ボール グリッド アレイ (BGA) パッケージとは何ですか?

今日は、PCBレイアウトの面白さと少し高度な話題、BGAパッケージについて簡単にご紹介します。設計初心者の方にとって、BGAの概念は複雑すぎるように思えるかもしれませんが、高機能部品を1つのパッケージに実装するには不可欠です。

多くの高性能コンポーネントはBGAとして実装されるため、PCBレイアウトでそれらをどのように扱うかを知っておくことは不可欠です。それでは、詳しく見ていきましょう。

PCB ボード上の BGA とは何ですか?

BGAとはどういう意味でしょうか？ボールグリッドアレイ（BGA）は一般的に正方形ですが、長方形の場合もあります。様々なボールが規則的なパターンで配置されています。これらのボール、つまりはんだボールは、部品の底面にあります。組み立て工程では、BGAをフットプリント上に置き、加熱するとはんだが溶けて基板に接着されます。

あまり単純化しすぎないようにしてください。これがこれらの部品の基本的な考え方です。パターンからボールが抜け落ちている場合もあるので、覚えておいてください。BGAはPCBレイアウトに特定のフットプリントを必要とし、そこにどのように配線するかも決める必要があります。

これはパッドのサイズとボール間のピッチ（距離）によって異なります。粗ピッチBGAはピッチが広く、通常は1mmから5mm程度ですが、細ピッチBGAはピッチが0.5mm未満です。

BGA パッケージにはどのような種類がありますか?

ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージは、集積回路（IC）用の表面実装技術の一種です。従来のパッケージのように側面からピンが突き出ているのに対し、BGAでははんだボールが底面に直接取り付けられています。

これにより、フットプリントの縮小、ピン数の増加、そして電気性能の向上が可能になります。ただし、様々な要件に合わせて最適化されたBGAパッケージは複数存在します。

プラスチック ボール グリッド アレイ (PBGA):

基板: PBGA では、通常、ビスマレイミドトリアジン (BT) などの樹脂で構成される経済的なラミネート材料が使用されます。

アセンブリ：基板は、ダイ（またはBGAチップ）が表面を上にして取り付けられた部分です。ダイから基板に接続された配線によって電気的に接続されています。最後に、プラスチック金型でアセンブリ全体を成形し、保護します。

テープ ボール グリッド アレイ (TBGA):

基板：TBGAでは、硬質ラミネートの代わりに、薄く柔軟なテープを基板として使用します。このテープは、エッチングされた導電性金属層を有するポリイミドフィルムで構成されていることが多いです。

組み立て：PBGAの場合と同様に、このダイは表面を下にしてテープ基板に取り付けられます。接続には導電性バンプまたははんだが使用され、最後に露出した底面パッドにはんだボールが実装されます。

セラミック ボール グリッド アレイ (CBGA):

基板: CBGAは、プラスチックやテープよりも優れた熱伝導性を持つセラミック基板を採用しています。 – これらのセラミックは通常、酸化アルミニウム (Al2O3) のようなアルミナベースの物質です。

組立：ダイはセラミック基板上に表面を上にして配置されます。この工程には、PBGAと同様のコラプスBGAチップ接続（C4）が含まれます。この技術は、圧力誘起による導電性ピラーの形成を利用します。この技術は、ダイと基板パッドを相互接続するために採用されています。最後に、裏面の露出した金属パッドにはんだボールを取り付けます。

フリップチップ ボール グリッド アレイ (FCBGA):

基板：FCBGAはCBGAに似ています。しかし、大きな違いが1つあります。それは、ダイを裏返し、基板に直接実装する（フェイスダウン実装）ことです。この場合、ワイヤボンディングは使用されないため、電気経路が短縮され、信号品質が向上します。

組立：アンダーフィル材は、ダイを基板上に機械的に固定するとともに、湿気から保護するために使用されます。その後、はんだボールがダイの裏面の露出した金属パッドに取り付けられます。

マイクロボールグリッドアレイ（MBGA):

基板：MBGAは、TBGAと同様に、通常ポリイミドフィルムで作られた、大幅に小型化された小型基板を採用しています。パッケージサイズはダイと同じで、フットプリントは超小型です。

