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2017.7.28　最終確認

「コンピュータを再起動する必要があります」カーネルパニック発生の警告画面です。

Apple Support の記述では、「ほとんどの場合、カーネルパニックは...Macの外部の問題が原因で発生する場合がほとんどです。...」とありますが、実際には逆で、多くのユーザーが直面するケースではiMac自身のハードウェアに何らかの問題があります。

iMac G5 の中でもA1058、A1076ファミリーは、ロジックボードと電源ユニット内のアルミ電解コンデンサの劣化が多い機種です。

Appleの無償の交換／リペアエクステンションプログラムはすでに終了しています。

MacでもWindows機でも、またどのメーカーのPCでも、「この機種はダメ」「欠陥品だ」と評される製品は大なり小なり存在します。

中でも高性能なグラフィックス機能をもつハイグレードPCや高性能グラフィックスボードは、新品交換（購入）以外の手段では修復できないケースがほとんどで、PC故障のうち最も高額な修理費用がかかります。

高い金を払って手に入れた高性能なMacや超高速グラボが、なぜ故障ししかも新品交換でしかきちんと治せないのかを、共通した直接の故障原因、さらにその遠因、使用環境の側面から解説します。

高性能な信号処理を支えるBGA技術

ロジックボード（Windows機ではマザーボード）をながめてみると、ICチップからまったく「足が出ていない」ように見える１辺が２センチ以上の大型のLSI（以下単純にICと呼ぶ）が必ず1、2個は見つかるはずです。

PCIeバスなどに増設ボードとして専用のグラフィックスカードを装着していないPCでは、グラフィックス専用チップがその一つです。（昔はGPUと呼んでいましたが、現在はCPU内蔵のグラフィックス機能も高性能になり、専用チップでないPCも増えています。）代表的なメーカーはNVIDIA、ATI。そしてチップ名にはGTX***やFX***、Radion***などがあります。

高速な描画処理をこなしてくれる専用グラフィックスボードは昔から高価であり、いいものになるとPCと同額かそれ以上という時代もMacユーザーの多くは経験したはずです。

90年代後半より、PC内部でのデータ処理が32bitから64bitに増えるにつれて、グラフィックス専用チップの足の数はどんどん増え、処理速度は上がってその足の長ささえも性能にかかわるような時代になり、ついには従来の足が出たタイプのICではソケットや穴あけ、それに配線の引き回しパターンなどで基板上に取り付けるための「実装技術」が限界を迎えてしまったのです。

そこで出てきたのが、基板とICの端子のすきまを0.5mm以下の金属のボールで上下に点接触（接点部分にはハンダ）させるBGAチップと呼ばれる構造をもつICです。BGAは「Ball Grid Array」 の略で、ICの形状の名前です。（勝手に直訳すれば「球体格子配列」でしょうか？）

多層基板の進歩とあいまって、格子配列の中央部からも立体的に配線を引き出すことが可能な、いまのIT機器の高密度実装を支える半導体技術です。

ハンダボールが格子状に整然と並んだBGAチップ（これはPowerPC G4用MPC7410）

交換のためにはずしたBGAチップ（ハンダボールがけっこう取れています）

なぜCPUはBGAタイプの実装ではなくソケット式なのか

BGA構造のICは、基本的にチップを交換しないロジック（マザー）ボードや、PCI・AGP仕様の増設グラボのグラフィックチップに採用されました。しかしほぼ同じ大きさであるCPUの世界では、BGA構造のCPUはVAIOなどの薄型ノートに一時採用されたものの、Macbook AirやUltraBookなど極薄ノートが登場するまでは、ノートPCですらソケット式CPUがほとんどでした。

それはなぜか？

BGAチップの実装作業がとても温度管理が難しい高度な技術であり、同時にBGAの構造そのものが経年変化に対して極端にモロい致命的弱点を抱えているからです。（詳細は後述）

PCメーカーの「営業」としての視点からは、一般の製品はある程度年数がたって故障してくれなければ買い替えにつながりませんが、PCについては企業向けの場合、税法上の利便性から5年または6年のリースでの導入のため、リースが終わればすんなりと新機種への入れ替えとなるのでこの期間に着実な運用で実績を積めば、新機種で再度リース契約をしてもらうことができますます。

