BGA の使用: デザインとレイアウト

ボール グリッド アレイ (BGA パッケージ) は、もはやコンピューターのマザーボード上の大型で複雑なチップの独占的な領域ではありません。今日では、単純なマイクロコントローラーでさえ、これらの小さなはんだボールを使用して利用できます。 それでも、多くの愛好家は、はんだ付けが簡単なため、QFP および QFN パッケージを使い続けることを好みます。 これは正当な指摘ですが、BGA パッケージはスペースを大幅に節約できるため、場合によっては唯一の選択肢となることがあります。チップ不足が続いているため、他のパッケージ バージョンの一部が入手できない可能性があります。 はんだ付けであっても、複雑である必要はありません。すでにはんだペーストとリフロープロファイルに慣れている場合は、BGA を 1 つか 2 つ追加するのは非常に簡単です。

この記事では、BGA チップの操作は思っているほど難しくないことを示します。 焦点はプリント基板の設計、つまり適切なフットプリントの描画方法、多くの信号の配線方法、および PCB メーカーが持つべき機能にあります。 はんだ付けと再加工のテクニックについては今後の記事で説明しますが、その前に、そもそも BGA が使用される理由を見てみましょう。

1990 年代にコンピューター技術が進歩するにつれて、PC 内のマザーボードはますます複雑になってきました。 1980 年代の 8 ビット データ バスは、CPU、メイン メモリ、およびハードディスク コントローラやディスプレイ アダプタなどの拡張カード間の 16 ビット、32 ビット、さらには 64 ビット幅のバスに取って代わられました。 これらのバスはすべて、さまざまなチップに出入りする必要があるため、多くのピンが必要でした。

当時の複雑なチップの典型的なパッケージは、ガルウィング型のピンが両側に長い列を備えたクアッド フラット パッケージ (QFP) でした。 ピン数が 200 以上になると、これらのパッケージはますます扱いにくくなりました。パッケージは内部のチップに比べて非常に大きくなっただけでなく、ピンも非常に小さく壊れやすくなりました。 大きな QFP チップは、ピンが曲がったり、チップがはんだ付けできなくなったりしないように、慎重に取り扱う必要がありました。

ボール グリッド アレイ パッケージ (BGA) は、これらの問題の両方を解決するために開発されました。 ピンをエッジの周りに広げるのではなく、パッケージの底部の格子状に配置すると、面積効率がはるかに高い設計になります。 さらに、はんだボールは、狭ピッチ QFP パッケージの小さなピンよりもはるかに堅牢です。 メーカーは当初、製造とテストの問題を懸念していましたが、BGA パッケージは非常に信頼性が高いことが判明し、それ以来あらゆる種類の電子機器に普及しました。

下の写真は 1997 年のビンテージ PC マザーボードの一部を示しており、QFP パッケージと BGA パッケージの面積効率の違いを明確に示しています。 左側の ATI VGA コントローラには、ピン ピッチ 0.5 mm の 208 ピン QFP パッケージが搭載されています。 右側の Ali M1531 システム コントローラは、BGA パッケージに 328 ピンを収めることができ、はんだボールはより快適な 1.27 mm ピッチです。

BGA パッケージは通常、インターポーザ (実際のチップとチップが実装される回路基板の間のインターフェイスとして機能する小さなプリント基板) の周囲に構築されます。 チップはインターポーザーにワイヤボンディングされ、保護エポキシで覆われています。 インターポーザーは、信号をチップの端から底部のパッドのアレイにルーティングし、その上には小さなはんだボールが取り付けられます。 完成した BGA パッケージは、プリント基板上に配置され、加熱されます。 はんだボールが溶けて、基板とインターポーザーの間に接続が作成されます。

初期の一般的な BGA のボールピッチは 1.27 mm でした。 テクノロジーが向上するにつれて、BGA パッケージはますます小さくなり、インターポーザーは内部のチップよりもそれほど大きくなくなりました。 これらの小型 BGA はチップスケール パッケージ (CSP) として知られており、通常、ボール ピッチは 1.0 ～ 0.5 mm です。

しかし、小型化の追求はそこで終わりませんでした。半導体メーカーは最終的に、インターポーザーを完全に不要にしたフリップチップ BGA、つまりウェーハレベル チップ スケール パッケージ (WL-CSP) を開発しました。 代わりに、フリップチップ設計では、はんだボールをチップの表面に直接配置し、そのピッチは 0.3 mm ほどにすることができます。 次に、チップは、裏面にエポキシの保護層を付けて、またはまったくパッケージングせずに、回路基板上に逆さまに取り付けられます。