組立：ダイをテープ基板に下向きに接着するために、導電性バンプまたははんだが使用されます。そのため、組立て後のボールピッチ（はんだボール間隔）は狭くなり、精密な組立技術が必要となります。

利点: MBGA は可能な限り最小のパッケージ サイズであるため、携帯電話やウェアラブル ガジェットなどの非常に小型のデバイスに適用できます。

欠点: 小型化とボール間の狭いピッチにより、これらの BGA の取り扱いや組み立てが困難になります。

ファインピッチ ボール グリッド アレイ (FBGA)

FBGA の基板は、通常、ラミネートまたはセラミック基板である PBGA や CBGA と同じ材料で作られていますが、はんだボール ピッチに差別化要因があります。

アセンブリ：FBGAアセンブリは他のBGAタイプと同様ですが、ボール間の間隔（はんだボールピッチ）がはるかに狭いため、限られたスペースに多くのピンを配置できます。

利点：FBGAは、小型パッケージと多ピン化のバランスを取る設計者にとって最適な選択肢です。限られたスペース内で多数の接続を必要とするアプリケーションに最適です。

デメリット：このような微細ピッチを実現するには、部品の製造および組み立て工程を精密に行う必要があります。そのため、通常のBGAパッケージに比べてコストが高く、狭い間隔のため検査やリワークが困難になります。

熱強化ボールグリッドアレイ（TEBGA）：

基板：TEBGAに使用される材料は、ラミネートからセラミックス混合物まで多岐にわたります。注目すべき違いの一つは、追加の放熱構造が組み込まれていることです。

組み立て: 製造プロセスは TEBGA のタイプによって異なる場合がありますが、ほとんどの設計では、熱拡散を改善するために基板上に厚い銅層を使用したり、パッケージの上にヒートスプレッダ プレートを配置したりします。

BGAの利点と欠点

BGA パッケージの利点:

より小さなフットプリント: BGAパッケージは、従来のリード付きパッケージに比べて突出ピンが不要です。これにより、スマートフォンやノートパソコンなどの小型BGA電子機器において、よりコンパクトな設計が可能になります。

ピン数の増加: BGAのはんだボールはパッケージ底面全体に広がっているため、より多くの接続に対応できます。このようなBGAチップは、複数の入力と出力を持つため、多くの入出力接続が必要となるため、必須となります。

電気性能の向上: 電気経路長が短くなることで、信号品質が向上し、動作速度が向上します。これは、ダイ（BGAチップ）とPCB（プリント基板）間のはんだボールが直接接続されることによって実現されます。これは特に高周波アプリケーションで有効です。

強化された熱放散: BGAの種類によっては、熱性能が向上したものもあります。例えば、セラミックBGA（CBGA）や熱強化BGA（TEBGA）では、材料が使用されています。これにより、ダイからPCBへの熱伝達が向上し、過熱を防止できます。

低インダクタンス: BGAのはんだボールレイアウトは、リード付きパッケージよりも全体的なインダクタンスが低くなります。これにより高周波回路では信号歪みが低減され、システム性能が向上します。

BGA パッケージの欠点:

製造の複雑さ: 従来のリード付きパッケージとは異なり、BGAパッケージングプロセスは、特にファインピッチボールや複雑な熱管理機能が含まれる場合、より高度な制御が求められます。そのため、組立工程では高度な設備が必要となります。しかし、これは製造コストの増加にもつながります。

検査とやり直しの課題: BGAパッケージのはんだ接合部はパッケージの下にあるため、目視検査は複雑です。また、不良BGA部品のはんだ除去はリード線付き部品の交換よりも複雑であるため、手直しや修理が必要になります。

ストレスに対する感受性: 熱膨張と振動はBGAに機械的ストレスをもたらします。適切な設計と組み立てが行われていない場合、最終的にははんだ接合部で不具合が発生する可能性があります。  

再利用性が限られている: 一般的に、BGAは一度PCBにはんだ付けされると、簡単に取り外して再利用することはできません。これは、例えば試作工程などで部品の頻繁な交換が必要な場合に不利となります。

環境への懸念： 一部のBGAパッケージ、特に古いタイプのパッケージには、はんだボールに鉛が含まれています。一方、環境への配慮から鉛フリーはんだの開発が進められていますが、融点の上昇やはんだ接合部の脆化といった課題があり、これらの材料の機械的挙動に影響を与える可能性があります。

