ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージにおける表面実装技術（SMT）の適用

表面実装技術（SMT）は、電子製品の小型・軽量化を推進するうえで不可欠な役割を果たしている。高ピン電子パッケージの分野では、かつて、4辺の各側面から「ガルウィング」リードが伸びる表面実装型ICパッケージの一種であるQFP（Quad Flat Package）が主流であった。しかし、半導体集積技術および微細加工技術の急速な発展に伴い、電子製品の機能向上と筐体の継続的な小型化によって、ICのゲート数およびI/O端子数はますます増加している。そのため、QFPの適用では、もはや電子製品の発展要求を満たすことができなくなっている。QFP技術自体も継続的に進歩しており、ピッチ0.3mmまでの部品に対応可能ではあるものの、ピッチの縮小により実装の歩留まりはある程度低下してしまう。この問題を効果的に解決するために、BGA（Ball Grid Array）技術が登場し、業界から広く注目を集めている。

BGAとは何ですか？

比較的新しい表面実装デバイス（SMD）の一種として、BGA はパッケージ底面にボール状のリードがアレイ状に配置されていることを特徴としています。BGA コンポーネントは、大きなピンピッチと多数のピンを備えることができます。さらに、BGA コンポーネントは SMT を適用することで、PCB（プリント基板）上に実装することができます。

BGAの構造と特性

新しいタイプのSMDとして、BGAはPGA（ピン・グリッド・アレイ）から発展したもので、一般的にコアキャビティ、ベース、リード、カバーおよび球状ピンで構成される。BGAの特性には次のようなものがある。
・より多いピン数・同じパッケージサイズのSMDでは、BGAの方がより多くのピンを持つことができます。一般的に、BGA部品は400本以上のボール状ピンを備えています。例えば、32mm×32mmの面積を持つBGAは最大576本のピンを搭載できますが、同じ面積のQFPでは184本のピンしか搭載できません。
・より小さい組立エリアピン数を考慮すると、BGA はより小さな実装面積で済みます。例えば、304 ピンの QFP と 313 ピンの BGA を比較すると、後者のほうがピン数は多いにもかかわらず、必要とする面積は前者よりも 3 分の 1 小さくなります。
・下部組立高さ・BGA の実装高さは、パッケージ厚さとはんだボール高さの合計よりも低くなります。たとえば、208 ピンまたは 304 ピンの QFP の高さは 3.78mm ですが、225 ピンまたは 313 ピンの BGA の高さはわずか 2.13mm です。さらに、BGA のはんだボールは実装時にはんだ付けによって溶融するため、BGA の実装高さははんだ付け後にさらに低くなります。
・より大きなピンピッチJEDEC が発行した BGA の物理規格に基づくと、BGA におけるはんだボール間のピンピッチは 1.5mm、1.27mm、または 1.0mm でなければなりません。同じパッケージサイズおよびピン数の場合、QFP のピンピッチは 0.5mm であるのに対し、BGA のピンピッチは 1.5mm です。
・優れた放熱性能・BGAパッケージ回路の温度は周囲環境の温度により近く、チップの動作温度は他のいかなるSMDよりも低くなります。
・SMTとの互換性・BGAパッケージは標準的なSMTと互換性があります。さらに、BGA部品はピンピッチが大きく、平坦度にも優れているため、ピンが曲がる問題が発生せず、それに伴う実装技術もリード付きの他のSMD実装に比べて簡単です。
・より優れた電気的性能BGAコンポーネントはリードが短く、実装の信頼性も高いため、電気的性能に優れており、特に高周波数帯で使用される場合にその傾向が顕著です。
・製造コストの削減BGAパッケージは実装面積が小さく、実装密度が高いため、製造コストを削減することができます。特に、BGAパッケージの生産量が増加し、より広く利用されるようになるにつれて、製造コストの削減効果は一層明らかになります。
・より高い信頼性とより少ない品質欠陥BGAパッケージ上のはんだボールがはんだ付けを行う際、溶融したはんだボールは表面張力によって自動的に位置合わせされます。はんだボールとパッドの間に50％のずれが生じた場合でも、優れたはんだ付け効果を得ることができます。

