BGA 基板の総合ガイド

             

BGA (ボール グリッド アレイ) 基板は、集積回路 (IC)、ASIC、GPU、およびその他の複雑なコンポーネントのパッケージング技術として非常に普及しています。 BGA は、小さな設置面積で高密度の接点に対応できるため、さまざまな電子機器の小型化と性能の向上が可能になります。ただし、BGA 基板を使用した設計と製造には、深い専門知識が必要です。この包括的なガイドには、落とし穴を回避しながら BGA の利点を活用するために必要なすべてが記載されています。

BGA基板とは何ですか?

BGA 基板は BGA パッケージングの基盤として機能し、電気的相互接続だけでなく機械的サポートも提供します。基板は、取り付けられたシリコン ダイと BGA パッケージが実装されているプリント基板 (PCB) の間で信号と電力を配線する導電性トレースをその上または中に備えた絶縁材料で構成されています。

すべての BGA パッケージの際立った特徴は、パッケージの底部に格子状に配列された小さなはんだボールです。これらのはんだボールは、組み立て中に BGA コンポーネントが基板にはんだ付けされるときに、基板トレースを PCB 表面の対応するランディング パッドに接続します。このボール グリッドでは、ボールを狭い間隔で配置できるため、高密度の相互接続が可能になります。

BGA 基板は、電気的、熱的、機械的要件を満たしながら、シリコン ダイと回路基板に適合するように特別に設計する必要があります。 BGA 基板の製造には、積層板、セラミック、シリコン、ガラス、その他の材料が使用されます。基板の設計は、必要な接点の数、信号速度、電力供給のニーズ、期待される信頼性、コストなどの要因によって異なります。

BGA基板が小型化を可能にする理由

BGA の主な利点は、古い IC パッケージング手法と比較して、より多くの相互接続をより小さなスペースに適合できることにあります。例えば：

• クアッド フラット パック (QFP) などのペリフェラル リード パッケージには、エッジの周囲にのみリードがあり、接触密度が制限されます。
• ピン グリッド アレイ (PGA) では、パッケージの底部から伸びるピンのアレイが使用されますが、最小ピン間隔ははんだボールよりも大きくなります。
• リードレス チップ キャリアにはエッジまたは底面にコンタクトがありますが、BGA の密度に匹敵することはできません。

対照的に、BGA は 0.5 mm ピッチ、さらには 0.4 mm 以下のボールで非常に高い密度を実現できます。これにより、より小さなパッケージでより多くの機能が可能になります。はんだボールの理想的な球形により、ピンとの間隔を狭くすることもできます。

コンタクト数が増えると、5G、AI、ADAS、IoT などのアプリケーションを対象とした BGA パッケージ内に、複数のプロセッサ、メモリ、センサー、ワイヤレス、電源管理、専用アクセラレータなどの追加機能を統合できます。小型化は、よりコンパクトな電子機器を求める消費者の好みにも適合します。

BGA基板に使用される材料

初期の BGA パッケージではセラミック基板が使用されていましたが、現在では、熱衝撃耐性、反りの軽減、および柔軟性の利点に加え、コストの低さにより、新しい有機基板が主流となっています。一般的な材料には次のものがあります。

BT基板 – ビスマレイミド トリアジン。熱硬化性樹脂で、通常はガラス繊維と銅箔で強化されています。パフォーマンスと製造容易性のコスト効率の高いバランスを提供します。民生用、電気通信、産業用、自動車用アプリケーションで広く使用されています。鉛フリーはんだプロセスに耐えます。

ポリイミド基板 – 優れた熱安定性を提供しますが、BT よりもコストが高くなります。非常に薄い基板が必要な場合に使用されます。モバイルおよび高信頼性アプリケーションで一般的。

CE基板 – ガラス繊維で強化された複合エポキシ樹脂。吸湿性が低い。高湿度の環境でよく使用されます。

フレキシブル基板 – ポリイミドフィルムは、耐衝撃性/耐振動性を向上させるために、非常に薄くて柔軟な基板を製造できます。薄型・コンパクト設計が可能です。

酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムのセラミック基板は、その優れた熱伝導率がコストプレミアムに見合う航空宇宙などの一部の非常に高性能な用途において依然として優れています。シリコンまたはガラスのインターポーザーも、非常に高密度の 2.5D/3D パッケージ向けに登場しています。