PCBasicのBGA品質検査

PCBasicは、BGA部品を含む包括的なPCBアセンブリサービスを提供しています。BGAのはんだ接合部が適切に形成されていることを確認するために、X線検査も品質管理の一環として使用されている可能性があります。

X線検査により、BGA接続部のボイド、クラック、はんだ不足などの欠陥が発見されます。これにより、電気接続不良や最終組立て時の動作不良につながる可能性のある問題を早期に回避できます。

ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージを使用するためのPCB設計のヒント

フットプリントデザイン:

精度：BGAパッケージのフットプリントをPCBレイアウト上に正しく配置してください。メーカーのデータシートに記載されている仕様に従う必要があります。これには、はんだボールピッチ（ボール間の距離）、パッド径、ステンシル開口部のサイズが含まれます。

ソルダーマスク：はんだボールパッドよりわずかに小さいソルダーマスク開口部を定義します。ソルダーマスクは、組み立て中にはんだが溢れるのを防ぎます。

ステンシル設計：PCBメーカーと連携し、適切なステンシルの厚さを決定します。その後、はんだペーストを正しく塗布するための開口部のサイズを決定します。

サーマルリリーフビア：BGAパッドの周囲にサーマルリリーフビアを設置することを検討してください。これにより、パッケージからの放熱性が向上します。

レイヤーのスタックアップ:

シグナルインテグリティ：高速信号に対応するために、十分な信号層と制御されたインピーダンスプロファイルを備えた適切な層構成を選択し、シグナルインテグリティを維持します。BGA配線においては、信号のクロストークや反射を回避するために、慎重な計画が求められることがよくあります。

電源プレーンとグランド プレーン: 特に高電力 BGA を扱う場合には、安定した電力供給とノイズ低減のために、個別の電源プレーンとグランド プレーンを提供します。

ビア管理：BGA直下の配線混雑を回避しながら信号経路長を最短化するために、ビアを戦略的に配置します。BGAから内層への効率的な配線には、ビアインパッド技術が効果的です。

ルーティング戦略:

ファンアウトパターン：狭ピッチBGAボールからPCB表面層のより広いトレースへ移行する場合は、制御されたファンアウトパターンを使用する必要があります。例としては、ドッグボーン型やティアドロップ型が一般的に使用されます。

エスケープルーティング：BGAパッケージの信号に対するエスケープルーティングパスを効率的に計画します。通常、重要な信号を優先し、機能とレイヤー割り当てに基づいてルーティングチャネルを割り当てます。

高速に関する考慮事項:高速信号の場合、ルーティングパス全体で一定のインピーダンスを維持し、急な曲がりや長さの不一致を最小限に抑えることで、ルーティングパス内にインピーダンスの不連続がないことを確認します。重要な差動ペアには差動ルーティング技術の使用を検討してください。

製造容易性を考慮した設計 (DFM):

コンポーネントの配置: X 線検査を妨げないようにし、BGA の周囲に十分な配線クリアランスを確保するために、コンポーネントをボード上に戦略的に配置する必要があります。

ステンシル設計: PCB 製造元がステンシル設計をチェックし、すべての BGA パッドのはんだペーストが適切に塗布されることを確認します。

組立：自動組立工程向けにPCBを設計する際には、BGAパッケージのサイズとピッチを考慮する必要があります。また、ピックアンドプレース装置と部品の適切な取り扱いのための十分なスペースも必要です。

テスト容易化設計 (DFT):

テスト ポイント: 組み立て後の電気テスト用に、BGA 信号専用のテスト ポイントを含める必要があります。

境界スキャン (JTAG): BGA で使用可能な場合は、境界スキャン (JTAG) 機能を使用して、回路内テストと障害検出を可能にします。

結論

BGAパッケージへの配線では、必要な信号層の数を計算し、それらをプレーン層とインターリーブしてインピーダンスを制御することが不可欠です。ピッチが狭くなるにつれて、パッドとビアのサイズを縮小する必要があり、最終的にはマイクロビアやビアインパッド技術が必要になります。パッドサイズやはんだマスク開口部に関する推奨事項については、必ずデータシートを参照し、製造業者にご相談ください。