볼 그리드 어레이(BGA) 패키지란 무엇인가요?

오늘은 PCB 레이아웃 측면에서 좀 더 재미있고 고급적인 내용인 BGA 패키지에 대해 간략하게 소개해 드리겠습니다. 초보 설계자라면 BGA라는 개념이 지나치게 복잡해 보일 수 있지만, 고기능 부품을 단일 패키지에 실장하는 데 필수적인 요소입니다.

많은 고성능 부품이 BGA로 실장되므로 PCB 레이아웃에서 이를 어떻게 다루는지 아는 것이 중요합니다. 자세히 살펴보겠습니다.

PCB 보드의 BGA란 무엇인가?

BGA는 무슨 뜻일까요? BGA는 일반적으로 정사각형 모양의 부품이지만, 직사각형일 수도 있으며, 다양한 볼이 규칙적인 패턴으로 배열되어 있습니다. 이러한 솔더 볼은 부품 바닥에 있습니다. 조립 과정에서 BGA를 풋프린트 위에 놓고 가열하면 솔더가 녹아 기판에 부착됩니다.

너무 단순화하지 마세요. 이것이 이 부품들의 기본 개념입니다. 패턴에서 볼이 누락된 경우가 있을 수 있으니, 기억하세요. BGA는 PCB 레이아웃에 특정 풋프린트가 필요하며, 트레이스를 어떻게 연결할지도 결정해야 합니다.

이는 패드 크기와 볼 사이의 피치 또는 거리에 따라 달라집니다. 굵은 피치 BGA는 일반적으로 1mm에서 5mm 정도로 피치가 더 큰 반면, 가는 피치 BGA는 0.5mm 미만의 피치를 갖습니다.

BGA 패키지에는 어떤 종류가 있나요?

BGA(볼 그리드 어레이) 패키지는 집적 회로(IC)용 표면 실장 기술의 한 종류입니다. 핀이 측면으로 튀어나온 기존 패키지와 달리, BGA는 솔더 볼이 바닥에 직접 부착되어 있습니다.

이를 통해 더 작은 면적, 더 많은 핀 수, 그리고 더 나은 전기적 성능을 구현할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 다양한 요구 사항에 맞게 최적화된 다양한 종류의 BGA 패키지가 존재합니다.

플라스틱 볼 그리드 어레이(PBGA):

기판: PBGA는 일반적으로 비스말레이미드 트리아진(BT)과 같은 수지로 구성된 경제적인 적층 소재를 사용합니다.

조립: 기판은 다이(또는 BGA 칩)가 위로 향하게 부착되는 곳입니다. 다이에서 기판까지 연결된 전선을 통해 전기적으로 연결됩니다. 마지막으로 플라스틱 몰드가 전체 조립품을 뿜어내 보호합니다.

테이프 볼 그리드 어레이(TBGA):

기판: TBGA는 단단한 라미네이트 대신 얇고 유연한 테이프를 기판으로 사용합니다. 이 테이프는 일반적으로 에칭된 전도성 금속층이 있는 폴리이미드 필름으로 구성됩니다.

조립: PBGA 케이스처럼, 이 다이는 뒷면이 아래로 향하도록 테이프 기판에 부착됩니다. 연결에는 전도성 범프나 솔더를 사용합니다. 마지막으로, 솔더 볼이 노출된 하단 패드에 장착됩니다.

세라믹 볼 그리드 어레이(CBGA):

기판: CBGA는 플라스틱이나 테이프보다 열전도도가 뛰어난 세라믹 기판을 사용합니다. - 이러한 세라믹은 일반적으로 산화 알루미늄(Al2O3)과 같은 알루미나 기반 물질일 수 있습니다.

조립: 다이를 세라믹 기판 위에 앞면이 위로 향하게 놓습니다. 이 공정에는 PBGA와 유사한 BGA 칩 연결(C4)이 포함됩니다. 이 기술은 압력 유도 전도성 기둥 형성을 이용합니다. 이 기술은 다이를 기판 패드와 상호 연결하는 데 사용됩니다. 마지막으로, 솔더 볼을 하단의 노출된 금속 패드에 부착합니다.