この「5年または6年」と、そのあとの後継機への引き継ぎをふくむ約8年の運用を無事に乗り切るには、故障発生リスクが高く交換が難しいBGA実装タイプのCPUではなく「成熟したハンダ付け実装+簡単な着脱」のソケット式CPUのモデルのほうが適しているのです。

またPCメーカーにとっても差し替えで交換できるソケット式なら共通のマザーボードにしておいて、CPUのバリエーションで商品ラインナップを増やすことができます。季節ごとのマイナーチェンジモデルごとにマザーボードを作り直す必要もありません。

以下に述べますが、この観点から見れば「BGA実装方式のCPU」を採用したiMacG5は、結果的には「実社会での安定運用」という概念が十分に考慮されていなかったモデルだといえます。（AppleにとってiMacシリーズは業務用ではなく個人向けのパソコンなのですから、当然といえばそれまでです。）

BGAチップの実装技術や、故障が発生するメカニズムについては、

　　　　ルネサスエレクトロニクス社　（日立、三菱、NECの合弁企業）

　　　　　　半導体パッケージ実装マニュアル

にくわしく書かれています。

本ページの主題である「BGAチップの故障のメカニズム」については　

　　　　第５章はんだ付け実装事例と不具合事例について

　　　　　　5.1（３）不具合事例３ はんだ接合部剥離（ボール落ち）」（119ページ）

に、明快に図入りで解説されています。これを見れば一目でわかるのですが、著作権の関係で引用できませんので、ここでは長々と解説します。

当店がiMaG5関連のほかのページやヤフオクにて「BGAはがれ」と表現している箇所は、このマニュアルの「ボール落ち」に該当します。

高性能グラフィックス機はBGAチップの構造的本質によって故障する

上記マニュアルを筆者なりに要約すると、以下のようになります。

ロジック（マザー）ボード基板上の温度の高い部分は熱膨張によってそりを生じ、BGA本体と基板をつなぐボールに垂直方向に隙間が生じ、電源ON-OFFによって「そるー戻るーそる」をくり返すため、経年にてハンダ部分の酸化と金属疲労が発生しハンダ接合部分に亀裂が入る。

またBGAチップ自体も熱膨張し、基板との熱膨張率の違いによってボールの上下の接点部には水平方向に相反する向きに力が加わり、回転力となってボールがはがれようとする。また熱そのものによって接点部のハンダの強度も低下して、やはり経年で亀裂が入る。

つまり、ロジック（マザー）ボード基板が放熱器や冷却ファンで十分冷却されないために、BGAチップやCPUから発散する高い熱量によって、基板のそりが垂直方向、水平方向のどちらにも発生すると考えられ、グラフィックまわりの故障の原因の多くは

　　　　　　基板の反りによるBGAのボールのはがれ（ボール落ち）

によるところが大きいということになります。

ロジックボードを交換することはあっても、大きな「G5」ロゴ入りの放熱器をはずすことはめったにありません。実際に放熱器をはずしてみると、ロジックボード上の配置から、Appleがコンパクトさとグラフィック性能の両立をいろいろ考えて工夫したことが見えてきます。

iMacの大きな「G5」マークの銅製の放熱器をはずしたところです。（赤枠が放熱器位置）

最下部の白い枠がCPU（PowerPC970）。

緑色の枠がATI製Radion9600のグラフィックチップです。

iMacG5ではBGAチップがロジックボードの裏面にも取り付けられています。

IBM 10R6685 ESD PQが型番らしいですが、「E2CMOS In-System programable Logic」なのでどうも一般にいうスーパーI/Oコントローラのようです。

ロジックボード用の金属フレームの材質の一部がIBM 10R6685の放熱用に銅板となっていますシリコングリスで熱伝導します。（黄色い枠）
 

iMacでは、放熱用の空気は最初に白い枠部分のCPU（写真左）を冷却し、そのまま放熱器内を写真上に向かって流れます。

中央の黄色い枠のBGAタイプのチップも、右端の写真の放熱板の大きさからするとかなりの発熱量があると推定されますが、これをロジックボードの裏側のCPUとグラフィックチップの中間に配置することで熱を基板の両面に分散させ、両面から熱量バランスをとってロジックボード基板自体の「そり」を打ち消しあうように、この銅板や「G5」ロゴ入り放熱器はその大きさが設計されたものと考えられます。