BGAパッケージにはいくつかの明らかな利点があるにもかかわらず、SMT実装中には次のような欠点が顕在化することがあります。
・はんだ接合部の検査は困難である・はんだ接合部の検査にはX線検査装置が必要となり、コストが高くなります。
・BGAのリワークでは、さらに多くの困難を克服しなければならないBGAコンポーネントは、アレイ状に配置されたはんだボールを介して基板上に実装されるため、リワークはより困難になります。
・部分的なBGAパッケージは湿気に非常に敏感であるため、使用前に除湿が必要とされます。

QFP と BGA の比較

このパートでは、QFP と BGA について、接続密度、ピンピッチ、ピン数、および組立不良率の観点から、いくつかの表を用いて比較します。

表1　QFPとBGAの接続密度比較

表2　QFPとBGAのピンピッチおよびピン数の比較

表3　QFPとBGAの実装不良率比較

表4 QFPとBGAのリード構造比較 （注：√ - 優秀　Ο - 良好　Δ - 普通）

QFP と BGA の比較

と比較して従来型のSMT実装BGAは、大きなピンピッチと優れたピンの共面性により、より簡易な実装技術を実現します。BGAの実装要件については、このパートの以下で説明します。

・BGAの防湿原理

一部のBGA部品は、BGAコアチャンバー内部の接着剤に含まれるエポキシ樹脂が日常環境中の湿気を吸収しやすく、その後の加熱時にエポキシ樹脂内部で大きな応力を伴って水分が蒸発するため、湿度に対して非常に敏感です。水蒸気は底部ベースに気泡を発生させ、コアチャンバーとベースの間に亀裂を生じさせます。したがって、BGA部品を使用する前には乾燥処理を行う必要があります。技術の継続的な進歩と、乾燥処理に対する人々の関心の高まりにより、一部のBGAパッケージは所定の耐湿レベルに達しており、30°C・60%RHの環境下で48時間放置しても、はんだ付け時に亀裂が発生しないものもあります。CBGA（セラミックボールグリッドアレイ）など、一部のBGA部品はもはや湿度に敏感ではありません。その結果、BGAに対する乾燥処理は、その分類、環境温度および湿度に基づいて実施する必要があります。さらに、乾燥処理はパッケージの指示および保存期限に従って行わなければなりません。

・BGAはんだボールのコーティングおよび印刷

BGAのはんだボールは通常、高さが25mm*0.0254mm、直径が30mm*0.0254mmである。BGA部品の種類によって、合金組成は異なる。一般的に、TBGA、CBGAおよびCGAは高融点はんだに依存し、大部分のBGAは低融点はんだに依存している。高温はんだボールは、主にはんだボールの過度な崩れを防ぐために用いられる。BGAはんだボールのコーティングおよび印刷とは、フラックスまたははんだペーストをはんだボールに塗布し、その後それらをPCBに接着する工程を指し、パッド上の酸化物を除去し、はんだの溶融によってはんだボールとPCBの間に良好な接続を形成することを目的としている。

・BGA実装

より大きなピンピッチのおかげで、BGA部品はPCB基板上により容易に実装できます。現在では、一部の先進的な実装機でBGA部品の実装が可能になっています。さらに、BGA部品はセルフアライメント機能を有しており、50％のずれがあっても実装できるため、実装精度はそれほど厳密に規定する必要がありません。

・BGAのリフローはんだ付け

リフローはんだ付け炉では、BGA ははんだボールまたははんだペーストが溶融して接続が形成されることで加熱されます。優れた接続を得るためには、炉内の温度プロファイルを最適化する必要があり、その最適化方法は他の SMD と同等です。リフローはんだ付けの温度プロファイルを決定するためには、はんだボールの材料成分を把握しておくことが重要である点に留意する価値があります。

・BGA検査

BGA検査には、はんだ付け品質検査と機能検査が含まれます。前者は、はんだボールおよびPCBパッドのはんだ付け品質検査を指します。BGAの配置形態により目視検査が困難になるため、X線検査が必要となります。機能検査はオンライン装置上で実施する必要があり、他のパッケージ形態のSMDテストと同等のものです。

・BGAリワーク

BGA検査と同様に、BGAのリワークを行うことも同程度に困難であり、専門的なリワーク用工具および装置が必要となる。リワークの過程では、まず破損したBGAを除去し、その後、フラックスを塗布した状態でPCBパッドの修正を行う必要がある。新しいBGAには前処理が必要であり、その後、速やかにはんだ付けを実施しなければならない。

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