BGAチップレイアウトの必須ヒント：最適パフォーマンスのために

チップパッケージング技術の発展に伴い、BGA（ボールグリッドアレイ）は標準的なパッケージ形態と見なされるようになりました。数百本のピンを持つチップに関しては、BGAパッケージの適用が莫大な利点をもたらします。

BGAチップはQFP（クワッドフラットパッケージ）チップに対し、パッケージ形状の面で優れています。BGAパッケージは、QFPチップの周辺リードをはんだボールアレイに置き換えることで、チップの物理サイズを劇的に縮小します。これは複数のI/Oピンがある場合に特に顕著です。BGAの表面積はI/Oピン数の向上に対して線形に増加するのに対し、QFPはI/Oピン数の二乗に比例して増加します。その結果、BGAパッケージは複数ピンを持つ部品により多くの製造性を提供します。一般的にI/Oピン数は250〜1089本で、パッケージタイプとサイズによって具体的に決まります。製造性の観点でも、BGAチップはQFPチップより優れています。BGAパッケージチップのピンは球状で2Dアレイに分布し、I/OピンはQFPより大きなピッチを持ち、接触による変形のない硬いボールとして機能します。チップメーカーにとってのもう一つのメリットは高歩留まりです。BGAチップの組立不良率は通常、ピンあたり0.3ppm〜5ppmで、実質的に無欠陥と見なせます。

上記の理由により、BGAパッケージチップは電子組立業者によって広く採用されています。しかし、BGAパッケージの特異な形状は、設計段階で重要なレイアウトヒントを活用しない限り、半田付け時の短絡リスクを高めます。したがって、本記事の残り部分では、SMT（表面実装技術）組立で最適な半田付け効果を得るためのBGAチップの重要なレイアウトルールを紹介します。

・ピッチとスペーシング

BGAパッケージのはんだボールピッチは一般的に50milで維持されます。PCB（プリント基板）製造プロセスで使用される技術要件を満たすため、スルーホールとパッドエッジ間の間隔は少なくとも8mil、トレースとパッドエッジ間の間隔は5mil〜6milに縮小可能です。したがって、BGAチップのパッドサイズを18mil〜25mil、BGAはんだボール間のトレース幅を6mil〜8milの範囲で定義するのが合理的です。

・位置決めマーク設定

BGAパッケージは肉眼で検査しにくく、はんだ接合部は肉眼では見えません。したがって、組立検査、手動組立、リワーク後の交換要件に対応できるよう、正確なフィデューシャルマークを設定する必要があります。

一般的な慣習として、BGA部品の対角のコーナーに2つのフィデューシャルマークを配置するか、2つのコーナーマークを配置します。以下の図に示す通りです。

フィデューシャルマークとコーナーマークの両方は、BGAパッケージと同等のレイヤー、すなわちコンポーネント層に配置されます。フィデューシャルマークは通常、正方形、円、三角形の3タイプの形状で、サイズは20mil〜80mil、はんだマスクなしのエリアが60milのサイズで残ります。コーナーマークの幅は8mil〜10milの範囲で、BGAパッドグラフィックスに最も正確なアライメントを提供します。

・パッド間の導電性スルーホール

一般的に、スルーホールはパッド間に配置すべきではなく、ブラインドビアと埋め込みビアで置き換えるべきです。ただし、この方法はPCB製造コストを高めます。パッド間にスルーホールを適用せざるを得ない場合、はんだマスクオイルを使用してはんだの流出を防ぐか、穴を埋めたり覆ったりして半田付け時の短絡を防止すべきです。

・パッド

BGAチップの全ピンの中には、電源やグランド由来のものが多数あります。パッドをスルーホールとして設計すると、配線スペースを大幅に節約できます。ただし、この設計はリフロー半田付け技術でのみ機能します。スルーホール組立方法が用いられる場合、スルーホール容量は半田ペースト量と互換性が必要です。その技術が適用されると、半田ペーストがスルーホールを満たします。その要素を考慮外にすると、はんだボールがはんだ接合部に沈み込み、導電性が低下します。

BGAチップレイアウトは上記の側面に限定されず、単一記事でBGAチップの全レイアウトヒントを網羅することはほぼ不可能です。上記項目の他、BGA部品レイアウトは受託メーカーや組立業者の能力と設備パラメータとも関連します。例えば、チップマウンターが対応可能な最大・最小基板サイズは互いに異なる場合があり、異なる設計要件に適合するための対応する設計修正が必要です。したがって、BGAチップレイアウトに関するあらゆる事項を完全に確認し、組立PCBと最終製品の最適パフォーマンスを得ることが極めて重要です。

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参考資料
• BGAパッケージング技術入門
• BGA組立品質に影響する要因
• ボールグリッドアレイ（BGA）パッケージへの表面実装技術（SMT）の適用
• ボールグリッドアレイ（BGA）はんだ接合部の品質管理効果的対策
• 効率的なBGA組立を確保する設計ファイル要件
• BGA組立需要の正確な見積もり取得方法