自動化された BGA 基板設計が不可欠な理由

数百または数千のダイコンタクトからの複雑なエスケープパターンとトレースの配線の複雑さにより、自動化されたコンピュータ支援設計が必要となります。手動による BGA 基板レイアウトは実現できません。

重大な課題には次のようなものがあります。

シグナルインテグリティ – ノイズ低減のための適切なリファレンス・プレーンとともに、すべてのネットで制御された一貫したインピーダンスを実現するためのトレース・ジオメトリのマッチングが必須です。これには自動最適化が必要です。

パワーインテグリティ – 過度のノイズを発生させずにシリコンダイに効率的に電力を分配するための、電源プレーンとグランドプレーンの慎重な協調設計。デカップリング コンデンサも適切に配置する必要があります。

密度 – BGA パッド アレイからのエスケープ配線には、ビアとトレースの千鳥パターンと、混雑と長さを回避するために最適化された層の割り当てが必要です。

サーマル – 基板は、ダイから PCB および周囲への十分な熱伝導を可能にする必要があります。サーマルビアが役に立ちます。

信頼性の向上 – トレースの幅/間隔、ビア構造、パッドの形状、および材料に関する設計ルールは、コストと温度サイクルや振動などの下での長期堅牢性のバランスをとる必要があります。

複雑な配線アルゴリズム、制約マネージャー、デザインルールチェック、およびシミュレーションを組み合わせた高度な EDA ツールのみが、技術的課題と製造性要件を満たす最適な基板設計を実現できます。

BGA 基板設計の重要な考慮事項

BGA 基板を開発する際に設計者が考慮する必要がある最も重要な要素のいくつかを次に示します。

• シグナルインテグリティ – 制御されたインピーダンス・トレース、適切な基準と絶縁、ノイズ軽減、およびクロストークの回避は、特に高速でのクリーンな信号にとって重要です。これは、直角配線、基準面、誘電体の選択、トレース形状、シミュレーション、および長さのマッチングによって可能になります。
• パワーインテグリティ – 安定した低ノイズ電力をシリコン ダイに供給するには、慎重な電源プレーン設計、デカップリング コンデンサ、および電源バンプ アレイの最適化が必要です。電圧降下解析を実行する必要があります。
• 熱管理 – 基板設計は、PCB を介したダイの効率的な伝導および対流冷却を可能にする必要があります。ダイの下のサーマルビアは不可欠です。高導電性材料が役立ちます。
• 信頼性の向上 – 基板とトレースの材料、設計ルール、モデリング、検査テスト、およびシミュレーションは、製品寿命全体にわたる温度サイクル、振動、衝撃、湿度、および疲労応力下での堅牢性を確保するのに役立ちます。
• 逃げる – 高密度ボールアレイから周囲へのエスケープ配線パターンには、配線密度、長さの一致、および簡素化のために最適化されたビア/トレースの千鳥状の列が必要です。 HDI は多くの場合必要になります。
• 製造可能性 – 設計プロセス全体にわたる DFM の実践により、基板を最適なコストで確実に製造、組み立て、検査、テストできるようになります。
• 密度 – 高密度の BGA パッケージには、相互接続数に対応するために、より薄い誘電体、より細いラインとスペース、より小さなビア、より多くの層、および高度な材料が必要です。

BGA パッケージのボールピッチ

ボール ピッチは、グリッド アレイ内の隣接するはんだボールの中心間の距離です。ピッチは着実に減少し、より高密度の BGA パッケージが可能になりました。現在のボールのピッチには次のようなものがあります。

• 0.8mm – 多くのコスト重視の中密度 BGA パッケージで広く使用されているピッチ
• 0.65mm – 最大約 35x35mm サイズの複雑な IC に一般的な高密度ピッチ
• 0.5mm – 高度な PCB 製造で実現可能な超微細ピッチと考えられています
• 0.4mm – 製造能力の限界を押し上げる極めて狭いピッチ

ボールピッチが小さくなる傾向により、所定の相互接続数に対してパッケージサイズを小さくしたり、パッケージサイズを大きくして密度を高めたりすることが可能になります。しかし、収縮は、組み立てプロセスの制御、はんだ接合の信頼性、再加工の困難さ、PCB の反りに対する感度に課題をもたらします。非常に細かいピッチには厳しい公差が必要です。

