PCB上のBGAとは？ボールグリッドアレイ技術の完全ガイド

エレクトロニクス業界における技術の進歩が続く中、パッケージングは​​効率性と信頼性を左右する重要な要素の一つであり続けています。ここ数年、大きな注目を集めている技術の一つが、ボール・グリッド・アレイ（BGA）です。この革新的なパッケージング技術は、プリント基板への部品接続方法を大きく変革し、高密度・高性能化を実現しました。このガイドでは、BGA技術の概要、メリットとデメリット、様々なタイプのBGAパッケージ、BGAのはんだ付け、そしてボール・グリッド・アレイの検査技術について解説します。それでは早速見ていきましょう。

PCB 上の BGA (ボール グリッド アレイ) とは何ですか?

ボールグリッドアレイは、実際には、製造に使用される表面実装パッケージの一種です。 集積回路パッケージの周囲から伸びるリード線を利用する他のパッケージとは異なり、BGAはパッケージの裏面に格子状のはんだボールを配置します。これらのはんだボールは、チップとプリント基板間の接点として使用されます。

よく使われる6つのBGAパッケージタイプ

市場には、様々な用途や​​要件に合わせて様々なタイプのBGAパッケージが存在します。ここでは、一般的に使用されている6種類のBGAパッケージについて説明します。

1. PBGA（プラスチック ボール グリッド アレイ）

PBGAは、基板にBT樹脂/ガラスラミネートを使用し、パッケージ材料にはプラスチックを使用しています。このタイプのBGAパッケージの特徴は、はんだボールを目的のパッケージに接続するために追加のはんだを必要としないことです。これは、多くの用途において手頃な価格のソリューションです。

2. セラミックBGA（CBGA）

CBGAは、多層セラミック基板をベース材料とする、従来型のボールグリッドアレイ（BGA）パッケージの一種です。金属蓋は、パッケージング用はんだを用いて基板にはんだ付けされ、チップ、リード、そしてはんだボールを保護します。はんだボールは共晶はんだ材で作られており、基板と部品間の信頼性の高い接続を実現します。

3. マイクロBGA（uBGA）

マイクロBGA（µBGA）は、極めて省スペースな先進的なボール・グリッド・アレイ（BGA）パッケージング技術です。チップサイズが大幅に小型化され、放熱性が向上し、データ密度が向上します。その名の通り、µBGAは主に小型電子機器に使用され、サイズ制限のある用途において、求められる性能向上を実現します。

4. テープBGA（TBGA）

テープ・ボール・グリッド・アレイ（TBGA）は、硬質ラミネートの代わりにフレキシブルテープを使用するBGAパッケージング技術の一種です。これにより、軽量・薄型パッケージでありながら、高密度配線と優れた熱・電気特性を実現できます。

5. フリップチップボールグリッドアレイ（FC-BGA）

FC-BGAでは、集積回路が反転して回路基板にはんだ付けされます。このタイプのBGAパッケージは、はんだボールが基板と接続されるため、熱特性と電気特性が向上します。 PCBパッド 直接。

6. パッケージオンパッケージ (PoP)

このタイプのBGAパッケージでは、多数の集積回路が積層されています。各ICには専用のボールグリッドアレイ（BGA）が設けられており、部品を垂直方向に集積することが可能です。モバイル機器など、実装スペースが限られた用途で広く使用されています。

BGA技術の利点と欠点

優位性

• 高密度: 従来のパッケージと比較して、BGA では小さなスペースでもより多くのコンポーネントを接続できるため、現代の電子機器にとって非常に重要です。
• 熱性能の向上：はんだボールが特定のパターンに配置され、均一に熱を共有することで、一部の領域での過熱のリスクを軽減します。
• インダクタンスの低減: BGA では、接続パスが短いほどインダクタンスを最小限に抑えることができ、信号の整合性が向上します。これは特に高周波で役立ちます。
• 信頼性の向上: リード付きパッケージと比較すると、BGA は熱サイクル プロセス中に耐える機械的ストレスが少ないため、信頼性が高くなります。

デメリット

• 検査の課題：BGAのはんだ接合部はパッケージの裏面にあるため、品質検査はより困難です。はんだ付けの問題によっては、肉眼だけでは確認が難しい場合があります。そのため、次のような特殊な技術を使用する必要があります。 X線検査.
• 修理の複雑さ：BGA技術の欠点の一つは、修理の複雑さです。時間とコストのかかるプロセスであり、BGAリワークステーションなどの専門ツールが必要となります。
• 非常に慎重な組み立て: BGA はんだ付けプロセス中、オペレーターはコンポーネントを正しく取り付けるために細心の注意を払う必要があります。少しでも間違いがあると、パフォーマンスに影響を及ぼし、接続不良につながる可能性があります。

ボールグリッドアレイを回路基板にはんだ付けする方法は?

