BGA（ビージーエー）

2025年10月29日

BGA（ビージーエー）

英語表記: BGA (Ball Grid Array)

概要

BGAは、半導体パッケージの一種で、チップと外部回路を接続するための端子を、パッケージの底面全体に格子状に配列された小さなはんだボール（はんだ球）として配置する技術です。従来のパッケージのようにリード（足）が側面から飛び出す構造とは根本的に異なり、パッケージの面積を最大限に活用して、非常に多くの入出力ピンを高密度で実装することを可能にします。これは、高性能化が進む現代の半導体チップ、特にピン数の多いCPUやASIC、FPGAといった大規模なLSIを、プリント基板（PCB）上に確実に、かつ信号品質を保って固定するための「パッケージングと実装」における主要なパッケージ形態です。

詳細解説

BGAは、半導体技術の進化、特にプロセスルールの微細化によってチップの集積度が上がり、結果として入出力（I/O）ピンの数が爆発的に増加したことに対応するために開発されました。このパッケージ形態が「半導体技術 → パッケージングと実装」の文脈で重要視される理由は、主に高密度性、電気的特性、および熱特性の三点にあります。

1. 構造と動作原理

BGAパッケージの主要な構成要素は、シリコンダイ（チップ本体）、パッケージ基板、そして底面に配列された多数のはんだボールです。チップはパッケージ基板に搭載され、内部配線を通じてはんだボールに接続されます。

実装の際は、PCB上に対応するランド（接続パッド）が設けられ、BGAパッケージをその上に配置します。その後、リフロー炉と呼ばれる専用の加熱装置で熱を加えます。この加熱によって、はんだボールが溶融し、表面張力によってパッドの中心に引き寄せられ、自動的に整列して強固な電気的・機械的な接続が形成されます。この「自己整列効果」は、高密度なパッケージ実装における製造効率を大きく向上させる特徴です。

2. 高密度と高性能化への貢献

もし高性能なFPGAやASICチップの入出力ピンをすべて従来のQFP（四辺リード平形パッケージ）のような形態で外に出そうとすると、パッケージのサイズは非常に大きくなり、信号線が長くなることで電気的なノイズ（寄生インダクタンス）が増大してしまいます。信号伝送速度がギガヘルツ帯に達する現代の半導体においては、信号経路はできるだけ短くする必要があります。

BGAは、パッケージの底面全体を使って接続するため、リード長を極めて短くでき、これが信号品質の向上に直結します。つまり、BGAは「パッケージングと実装」の工程において、高性能な半導体チップ（半導体技術）の持つポテンシャルを最大限に引き出し、高周波での安定動作を保証する役割を担っているのです。

3. 熱管理と信頼性

また、高性能な半導体チップは大量の熱を発生させます。BGAは、パッケージ底面全体がPCBと接触するため、熱伝導の経路が広く確保されやすいという利点もあります。熱を効率よくPCB側に逃がすことができるため、チップの安定動作と寿命維持に大きく貢献します。このように、BGAは単なる接続手段ではなく、半導体チップの性能維持に欠かせない、非常に戦略的な「パッケージ形態」なのです。

具体例・活用シーン

1. 高性能デバイスの実装

現在市販されているほとんどのパソコンのCPU（中央演算処理装置）や、高性能なGPU（グラフィックス処理装置）は、BGAやその派生形であるLGA（Land Grid Array）の形態を採用しています。特に、ルーターやサーバー、データセンター向けの高性能なネットワークチップ、あるいは産業用途の複雑な信号処理を行うFPGAやASICチップは、その膨大なピン数ゆえに、ほぼ例外なくBGAパッケージで提供されています。

2. 比喩：レゴブロックのスタッド配列

従来のリード付きパッケージ（QFPなど）を、横方向に接続点（リード）が飛び出している「カニやムカデ」のような形状だと想像してみてください。これに対し、BGAは、接続点がパッケージの底面全体に敷き詰められた「特殊なレゴブロックのプレート」のようなものです。

もし、あなたが限られたスペース（プリント基板）に、大量の接続点を持つ高性能なシステム（大きなレゴ作品）を作りたいとき、横にリードが広がるカニ型のブロックを使うと、すぐにスペースが埋まってしまいます。しかし、BGAというレゴプレートを使えば、底面全体で接続するため、水平方向の専有面積を抑えつつ、接続密度（ピン数）を劇的に高めることができます。この「空間を縦に使う知恵」こそが、BGAが「パッケージングと実装」の効率を飛躍的に高めた理由だと理解すると、非常に分かりやすいかと思います。

3. 実装の課題

BGAは高性能を実現しますが、実装後の目視検査が困難であるという課題も持っています。はんだボールがパッケージの真下に隠れてしまうため、接続状態を確認するにはX線検査装置などの特殊な機器が必要になります。これは、BGAが「パッケージ形態」として持つ、高密度化の裏返しとも言える特徴です。

資格試験向けチェックポイント

ITパスポート試験や基本情報技術者試験、応用情報技術者試験において、「パッケージングと実装」の分野は頻出です。BGAに関する知識は、高密度実装や電子回路の信頼性に関する問題で問われることが多いです。

高密度実装の代表例として覚える: BGAは、DIP（Dual Inline Package）やQFP（Quad Flat Package）と比較して、圧倒的に高密度な実装が可能なパッケージ形態であることを必ず覚えておきましょう。特に、大規模なLSIやマイクロプロセッサに使われるという点がポイントです。
実装方式の理解: BGAは、リードを基板の穴に差し込む「スルーホール実装」ではなく、基板の表面にはんだ付けする「表面実装技術（SMT: Surface Mount Technology）」の一種です。特に「リフローはんだ付け」によって実装されることを理解しておく必要があります。
メリット・デメリットの整理:
- メリット: 高密度実装が可能、電気的特性（高周波特性）が優れている、熱特性（放熱性）が比較的良好。
- デメリット: 実装後の検査（目視）や修理（リワーク）が困難である。
出題パターン: 「I/Oピン数が多く、高周波特性に優れたLSIのパッケージ形態はどれか？」や「リードがなく、底面のはんだボールで基板に接続するパッケージは？」といった形式で問われます。