ボールグリッドアレイ
はんだボールのアレイを使用する表面実装パッケージ
集積回路チップを取り除いた後のプリント回路基板上のはんだボールのグリッドアレイ。
BGA実装回路の断面

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も、周囲のみのタイプよりも平均して短く、高速動作時のパフォーマンスが向上します。[要出典]

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。

説明

メモリモジュールに組み立てられたBGA IC

BGAはピングリッドアレイ（PGA）から派生したもので、片面がグリッドパターンのピンで覆われた（または部分的に覆われた）パッケージです。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）の間で電気信号を伝導します。BGAでは、ピンはパッケージ底面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作業または自動装置で配置でき、粘着性のあるフラックスで固定されます。[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、溶融したはんだはパッケージを回路基板と適切な距離で位置合わせし、はんだが冷却されて固化することで、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、積層型マルチチップモジュールでは、はんだボールを使用して2つのパッケージを「パッケージオンパッケージ」構成で接続します。

利点

高密度

BGAは、数百ピンの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処します。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、より多くのピンとピン間の間隔が狭まるように製造されていましたが、これははんだ付け工程に困難をもたらしていました。パッケージのピンが近づくにつれて、隣接するピンをはんだで誤ってブリッジしてしまう危険性が高まりました。

熱伝導

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）と比較したBGAパッケージのさらなる利点は、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で発生した熱がPCBに流れやすくなり、チップの過熱を防ぎます。

低インダクタンスリード

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。これは、高速電子回路で信号の不要な歪みを引き起こす特性です。パッケージとPCB間の距離が非常に短いBGAは、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性能を備えています。

デメリット

BGAのX線写真

コンプライアンスの欠如

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、機械的に柔軟性がないことです。すべての表面実装デバイスと同様に、PCB基板とBGAの熱膨張係数の差による曲がり（熱応力）、または曲げと振動（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の機械的および熱的特性をパッケージの特性と一致させることで克服できます。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の熱特性に近いです。

RoHS準拠の鉛フリーはんだ合金アセンブリの主流は、BGAにさらなる課題をもたらしています。これには、「ヘッド・イン・ピロー」[2]はんだ付け現象、「パッドクレーター」の問題、高温、高熱衝撃、高重力環境などの極端な動作条件における鉛ベースのはんだBGAと比較して信頼性が低下することなどがあり、これはRoHS準拠はんだの延性が低いことに一部起因しています。[3]

機械的応力の問題は、「アンダーフィル」と呼ばれるプロセス[4]でデバイスを基板に接合することで克服できます。このプロセスでは、デバイスをPCBにはんだ付けした後、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。作業性と熱伝達に関する特性が異なるいくつかの種類のアンダーフィル材が使用されています。アンダーフィルのもう1つの利点は、錫ウィスカの成長を抑制することです。

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「コンプライアント層」を配置することです。これにより、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なります。この技術は、DRAMをBGAパッケージにパッケージ化する際の標準となっています。

パッケージの基板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ー、デバイスの再パッケージ化などがあります。[4]

検査の難しさ

パッケージがはんだ付けされると、はんだ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、産業用CTスキャン装置、[5]、はんだ付けされたパッケージの裏側を見るための内視鏡などが開発されました。BGAのはんだ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か、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ができます。1つまたは少数のリワークが必要な場合は、アレイパターンに一致する事前構成された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。大量かつ繰り返しの実験室作業の場合は、ステンシル構成の真空ヘッドによるばらばらの球のピックアップと配置を使用できます

X線BGA目視検査はコストがかかるため、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 を使用したバウンダリスキャンテストが非常に一般的です。

破壊的ではありますが、より安価で簡単な検査方法は、特別な機器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破損し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]

回路開発中の困難

開発段階ではBGAをはんだ付けするのは現実的ではなく、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。ソケットには一般的な2つのタイプがあります。信頼性の高いタイプは、ボールの下を押し上げるスプリングピンを備えていますが、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は使用できません。

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はうまく機能しません。[要出典]

機器のコスト

BGAパッケージを確実にはんだ付けするには高価な機器が必要です。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少量しか使用できません。[7]しかし、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パッケージでのみ入手可能なICが増えるにつれて、ヒートガンや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ました。[8]

