BGA（ボールグリッドアレイ）パッケージは、底面に配置された球状はんだボールによって電気的接続を行う構造を持ち、高密度実装に対応できることから、CPU、GPU、FPGAなどの高性能デバイスに広く採用されています。ピン密度の高さ、優れた高周波特性、そして放熱性の高さが特徴であり、サーバー、高性能グラフィックカード、自動車電子機器といった分野で不可欠なパッケージ技術です。BGAを最大限に活用するためには、ボールアレイ設計、実装プロセスの最適化、そして信号インテグリティの確保が重要となります。

BGAパッケージにおけるボールアレイ設計

BGAの中心は「ボールグリッドアレイ」にあり、その設計では実装密度、電気特性、放熱性をバランスさせる必要があります。
はんだボールは格子状に配置され、ピッチは0.8mm、0.65mm、0.5mmが一般的で、高密度タイプでは0.4mmまで縮小されます。ボール数は100～2000個に及び、CPUでは1500個を超える場合もあります。はんだボールの直径はピッチの50-60%に設定され、例えば0.8mmピッチであれば0.4-0.48mmとなります。高さは0.2-0.3mmで、主にSAC305（融点217-220℃）といった鉛フリー合金が使用され、溶融時の確実な接続とブリッジの防止を両立します。さらに、メモリインターフェースなど信号が密集する領域ではピッチを0.5mmに縮小し、電源領域では0.8mmを維持するなど、局所的に密度を変化させる設計が採用されています。

パッケージ本体の材料にはセラミックまたはプラスチックが用いられます。セラミックBGA（CBGA）は熱伝導率が20-30W/m.Kと高く、GPUなど50Wを超える高発熱デバイスに適しています。一方、プラスチックBGA（PBGA）はコスト面に優れ、中低電力用途に広く利用されています。さらに、高発熱デバイス向けには銅やアルミ製の放熱カバーを追加し、熱伝導グリースを介してチップと密着させることで、熱抵抗を約50％低減させることが可能です。

BGA実装プロセスと品質管理

BGAのはんだ接続は基板裏面に隠れるため、信頼性を確保するにはプロセスの最適化と検査技術が不可欠です。
PCBのランド設計では、ボール径より0.1-0.2mm大きい円形のソルダーマスク開口を設け、レジスト厚を20-30μmに制御します。はんだペーストには空洞率が低く高活性なタイプを用い、粒径25-45μmの粉末を採用、印刷厚みは80-120μmに設定されます。これにより、全ランドに均一なはんだ量を確保します。

リフロー工程では、多ゾーン型のリフロー炉（8-12ゾーン）を使用し、温度プロファイルを適切に制御します。予熱段階（150-180℃、90-120秒）では緩やかに加熱し、恒温段階（180-200℃、60-90秒）で活性化を行い、リフロー段階（245-255℃、30-45秒、ピーク260℃未満）で完全に溶融させます。その後、冷却段階（200℃から100℃まで60-90秒）で応力を抑えながら徐冷します。実装後はX線検査により、はんだボール内部の空洞率を確認し、15％以下であることを合格基準とします。

高周波信号インテグリティの確保

BGAは1GHz以上の高周波信号を扱うデバイスに広く用いられるため、信号インテグリティの確保が設計段階から求められます。
まず、BGAのはんだボールとPCB配線との特性インピーダンスを揃える必要があります。例えば50Ωのインピーダンスに合わせる場合、銅箔厚みや基板誘電体厚みを調整し、配線幅を適切に設計します。また、信号ボールの周囲にグランドボールを配置し、信号-グランド構造を形成することでクロストークを抑制します。

さらに、寄生成分の低減も重要です。BGAはんだボールには数nHの寄生インダクタンス、0.5-1pFの寄生キャパシタンスが存在します。これを最小化するため、ボール高さを0.2-0.25mmに抑え、径を0.4-0.45mmに縮小します。加えて、信号経路は最短化し、チップ端子からBGAボールまでの長さを5mm以下とすることで、反射や減衰を防止します。特に10GHz帯域では、損失を0.3dB/cm以下に抑えることが可能です。

BGAパッケージは、高密度実装と高性能信号処理の両立を可能にする技術です。その実現には、ボールアレイ設計、リフロー実装プロセス、そして高周波信号対策の三位一体の最適化が不可欠です。PCBGOGOはこれらの技術を活用し、CPUやGPUをはじめとする高性能デバイスの製造において、信頼性と性能を兼ね備えたソリューションを提供しています。