左端の写真で白いCPUから写真上方にあがった熱は、そのままグラフィックチップ（緑色の枠）の上を通過します。この付近はグラフィックチップ自身の発熱に加え、CPUの熱が加わるため、グラフィックチップ部分の周辺温度がかなり上昇するものと思われます。

BGAチップのはがれ（ボール落ち）は、経年によるシリコングリスや部品自身の劣化、ホコリの付着や使用環境における熱ストレスなどによって、そりの打ち消し合いがうまくいかずバランスがくずれたことが、ハンダボール部分の分離につながった原因というふうに筆者は考えております。

「熱によって物質の抵抗値は増大する」というのは高校物理で学びますが、リニアモーターカーに代表されるように、電気回路においてもまたCPUなどのチップ内部においても暖房器具をのぞいて「熱」は多くの場合悪役です。（かわいそう）

熱は抵抗値を上げるため電気エネルギーは熱エネルギーに変換されて熱損失となり、同時に半導体内部では温度が高くなると電子の移動速度が落ちます。つまりCPUやグラフィックチップが高速動作するためには「冷却」が重要なのです。「京」に代表されるスーパーコンピュータが巨大な電源設備を持っているのは、強制冷却するためといっても過言ではありません。

iMacG5や高性能Windowsノートも超高速グラボもおなじで、「熱」がすべての基本問題なのです。

前項で説明したように、高い熱量を発生する高性能グラフィック機のBGAチップは異なる熱膨張率の物質をハンダでくるんだボールで点接合するという構造のため、

　　　　　使えば必ずBGAチップ部のハンダ劣化は進行する

という現実を回避することはできません。劣化の進行が早いか遅いかの違いだけです。

しかし、すべてのiMacG5やグラボが短期間で故障する訳ではありません。よっぽどへたな開発設計者ならともかく、世界に名だたるメーカーが発熱、排熱に関しては通常使用に十分な余裕（マージン）を持った設計をして販売されたはずです。（iMacG5の場合は美しくコンパクトな筐体に仕上げるために、設計上そのマージンが小さかったにすぎなかったのかもしれません。）

では、ユーザーの手元で、その熱設計にたいする「マージン」の部分を食いつぶして製品寿命を縮めてしまったものは何か？

それは　　　　　ホコリとユーザーの心得違い　です。

よく故障機を持ち込んできて「私は何もやっていないのに壊れた」というひとがいますが、逆に「何もやっていない」という無作為が原因であり、やるべきことをやっていないことが往々にしてあります。

ホコリとタバコ

当店で実際に持ち込まれたiMacG5を開けてみると、大なり小なり「G5」マークの放熱器の空気入り口にはホコリがたまっています。ひどいものは1ミリ厚以上のフェルト状態です。喫煙者の機体の場合は、冷却のための風の通路全長にわたってタバコのヤニが付着し、それに室内のホコリが吸着して層を成し、どちらも冷却に必要十分な風量を確保できていないケースがよくあります。

置き場所の温度と通気

iMacG5（または高性能グラフィックス機）は、人間にも快適な環境下で使わなければなりません。特に仕事でiMacG5を使う場合には、機体の周囲とくに吸気部・排気部にはものを置かず、空間を十分に確保し、かつその空気が十分に冷えるよう通気の流れを確保することが重要なポイントです。アメリカ映画のように「広いデスクにPCだけ」というのが、Appleが考えるPCの使用環境なのでしょうから。

最初の不具合にしっかり対応

「電解コンデンサのふくらみ」はロジックボード（マザーボード）の故障がひと目で外観からわかる典型的な不良症状です。CPUやグラフィックチップの高速動作には電気エネルギーの高速供給が必要なのに、電解コンデンサ自身の不良や寿命などで電気を蓄える能力が低下していると、電源ユニットからの電気のバケツリレーが追いつかず、安定供給の中継役を果たすことができません。

バケツリレーの中継役がいなくなると、電源ユニットはCPUやグラフィックチップのために息つくヒマなく電気エネルギーを生産しなければなくなります。生産が追いつかなければ「途中で電源が落ちた」になりますし、なんとか追いついていても電源ユニットは常時フル稼働のため働きすぎでどんどん発熱し、熱損失もからんで悪循環に陥ります。こうして設計以上の熱量が発生してしまいます。