BGA基板の主な特徴

                         

古いパッケージ スタイルと比較した場合の BGA 基板の利点を説明する、BGA 基板の際立った機能には次のようなものがあります。

• 高い相互接続密度 – 小さな設置面積に数百から数千のコンタクトを集中させる機能により、より多くの機能と I/O をコンパクトなフォームファクターに統合できます。
• 低インダクタンス – シリコンダイと PCB 間のリード長を最小限に抑えることで、特に高周波信号に対して優れた電気的性能を実現します。
• 短い直接接続 – 直接垂直接続により、壊れやすいワイヤボンドや破損する可能性のあるリードが不要になります。信頼性が高くなります。
• プロセスの互換性 – BGA パッケージは、PCB アセンブリ段階で他の SMT コンポーネントと同様に表面実装できるため、コストが削減されます。
• 熱伝導 – ダイへの直接接触と短い接続により、PCB および周囲環境への熱の拡散が促進され、ホットスポットが軽減されます。
• セルフアライメント – 液体はんだの表面張力により、リフロー組み立て中にボールと対応するパッドの位置が調整されます。配置精度に対する感度が低くなります。
• テスタビリティ – BGA パッケージにより、基板実装前にカプセル化されたダイの完全な事前組み立てテストが可能になります。

BGA 基板配線の課題

BGA 基板の層内または層上で配線を配線すると、次のような複雑な設計上の課題が生じます。

シグナルインテグリティ – トレースのインピーダンス、クロストーク、および信号品質を制御するには、ジオメトリのマッチング、適切なリファレンス、スタブ制御、位相マッチング、およびシミュレーションが必要です。

パワーインテグリティ – クリーンな電力供給は、低インダクタンスのパス、適切なデカップリング、適切なプレーン絶縁、熱管理、および分析に依存します。

ルーティング密度 – 千鳥配置のエスケープ パターンでは、密集マトリックス アレイから出るビア/トレースの密集した行の間に配線チャネルを許可する必要があります。

製造業 – トレースの幅、間隔、形状、ビア、および材料に関する設計ルールは、コストと信頼性を最適化しながら、製造能力と一致する必要があります。

熱管理 – 高密度ダイの下のホットスポットを避けるために、基板は熱を PCB と周囲の環境に効果的に拡散する必要があります。

信頼性の向上 – 材料、設計ルール、製造管理、モデリング、およびテストは、基板が製品寿命全体にわたってストレスに耐えることを保証するのに役立ちます。

不必要なコストを追加する過剰な設計を回避しながら、これらの相互依存する課題に対処するには、高度な EDA ツールと経験豊富なエンジニアが不可欠です。基板の開発は高度にインタラクティブであり、継続的な最適化が行われます。

BGA基板材料の概要

前に紹介したように、BGA 基板の製造に使用される最も一般的な材料には次のものがあります。

有機基質

• BT (ビスマレイミド トリアジン) – コストとパフォーマンスのバランスにより広く使用されています
• ポリイミド – 熱安定性に優れていますが、コストが高くなります
• FR-4 – 従来のガラス強化エポキシ PCB 材料、性能/コストが低い
• CE (複合エポキシ) – 高湿度環境で使用
• フレキシブル基板 – ポリイミドまたは LCP フィルムにより、薄くてフレキシブルな基板が可能になります

セラミック基板

• 酸化アルミニウム (アルミナ) – 最も一般的で比較的低コストのセラミック
• 窒化アルミニウム – 非常に要求の厳しい用途向けの高い熱伝導率
• ベリリア – 毒性により酸化ベリリウムセラミックの使用が制限される

その他の先端基板

• シリコン インターポーザー – TSV による 2.5D/3D チップ スタッキングを可能にする
• ガラスインターポーザー – 高密度相互接続に適した絶縁特性

