルプロセッサに使用されているIntelのパッケージです。BGA2はFCBGA-479とも呼ばれ、前身のBGA1に取って代わりました。
例えば、「マイクロFCBGA」（フリップチップボールグリッドアレイ）は、インテルが現在採用している、フリップチップバインディング技術を用いたモバイルプロセッサ向けのBGA実装方式です。これはCoppermine Mobile Celeronで初めて導入されました。マイクロFCBGAは、直径0.78mmのボールが479個あります。プロセッサは、これらの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方式よりも薄型ですが、取り外しはできません。
Micro-FCBGAパッケージ（478ピンのソケット可能なmicro-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インチピッチあたり20個のボール）の26x26の正方形グリッドの6つの外側のリングとして配置され 、内側の14x14領域は空いている。[ 11 ] [ 12 ]
BGAの主なエンドユーザーは、相手先ブランド製造業者（OEM）です。また、ますます人気が高まっているメーカー運動などの電子工作愛好家の間でも市場があります。[ 13 ] OEMは通常、部品をメーカーまたはメーカーの販売代理店から調達しますが、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。