一度でも途中で電源が落ちたり、電源がうまく入らなかったりしたら必ず修理業者に点検を依頼するか、自分で内部の状況を確認すべきです。BGAチップのハンダはがれの問題は一度始まってしまうと、もう二度と回復することも修復することも困難になります。最初が肝心です。

基本的な物理の知識が欠如した改造

処理速度を上げるためのクロックアップや（最近のPCマニアはやっているのかな？）、静音化だといって純正で付属の冷却ファンよりも「風量」が少ない製品に取り替えたりするのも、熱量的に機体の寿命を縮めていると筆者は考えます。

また、当店のPowerbook G3 （Pismo）のG4アップグレードが500MHzまでであるのもやはり発熱量への配慮です。せっかく最後まで大事にするのだからと、550MHzへの変更はできないかとか、G3/900MHzにはならないかなどの「可能なかぎり高速なPismo」にしたいとの声もありますが、Pismoは基本はG3/500MHzで熱設計されており、当店でも、後継機の初代Powerbook G4が500MHzまでだったことを念頭に入れた判断です。無理して速くしても、それはPismoを早死にさせるだけの愚行と考えます。

PCを使う側にもなすべきことはたくさんあるのです。

BGAチップのハンダはがれ（ボール落ち）は構造上不可避であり、製品の電源を入れれば確実にそれは進行するわけですから、ある程度使った製品については

　　　　　中古品はいつBGAチップはがれで故障してもおかしくない　

といえます。

前出の半導体パッケージ実装マニュアル の「第３章はんだ付け実装工程」にもあるように、BGAチップの実装や再実装では、X線撮影装置を使って確認します。ところが中古品の場合は、BGAチップのハンダ付け性能がどこまで劣化しているかはそのままでは誰も外観からは判断できません。BGAのハンダ付け劣化には、自動車の走行距離、ハードディスクの使用時間のような劣化の目安になる指標がないのです。

当店がいうのもなんですが、高性能グラフィック機の修理は「運」に賭けるバクチです。当店に限らず、中古ロジックボードを再整備してMac修理をしているすべての業者がいう「再整備」とは、コンデンサ交換と清掃とシリコングリスアップにすぎません。肝心のBGAチップにはタッチしていないのです。

BGAチップの再実装はプロ職人の世界

BGAチップの実装（ICのハンダ付け）がどれほど高度な技術であるかは、前出の半導体パッケージ実装マニュアル の「第３章はんだ付け実装工程」に詳しく、また「第４章保管および実装時の注意点」の実装時の時間ごとの温度管理の説明などを読めば、ネット情報などにあるロジックボードを温度センサーもついていないような工業用ドライヤーでBGAチップを再加熱して修理をしようなどという試みがいかに無謀であるかが明白となります。

ロジックボードには何千個もの部品が実装されていますが、その部品ごとに実装するときの温度管理（温度プロファイル）が異なります。ロジックボードの製造時には、すべての部品用の温度プロファイルが条件を満たすように、作業は細分化され順序が決められます。BGAタイプのグラフィックチップもそうして正確に実装されます。

ところがBGAタイプのグラフィックチップが故障（またはハンダはがれ）した場合は、製造時の作業順に関係なく、いきなりグラフィックチップだけを修理しなければなりません。再実装の場面では、加熱するにしても周囲の部品に作業用の熱が影響しないよう、また裏面に配置された部品が落下したりしないよう、さまざまな制約が出てきます。

BGAリワークの専門企業に持ち込んでピンポイントで修理するほうが、工場生産で新品実装するときよりも、はるかに経験とコツを要求されます。

「中古iMacG5のロジックボードの再整備」といってもBGAリワークをふくむとなると簡単なことではありません。高額の費用で専門業者に委託してBGAリワークが成功したからといっても「BGAチップ」であることはかわらず、修理後も再発するリスクがなくなるわけではありません。Mac修理業者がBGAリワークまでやらないのはこうした理由です。