高い信頼性を確保し、不良率を最小限に抑えるためには、BGAはんだ付け工程を厳密に管理することが不可欠です。以下に、BGAアセンブリにおける明確で重要なワークフローと技術的考慮事項を示します。

はんだ付け前の準備

この工程では、特に湿度に敏感なプラスチックボールグリッドアレイ（PBGA）の場合、水分管理に注意することが重要です。内部に水分が閉じ込められると、リフロー時の急激な加熱によって「ポップコーン効果」が発生し、チップが損傷したり、はんだが飛散したりする可能性があります。

湿気に敏感なPBGAを8時間以上開封したままにする場合は、ベーキング処理を行う必要があります。ベーキング条件は、120℃±5℃で24時間、または80℃±5℃で48時間です。

はんだペースト印刷

ボールグリッドアレイ（BGA）のはんだ付け品質は、はんだペースト印刷工程によって大きく左右されます。広範な統計データによると、様々なBGAはんだ付け工程の中で、はんだペースト印刷がはんだ付け不良の64%を占めています。部品自体が6%、部品配置とリフローはんだ付けがそれぞれ15%を占めています。

はんだペーストが多すぎると、はんだブリッジが発生します。逆に、はんだペーストが不足すると、コールドジョイントなどの欠陥が生じる可能性があります。

BGAピックアンドプレース

BGA接合部は配置後に目視検査ができないため、正確な位置合わせが不可欠です。一般的に、最新のピックアンドプレースマシンは、ビジョンシステムを使用して、はんだボールの中心をPCBパッドの中心に合わせます。配置されたBGAは、ブリッジングやはんだ不足の原因となるため、手動で移動または調整してはいけません。

リフローはんだ付け

BGAが基板上に完全に配置されたら、PCBはリフロー炉に送られます。制御された加熱下で、はんだペーストが溶融、冷却され、金属的な接合が形成されます。リフロープロファイルは、ボイド、濡れ性の不足、部品への過度の熱応力などの問題を回避するために、厳密に制御する必要があります。

はんだ付け後の検査

ボールグリッドアレイ（BGA）の接合部はパッケージの下に隠れているため、従来の目視検査だけでは不十分です。はんだ接合部の健全性を確認するには、通常、X線検査、目視検査、電気試験、またはその他の破壊検査方法が必要となります。これについては、次のセクションで詳しく説明します。

知っておくべきBGAの欠陥トップ8

ボールグリッドアレイの組み立て工程でよく発生するはんだ付け不良は以下のとおりです。

冷間はんだ接合部: それらは通常、光沢がなく粗く、表面が不均一に見える。また、顕微鏡で見ると、溶けきっていないはんだの粒子が観察できる。

はんだ ブリッジング: 隣接する2つ以上の半田ボールが意図せず電気的に接続されている。

濡れ不足： はんだペーストがパッドを適切に濡らさず、合金結合が形成されない。その結果、BGAはんだボールとパッドとの間に適切な電気的接続が確立されない。

はんだボールの欠落： リフロー後、1つまたは複数のハンダボールが完全に欠落している場合があり、断線の原因となる。

微小亀裂: これは、はんだ接合部の界面、またはBGAチップとはんだボールの間で発生する可能性があります。

ミスアライメント: はんだボールが基板パッドと正しく位置合わせされていないため、位置ずれが生じます。これにより、はんだ接合部の機械的強度が低下する可能性があります。

排尿： はんだボール内部に閉じ込められた気泡は、内部空隙の形成を引き起こす可能性がある。

枕に頭が沈み込む（HiP）欠陥: はんだボールとはんだペーストが完全に、あるいは部分的にしか融合していないため、枕状のはんだ接合部が生じている。この欠陥は検査が難しく、その後の使用中に接合部が破損しやすい。

ボールグリッドアレイ検査技術

一般的に、ボールグリッドアレイは数百個のはんだボールで構成されており、そのはんだ接合部には複数の種類のはんだ不良が同時に発生する可能性があります。以下では、非破壊検査と破壊検査に大別される5つの検査手法を紹介します。