最適な材料は、周波数、電力レベル、信頼性のニーズ、誘電特性、製造コスト、製品ライフサイクルなどのアプリケーション要件によって異なります。

BGA 組み立てプロセスに関する懸念事項

BGA パッケージを PCB に SMT アセンブリする際に信頼性の高いはんだ接合を実現するには、特定のプロセス上の注意事項が推奨されます。

• 敏感なコンポーネントを過熱することなく、適切な熱を加えてすべてのはんだボールを確実にリフローします。
• BGA フットプリント全体にわたって均一な加熱を確保し、パッケージを歪ませる可能性のあるリフロー時のオフセットを回避します。
• 残留物の閉じ込めを避けるために、鉛フリー BGA アセンブリ用に設計された洗浄不要のはんだペーストを使用してください。
• ランプ、ソーキング、冷却などの熱プロファイルを正確に制御
• 適切なペーストの付着、コンポーネントのセンタリング、およびプロファイリングによりツームストーンを排除します。
• ボールの体積、開口部の設計、配置力に合わせて適切なペースト量を適用することでボイドを防止します。
• 濡れ不良、枕の頭の欠陥、不均一性、その他の欠陥の兆候がないか徹底的に検査します。
• 実験計画法 (DOE) やサンプル接合部のせん断力解析などのテストを通じてプロセスを検証します。

ファインピッチ BGA では、高い歩留まりと信頼性を達成するために、組み立てにはより厳しい公差、高度な検査技術、非常に一貫したプロセス制御が要求されます。

BGA のはんだ接合部の検査

目に見える鉛ベースの接合とは異なり、BGA の下のはんだ接続は目視で検査できません。代わりに、BGA アセンブリ後の内部はんだ接合の品質を検査するには、X 線イメージングが最適なソリューションです。

自動 X 線検査 (AXI) システムは、以下を明らかにする高解像度画像を生成します。

• はんだボールの位置合わせ、スタンドオフの高さ、および圧縮
• ボイド、クラック、濡れ不足、その他の欠陥の存在
• はんだボールの理想形状からの変形
• 接合部間の不均一性
• 異物、汚染物質、または残留物

AXI は、製品の出荷前にアセンブリの欠陥や潜在的な長期信頼性リスクを特定するための完全な検査範囲を提供します。 3D 機能により、関節構造に関するさらなる洞察が得られます。欠陥が検出された場合は、プロセスを調整して根本原因を取り除くことができます。

BGA のリワークと修理

組み立て後の検査やその後のテストで、はんだ接合、コンポーネントの配置、または BGA 実装に関連する基板レベルの相互接続に欠陥が見つかった場合は、再作業が必要になります。いくつかのベスト プラクティスは次のとおりです。

• 予熱器、熱電対、真空ピックアップ、光学式アライメントを備えた特殊な BGA リワーク システムを使用する
• 近くの材料を過熱することなく、欠陥のあるコンポーネントのみに集中的に熱を選択的に適用します。
• 再リフロープロセス全体を通じて、温度上昇、浸漬、および冷却速度を慎重に制御します
• BGA リワーク用に設計されたはんだペーストまたはフラックスを使用して、基板パッドを確実に濡らし、ブリッジを回避します。
• 過剰なはんだを避けるために、パッド/ボールの体積に合わせたはんだペーストの最小量を使用してください。
• 再リフローする前に、位置が適切であるかどうかを目視で検査します。その後 AXI を使用してジョイントの完全性を確認します
• 再加工後は、低残留物用に配合された洗浄剤を使用して残留フラックスをすべて除去してください。

ファインピッチ BGA では、リワークを成功させるためには専用のツール、材料、プロセスが不可欠です。予防は、堅牢なプロセス設計と制御を通じて行うことが望ましいです。

BGAの利点

BGA パッケージがエレクトロニクス全体に普及した主な利点の一部を以下に示します。

高密度 – より多くの I/O 接続を小さな設置面積に集中できるため、追加の機能を統合できます。

高速シグナルインテグリティ – ダイと基板間の配線が短いため、特に高速デジタル信号に対して電気的性能が向上します。

信頼性の向上 – 直接垂直相互接続により、壊れやすいワイヤボンドや、熱または機械的ストレスによって破損しやすいリードが回避されます。

熱性能 – ダイへの直接接触と短い接続により、高密度で熱いシリコンから PCB および周囲の空気への熱伝導が促進されます。

設計の柔軟性 – 技術的およびコストの要件を満たすために、さまざまな誘電特性を持つ幅広い基板材料を選択できます。

テスタビリティ – 良品のダイは、ボードの組み立て前に BGA パッケージにカプセル化されて完全にテストされ、歩留まりが向上します。

プロセスの互換性 – BGAパッケージは他のSMT部品と同様に表面実装が可能で、大量生産のメリットを活かすことができる。 PCBアセンブリ.