このことをさきほど「高性能グラフィック機の修理は「運」に賭けるバクチ」と書いたのです。けっして修理業者が無責任なのではありません。

後継機種のないiMacG5を使い続けるためには、たとえ「コンデンサ交換しただけの再整備ロジックボード」であっても貴重な基幹部品、これが現実なのです。

【 BGA関連の用語 】

BGAリワーク

はがれ（ボール落ち）が発生したり、故障したBGAチップをはずして、正常な状態に再度ハンダ付けする作業全般を「リワーク」といいます。

BGAリボール

新品のBGAチップを取り付ける場合は、すでにBGAチップには新しいハンダボールがついているので、そのままクリームハンダ塗布・リフロー工程には入れますが、はずした元のBGAチップを取り付ける場合は、古いハンダボールを全部はがしてから再度ハンダボールを形成します。これを「リボール」といいます。

新品のBGAチップであってもそれが共晶ハンダ（昔ながらの普通の鉛入り）で、納入先が指定する「鉛フリー」の無鉛ハンダにしなければいけなかったり、逆にもとが「鉛フリー」の場合、やや低い温度でハンダがつきやすい共晶ハンダに変更して「確実性を確保」したいケースでは新品であってもリボールすることがあります。

BGAリフロー

BGAチップは取り付けにハンダごてを使うことはできません。また溶けたハンダの入った容器に基板と部品をつけ込む「フロー方式」も使えません。

細かい粒状になったハンダをクリーム上の物質に混ぜ込み、そのクリームを基板に塗ってBGAチップを置き、全体を加熱オーブンにいれて、ハンダボールの外縁のハンダを溶かして接合する手法を「リフロー方式」といい、BGAチップではこのリフロー方式が標準です。

BGAリワークの費用の算出

一般に修理においては、古いものをはずして新しいものに交換するか、古いものをつけ直すかのいずれかとなります。NVIDIAのグラフィックのBGAチップが故障したのではなく、はがれ（ボール落ち）が発生したものだとすると、多くのBGAリワーク業者では以下のような請求項目になります。

　　　BGAリワーク = BGAリボール（取りはずし＋リボール）＋ BGAリフロー＋マスク代

基板のハンダボールの位置に正確にクリームハンダを塗布するときに、塗る位置すべての穴を開けたシートを置き、その上から大雑把にクリームハンダを塗り、スクイザーをすべらせて余分なクリームハンダをこそぎ取ります。このとき使う穴の開いたシートをマスクといい、その業者が扱ったことがない塗布パターンの場合はマスク製作代を請求されます。

個人相手にロジックボード1枚単位でやってくれるところは少なく、そうしたところでも好景気になると個人向けを後回しにするところも出てきます。本来が技術が勝負のBGAリワーク業界ですので、費用も決して安くはありません。

交換用のチップを自分で調達したうえで、1個交換するのに2万円台でやってもらえたら安いほうだというのが、当店での調査結果でした。

ジャンクの故障したiMacG5は、ロジックボードのBGAチップはがれ、同コンデンサのふくらみ、電源ユニットの故障のいずれかです。もちろん複合原因になっている場合もありますし、コンデンサがふくらんだロジックボードでもBGAチップのはがれは進行しています。

さて、「コンデンサがふくらんだiMacG5ロジックボード」は買うべきか？敬遠すべきか？

故障機のロジックボードのコンデンサがふくらんでいる場合は、コンデンサさえ交換すればたいてい復活します。（実際にはコンデンサ交換した機体はけっこう長生きしています）

当店の実績から見ると、画面表示不良でのロジックボード交換では、ほとんどがきれいなコンデンサのままグラフィックチップがやられています。

つまり、コンデンサがふくらんでいるロジックボードのほうがBGAはがれの発生が少ないと考えられます。「G5」放熱器から離れた場所にあるコンデンサがふくらんでいるということは、機内にまんべんなく広がったことで、基板全体の「そり」が均一化されたのではないかと推測します。おそらく使用環境が悪く、排熱がきちんとできないような場所で使われて、機内全体に熱がこもったのでしょう。

しかしそのおかげで、BGAグラフィックチップがあまり影響を受けていないと考えれば、このジャンク入手のロジックボードと電源ユニットをしっかりコンデンサ交換すれば長く使えるはずです。