非破壊検査

外観検査

通常、最初のステップとして、肉眼、拡大鏡、または顕微鏡を用いて、BGAのはんだ接合部の最外列を検査します。しかし、目視検査は手間のかかる作業であり、正確な定量的評価を行うことはできません。そのため、この方法は一般的に、高品質かつ高信頼性の製品や大規模な検査には適していません。

X線検査

ボールグリッドアレイ（BGA）の非破壊検査における「ゴールドスタンダード」はX線検査です。この方法は、密度差を利用してはんだボールの内部構造を可視化します。

2D X線検査では、デバイスの4面と中央5点に焦点を当てた5点検査法を採用する必要があります。同時に、他の領域も迅速に検査します。まず、BGAデバイスの全体像を検査し、ボールの欠落、ボールのずれ、はんだブリッジなどの欠陥がないかを確認します。次に、局所的な検査を行い、はんだボールのボイドやその他のはんだボールの異常がないかを確認します。

検査員は、2D X線検査の結果（はんだ接合部のサイズ、形状、グレースケール値など）に基づいて、3D断層撮影が必要かどうかを判断します。判断基準は以下のとおりです。BGAのはんだ接合部の形状が正常（円形）であり、サイズやグレースケール値に異常がないこと。3D断層撮影ははんだ接合部に関する追加情報を提供できますが、費用が高額になる場合があります。

電気試験

電気試験では、マルチメーターやフライングプローブテスターなどの専用機器を使用して、BGA部品内の抵抗値や導通などのパラメータを測定する必要があります。これにより、接続性能の問題点を発見し、はんだ接合部が正しく機能しているかどうかを確認できます。

破壊試験

染色とこじ開けテスト

これは、はんだ接合部の界面に関する包括的な情報を提供する、費用対効果の高い破壊検査法です。まず、浸透性の高い染料をBGAに塗布します。次に、はんだ接合部を引き離し、内部の亀裂の範囲と分布を観察します。染料で染まった部分は、既存の亀裂または分離を示しています。

金属組織断面分析

これは、ほとんどの欠陥を確実に確認できる最も精密な方法です。断面から得られる情報によって、欠陥が工程に起因するものか材料に起因するものかが分かります。そして、どの工程で修正が必要かを判断するのに役立ちます。しかし、金属組織検査にもいくつかの限界があります。検査プロセスは手間がかかり、比較的高価な装置が必要です。

MOKOテクノロジーのBGA機能

MOKO Technologyは、高度なBGA組立・検査技術を誇りとしています。最先端の設備と最新技術を駆使し、組立工程のあらゆる段階で精度と品質を保証し、ほぼあらゆるBGAパッケージに対応可能です。BGAサービスには、カスタムBGA組立、高度な検査技術、エンジニアリングサポート、ラピッドプロトタイピングなどが含まれます。ワンストップBGA PCB組立サービスをご希望の場合は、お気軽にお問い合わせください。

BGAパッケージに関するよくある質問

1. BGAと LGA パッケージですか?

接続方法、ピン密度、熱性能など、さまざまな点で違いがあります。

BGAの特性：

はんだボールを使用してPCBに直接接続します

高密度ピンに対応

検査と再加工は比較的困難です

プリント基板による優れた放熱性

LGAの特性：

平らなパッドを使用して接触またはソケットします

交換やアップグレードが容易になる

検査と再加工を簡素化します

優れた機械的信頼性、特にソケット設計

2. BGA、QFP、QFNのどのICパッケージタイプが、PCBレイアウトにおいて最も大きな課題となるのか、またその理由は何か？

BGAは最も難易度が高く、次いでQFN、QFPの順となります。ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージは、設計と製造において大きな課題を抱えています。次にQFNが続きますが、QFPに比べてサイズが小さいため、配線がより困難になります。

3. BGAアセンブリにおけるリボールとは何ですか？

これは、BGAから古くなった、損傷した、または欠陥のあるはんだボールを取り除き、新しいものと交換することを意味します。このプロセスには通常、ステンシル、はんだボール、リフロー炉またはホットエアガンなどの特殊な機器と材料が必要です。

4. BGA基板レイアウトにおけるドッグボーン型ファンアウトとビアインパッドの技術とは何ですか？

ドッグボーン型ファンアウト方式は、一般的でコスト効率の良い配線方法です。これは、BGAパッドから近くのビアまで短い配線を延長し、ドッグボーン型の形状を形成する配線方法です。ビアインパッドは、ビアをBGAはんだパッド上に直接配置する高度な技術です。