BGA パッケージの制限事項

BGA には大きな利点があるにもかかわらず、いくつかの制限とトレードオフもあります。

検査可能性 – 内部のはんだ接合部を目視検査できないため、アセンブリの完全性を確認するには X 線検査が必要になります。

やり直しの難易度 – ボードや隣接するコンポーネントを損傷することなく BGA を取り外したり交換したりするには、高度なツールとスキルが必要です。

基板の反り感度 – 熱応力により、大型 BGA の下では、はんだボールが簡単に歪むため、接続が切断されるほど基板が歪む可能性があります。

費用 – 高密度の相互接続製造と最先端の基板材料により、コンタクト数が少ない古いパッケージ スタイルよりもコストが上昇します。

信号ルーティングの混雑 – I/O 数が非常に多い BGA には、複数の高密度配線層と複雑なエスケープ パターンが必要であり、PCB 製造費用が増加します。

第 2 レベルの相互接続 – ボード実装前にダイを BGA 基板に取り付けるには、別個の組み立てステージが必要です。

熱応力 – 温度サイクル障害を回避するには、シリコン、基板、基板、およびはんだ間の CTE の不一致を考慮する必要があります。

BGA 基板と LGA の比較

ランド グリッド アレイ (LGA) パッケージは、いくつかの明確なトレードオフを伴う BGA の代替手段を提供します。

取り外し可能 – LGA ははんだボールではなくランド パッドを使用するため、PCB 上のソケット コネクタへの挿入/取り外しが可能になります。 BGA は永久的にはんだ付けされます。

信頼性の向上 – LGA ははんだ疲労故障モードを回避しますが、多くのソケット相互接続は熱サイクル下ではんだ接合部よりも信頼性が低くなります。

リワーク – 欠陥のある LGA は、はんだ除去や基板の加熱を行わずに取り外して交換できます。 BGA は再リフローが必要です。

コンタクトワイプ – LGA パッドは挿入中にコネクタ ピンをこすり、酸化物や破片を除去して接触抵抗を低くします。 BGA ははんだ付けのみに依存します。

ルーティング – LGA はソケット ピン用の高密度のメッキ スルー ホールとビアを必要とし、BGA はトレース用のエスケープ ルーティングを必要とします。

対応プロファイル – LGA は、少なくともソケットの高さだけ BGA よりも高くなります。 BGA は薄型化を実現します。

費用 – 大量生産の場合、一般に BGA の方がコストが低くなります。中程度のボリュームの場合は、LGA が推奨される場合があります。

最適な選択は、コスト目標、ライフサイクルの期待、フィールド サービスのニーズ、およびパフォーマンス要件によって異なります。

さまざまな業界にわたる BGA アプリケーション

BGA パッケージの高性能、小型サイズ、信頼性により、幅広いアプリケーションで採用されています。

家電

• スマートフォン、タブレット、ラップトップ
• ゲーム機、セットトップボックス
• デジタルカメラ、ウェアラブル

自動車

• エンジンコントロールユニット、インフォテインメント
• ADASモジュール、LiDAR
• 本体コントローラー

航空宇宙および軍事

• アビオニクスコンピュータボード
• レーダーおよび画像システム
• ミサイル誘導システム

テレコムとネットワーキング

• スイッチ、ルーター、基地局
• サーバー
• 光ファイバーモジュール

医療

• MRI、CT、PET スキャナーなどのイメージング システム
• 患者モニターと診断
• ペースメーカーなどの植込み型製品

結論

このガイドで説明したように、BGA 基板には、電気、熱、機械、材料科学、物理学、製造など、数多くの分野にわたる思慮深いエンジニアリングが必要です。

BGA 基板は、適切に設計された場合、継続的な技術進歩を可能にする信頼性の高い相互接続方法を提供します。しかし、製品の品質と信頼性の目標を達成するには、慎重なモデリング、分析、健全な設計慣行の順守、厳格なプロセス制御が必要です。