コンデンサ交換ができるひとなら「コンデンサのふくらみあり」を選択

当店の判断は、自分でコンデンサ交換できるなら「コンデンサのふくらみあり」は、動作品であっても「起動しません」であっても「買い」です。同じ動作品なら「コンデンサのふくらみナシ」より「コンデンサのふくらみあり」のほうを選ぶべきです。

なぜなら、同じ「動作品」の場合、「コンデンサのふくらみナシ」の動作品は、長期間「問題なく」使われていた機体であればBGAグラフィックチップのハンダ劣化がかなり進行していると警戒すべきだからです。そして、自分でコンデンサ交換できないひとは、「コンデンサのふくらみナシ」の動作品をあくまで緊急用として短期使用と割り切って入手するのがよいでしょう。

電解コンデンサはなぜふくらむのか？

答えは「破裂させないためのガス抜き」です。「電解コンデンサのふくらみ」は交換要求サインなのです。

電解コンデンサのふくらみの実体は「ガス」

アルミ電解コンデンサは内部で起きる電解液の化学反応を利用した「蓄電デバイス」です。化学反応で常に微量のガスが発生しており、寿命が進行するとたまったガスで内部圧力が高くなり、これが機械的強度を超えると破裂して「電解液もれ」となります。SE/30やその当時のNECのPC98機では、表面実装型のアルミ電解コンデンサだったため、破裂後にもれた電解液がプリント基板や安価なICソケットを腐食し、回路断線による故障が発生していました。

「もれ」よりももっと悲惨なのが破裂による「電解液の飛散」です。ピッチの狭い高密度ICの足に飛散すると足がサビになり交換しなければなりません。

K型、Y型の切り込みの交点からガス抜き

このような破裂による被害を防止するために、300uFを超える容量のアルミ電解コンデンサの多くにはてっぺんに十型やK型、Y型の切り込みをいれてあります。圧力が機械的強度を超えると、文字の交点に穴があき、ガスや少量の液がチビって、内部圧力が開放されます。切り込みのおかげでガス膨張の程度、つまりコンデンサの容量抜けも目視でわかるようになっています。

電解コンデンサは周囲温度が10℃上昇するごと寿命は半分に

推定寿命計算式というのがあります。20℃あがれば寿命は1/4ということです。寿命の長いコンデンサを使うこと以上にパソコンの使用環境をよくすることのほうが重要です。

ALS機のCPU右脇のコンデンサ。吸気口から最も近く、熱の影響が少ない場所のはずなのに、熱による劣化でふくらんでいます。

（Y字の切り込みタイプですが、左の３つはふくらみ、右の２つは問題なしです）

当店では次のページのように、通常は中古のロジックボードを再整備してロジックボード交換サービスを承っておりますが、たまにiMac G5の新品ロジックボードが手に入ることがあります。

業務用にOS9環境を使っているユーザーの場合、故障時に備えてiMacの予備機を確保されていると思います。

予備機の場合は保管スペースを食いますし、いざ使う段になって、予備機のほうも調子が悪く共倒れというようなことがあり、さらに元の故障機の自治体でのゴミ処分の処理の問題があります。

【当店から新品のロジックボードを購入するメリット】

（１）本ページで述べた経年によるBGAチップはがれの問題について、新品ロジックボードなので累積した不良要因は存在しません。

（２）新品のロジックボードでの保管および交換なら、保管場所とゴミ出し処分はほとんど問題になりません。

（３）当店ではコンデンサ交換済みの電源ユニットを無償添付しますので、iMacG5の不具合が、ロジックボード、電源ユニットのいずれが原因なのか、自分で

　　　簡単に調べることができます。（大がかりな梱包をして高い送料を払って修理・見積依頼する手間が省けます）

（４）基本的には「新品ロジックボード＋整備済み電源ユニット」でのセット販売ですが、別途作業工賃にてロジックボード交換をお引き受けします。

開封時の状態

いつどの機種用の新品ロジックボードが入手できるかは当店でも予測がつきません。また入手費用もどうなるかわかりませんので、入荷した場合はヤフオクにて出品しますのでチェックください。

また新品ロジックボードの保証、返品、返金などの技術面以外の内容については、ヤフオクのページに記載する内容が本ページに優先します。

発売後間もない機種でなければ、新品で入手できるロジックボードもありますので、メールにてお問い合わせください。

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