バリエーション

フリップチップBGA2パッケージ（FCBGA-479）のIntel Mobile Celeron 。ダイは濃い青色で表示されています。ここでは、ダイはフリップチップとアンダーフィルを使用して、その下のプリント回路基板（濃い黄色、インターポーザーとも呼ばれます）に実装されています。
ワイヤボンドBGAパッケージの内部。このパッケージにはNvidia GeForce 256 GPUが搭載されています。
  • CABGA：チップアレイ、ボールグリッドアレイ
  • CBGAとPBGAは、アレイが取り付けられているセラミックまたはプラスチックの基板材料を表します。
  • CTBGA: thin chip array ball grid array
  • CVBGA: very thin chip array ball grid array
  • DSBGA: die-size ball grid array
  • FBGA: fine ball grid array based on ball grid array technology. It has thinner contacts and is mainly used in system-on-a-chip designs;
    also known as fine pitch ball grid array (JEDEC-Standard[9]) or
    fine line BGA by Altera. Not to be confused with fortified BGA.[10]
  • FCmBGA: flip chip molded ball grid array
  • LBGA: low-profile ball grid array
  • LFBGA: low-profile fine-pitch ball grid array
  • MBGA: micro ball grid array
  • MCM-PBGA: multi-chip module plastic ball grid array
  • nFBGA: New Fine Ball Grid Array
  • PBGA: plastic ball grid array
  • SuperBGA (SBGA)：スーパーボールグリッドアレイ
  • TABGA：テープアレイBGA
  • TBGA：薄型BGA
  • TEPBGA：熱強化プラスチックボールグリッドアレイ
  • TFBGAまたは薄型・微細ボールグリッドアレイ
  • UFBGA、UBGA 、および超微細ボールグリッドアレイは、ピッチボールグリッドアレイに基づいています。
  • VFBGA：極細ピッチボールグリッドアレイ
  • WFBGA：極薄プロファイル微細ピッチボールグリッドアレイ

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、実質的にはBGA設計の派生であり、ボールの機能に相当するものはバンプまたはマイクロバンプと呼ばれます。これは、すでに微細なサイズ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あり、最も内側の四角形は空になっています

インテルは、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用のインテルのパッケージです。BGA2はFCBGA-479とも呼ばれ、前身のBGA1に取って代わりました。

たとえば、「micro-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技術を使用するモバイルプロセッサ向けのインテルの現在の[いつ？ ] BGA実装方法です。これはCoppermine Mobile Celeronで導入されました。 [要出典] Micro-FCBGAには、直径0.78mm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ピンのソケット型マイクロ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26×26の正方格子の6つの外側リングとして配置され、内側の14×14の領域は空です。[11] [12]

調達

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[13]のように、電子愛好家によるDIY（Do It Yourself）市場もあります。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。

参照

参考文献

  1. ^ 「はんだ付け101 - 基本概要」。2012年3月3日にオリジナルからアーカイブ。2010年12月29日閲覧。
  2. ^ Alpha (2010年3月15日) [2009年9月]。「枕元不良の低減 - 枕元不良：原因と潜在的な解決策」。3。2013年12月3日にオリジナルからアーカイブ。2018年6月18日閲覧
  3. ^ 「TEERM - TEERMアクティブプロジェクト - NASA-DOD鉛フリー電子機器（プロジェクト2）」。Teerm.nasa.gov。2014年10月8日にオリジナルからアーカイブ。 2014年3月21日閲覧。
  4. ^ ab ソリッドステートテクノロジー：BGAアンダーフィル - 基板レベルのはんだ接合部の信頼性向上、2001年12月1日
  5. ^ 「CTサービス - 概要」。Jesse Garant & Associates。2010年8月17日。「産業用コンピュータ断層撮影スキャンサービス - JG&A」。2010年9月23日にオリジナルからアーカイブ。2010年11月24日閲覧
  6. ^ 「BGAはんだ接合部の染色と剥離」（PDF） . cascade-eng.com. 2013年11月22日. オリジナル（PDF）から2011年10月16日にアーカイブ。 2014年3月22日閲覧。
  7. ^ Das, Santosh (2019年8月22日). 「BGAのはんだ付けと修理 / ボール・グリッド・アレイのはんだ付け方法」. Electronics and You . 2021年9月7日閲覧。
  8. ^ Sparkfunチュートリアル：リフロースキレット、2006年7月
  9. ^ 設計要件 - ファインピッチ・ボール・グリッド・アレイ・パッケージ（FBGA）DR-4.27D、jedec.org、2017年3月
  10. ^ Ryan J. Leng. 「PCメモリの秘密：パート2」. 2007年
  11. ^ インテル。「モバイル インテル Celeron プロセッサー（0.13μ）マイクロFCBGAおよびマイクロFCPGAパッケージ」。データシート、Wayback Machineに2014年3月18日にアーカイブ。2002年。
  12. ^ 「FCBGA-479（マイクロFCBGA）」。2021年2月28日にオリジナルからアーカイブ。 2011年12月20日閲覧。
  13. ^ 「単なるデジタルキルティング以上のもの：「メーカー」ムーブメントは科学の教え方を変え、イノベーションを促進する可能性がある。新たな産業革命の先駆けとなる可能性もある」。エコノミスト。2011年12月3日。
ウィキブック「実用電子工学」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。
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