BGA実装

紹介

BGAアセンブリとは？

BGA（ボールグリッドアレイ）は、高密度回路向けに設計された集積回路パッケージです。その主要な特徴は、パッケージ底部に配置された微細なはんだボールがグリッド状に並ぶ構造です。これらのはんだボールは、従来のパッケージにおけるピンに代わるものであり、チップとプリント基板（PCB）の間の電気的接続として機能し、信号伝送や電力供給を担うだけでなく、重要な機械的接続としても働きます。ピン型や従来の表面実装型パッケージと比較して、BGAは限られたスペース内で数百乃至数千の接続点を実現できます。そのため、高速性・高出力・放熱性・電気的性能が極めて要求される用途において、高周波プロセッサやメモリチップなどに広く使用されています。

BGAアセンブリでは、ボトムにソルダーボールを備えたこれらのBGAチップを、自動はんだ付けプロセスを通じてプリント基板（PCB）に正確に取り付ける工程が含まれます。ソルダーボールがプリント基板上の対応するパッドに直接接合するため、従来のピンの湾曲構造が不要になります。これにより、信号経路が短縮され、干渉が減少するだけでなく、コンパクトな設計により熱抵抗が低減し、放熱効率も向上します。

従来のSMDパッケージとは異なり、BGAアセンブリは高精度マウンタ機やリフロー炉といった完全自動化された装置に依存しています。はんだペースト印刷から最終検査に至るまで、厳密な精度管理が求められます。これは高密度接続に対応するための必要条件であり、高速処理や高出力が要求される電子機器において、BGAアセンブリが従来のパッケージングに比べて優れている点です。

BGAアセンブリの主な利点

構造が異なるケーブルアセンブリは、その特性の違いにより、さまざまなシーンに適しています：

リボンケーブル：これは複数の平行導体からなり、整然と束ねられたワイヤーに似ています。その利点には、省スペース性や配線の簡素化が含まれます。リボンケーブルは、コンピュータ内部のようにスペースが限られている場所や、複数のラインを並列に伝送する必要がある用途によく使用されます。
同軸ケーブル：このケーブルは中心導体をコアとし、その周囲に絶縁層、シールド層、およびジャケットが設けられ、「同心円」のような構造になっています。この設計により、高周波信号の伝送性能に優れ、妨害抵抗性も高いため、通信ネットワークや高周波機器などの分野で広く使用されています。
多芯ケーブル：これらのケーブルは、複数の独立して絶縁された導体を備えており、複数の信号を同時に伝送できます。音響システムでの音声伝送から、産業用制御システムにおける多チャンネル信号交換まで、さまざまな用途に使用されます。
複雑なワイヤーハーネス：これらのケーブルは、さまざまなケーブル、コネクター、およびファスナーを組み合わせて構成され、高度な構造を持っています。自動車や航空宇宙など、多数の回路接続を必要とする用途に適しており、過酷な環境下でも高い信頼性を維持できます。

BGA実装プロセスの手順

1. PCB設計およびはんだペーストの準備

まず、PCBのBGAはんだ付け領域にマッチングパッドを設計します。その後、はんだとフラックスで構成されたはんだペーストを、ステンシルを使用してパッドに均等に塗布します。使用されるはんだペーストの量ははんだ接合部の品質に直接影響を与えるため、厳密に管理する必要があります。

2. 高精度マウンティング

高速自動実装機は高解像度カメラを使用してチップおよびプリント基板（PCB）上の位置合わせマークを識別します。BGAチップを吸着した後、それを正確にプリントされたはんだペースト上に実装し、各ボールのはんだが対応するパッドと一致するようにします。この工程は一般的に「ピックアンドプレース」と呼ばれます。

3. リフローはんだ付け

組み立てられたプリント基板はリフロー炉に投入されます。温度が上昇すると、はんだペーストは徐々に溶融し、BGAチップ底部のはんだボールと融合します。冷却後、強固なはんだ接合部が形成され、電気的および機械的な接続が完成します。

4. 検査とテスト

BGAのはんだ接合部はチップ底部に隠れており直接観察できないため、短絡やエアホール、冷却是んだなどの欠陥を確認するためにX線装置による検査が必要です。また、接続信頼性を確保するため電気的性能試験も行います。

BGAのはんだ接合信頼性をどのように確保するか？

BGA実装には極めて高いプロセス精度が求められ、複数の工程にわたって厳密な管理が必要です。

プリント基板（PCB）設計：ランドのサイズ、間隔、配線はBGAの仕様と一致させる必要があります。また、局所的な温度差を防ぐための放熱対策も考慮しなければなりません。
はんだペーストとステンシル：適切な種類のはんだペーストを選定し、ステンシルの開口部精度を高く保つことで、均一なはんだ印刷を実現します。過剰な印刷によるショートや、不足によるコールドソルダージョイントを防ぎます。
リフロー条件：はんだペーストの特性およびチップの耐熱性に基づき、加熱、保温、冷却の各パラメータを正確に設定し、不適切な温度によるはんだ欠陥を防止します。
検査方法：X線検査装置を使用して隠れたはんだ欠陥を検出でき、必要に応じて断面分析などの方法で接合強度を確認することもできます。
環境管理：組立工場は清潔で、はんだペーストの性能やはんだ付け品質に影響を与えるほこりや湿気を防ぐために、常に一定の温度と湿度を保つ必要があります。
専門サプライヤー：経験豊富な製造業者は、標準化されたプロセスおよびプロセスの最適化を通じて組立リスクを低減することができます。

はんだ接合部の品質検査方法

目視検査：エッジ部に露出した小さなはんだ接合部にのみ適用可能です。目立つ問題（例：はんだ欠損や変形）を検出できますが、基板の中心部などはカバーできません。
X線検査：BGAのはんだ接合部検査における主要な方法です。X線はチップを透過して下部のはんだ接合部を明確に可視化できます。ブリッジ、ボイド、冷えはんだなどの隠れた欠陥を正確に識別し、すべてのはんだ接合部が規格を満たすことを保証します。

LHDの専門BGA組立サービス

BGAアセンブリは電子製造における技術的なプロセスであり、極めて高い精度と経験を必要とし、装置性能からプロセスの細部に至るまで、丁寧な対応が求められます。プロフェッショナルなサービスプロバイダーとして、LHDはエンジニアリング評価、部品調達、ステンシル製作からSMT実装、はんだ検査、完成品テストまで、ワンストップサービスを提供しています。複雑でピン数が多いBGAであっても、放熱性や信号伝送に特別な要求がある場合でも、LHDの標準化されたプロセスとカスタマイズされた専門知識により、すべてのチップがPCBに対して安定的で信頼性が高く、長寿命の接続を実現し、電子機器の高性能な動作に堅実な基盤を提供します。