플립칩 볼 그리드 어레이(FCBGA):

기판: FCBGA는 CBGA와 유사합니다. 하지만 한 가지 중요한 차이점이 있습니다. 다이를 뒤집어 기판에 직접 장착하는 방식, 즉 페이스다운(face-down) 방식으로 부착한다는 점입니다. 이 경우 와이어 본딩을 사용하지 않아 전기 경로 길이가 단축되고 신호 무결성이 향상되었습니다.

조립: 언더필 재료는 다이를 기판에 기계적 지지하고 습기를 차단하는 데 사용됩니다. 그런 다음 다이 바닥면의 노출된 금속 패드에 솔더볼을 부착합니다.

마이크로 볼 그리드 어레이(엠비에이):

기판: MBGA는 TBGA와 유사한 폴리이미드 필름으로 제작된 상당히 작고 가벼운 기판을 사용합니다. 패키지 크기는 다이와 동일하며, 초소형 풋프린트를 자랑합니다.

조립: 전도성 범프 또는 솔더를 사용하여 다이를 테이프 기판에 정면이 아래로 향하게 부착합니다. 따라서 어셈블리의 볼 피치(솔더 볼 간격)가 좁아지므로 정밀한 조립 기술이 필요합니다.

장점: MBGA는 가능한 가장 작은 패키지 크기이므로 휴대전화나 웨어러블 기기와 같은 매우 작은 장치에 적용될 수 있습니다.

단점: 소형화와 볼 사이의 좁은 간격 때문에 이러한 BGA는 다루거나 조립하기 어렵습니다.

파인 피치 볼 그리드 어레이(FBGA)

일반적으로 PBGA 및 CBGA와 동일한 소재로 만들어지는 FBGA의 기판은 적층 또는 세라믹 기판이며 솔더 볼 피치에 차별화 요소가 있습니다.

조립: FBGA 조립은 다른 BGA 유형과 동일하지만, 볼 사이의 간격, 즉 솔더 볼 피치가 훨씬 작습니다. 따라서 제한된 면적에 많은 핀을 배치할 수 있습니다.

장점: FBGA는 작은 패키지 크기와 높은 핀 수의 균형을 맞추는 설계자에게 탁월한 선택입니다. 제한된 공간 내에 많은 연결이 필요한 애플리케이션에 적합합니다.

단점: 이처럼 미세한 피치를 구현하려면 부품의 제조 및 조립 방식이 정확해야 합니다. 따라서 일반 BGA 패키지에 비해 비용이 증가하고, 좁은 간격 때문에 검사나 재작업이 어려워집니다.

열 강화 볼 그리드 어레이(TEBGA):

기판: TEBGA에 사용되는 재료는 라미네이트부터 세라믹 블렌드까지 다양합니다. 주목할 만한 차이점 중 하나는 추가적인 방열 구조가 포함되어 있다는 것입니다.

조립: 제조 공정은 TEBGA 유형에 따라 다를 수 있지만, 대부분의 설계는 더 나은 열 확산을 위해 기판에 더 두꺼운 구리 층을 사용하거나 패키지 위에 방열판을 배치하는 것을 포함합니다.

BGA의 장단점

BGA 패키지의 장점:

더 작은 공간: BGA 패키지는 기존 리드형 패키지에 비해 돌출된 핀이 필요 없습니다. 스마트폰이나 노트북과 같은 소형 BGA 전자 제품의 경우, 더욱 컴팩트한 설계가 가능합니다.

더 높은 핀 수: BGA의 솔더볼은 패키지 바닥면 전체에 분산되어 있어 더 많은 연결을 수용할 수 있습니다. BGA 칩은 여러 개의 입력과 출력을 가지고 있어 많은 입출력 연결이 필요하기 때문에 이러한 BGA 칩이 필수적입니다.

향상된 전기적 성능: 더 나은 신호 무결성과 더 높은 작동 속도는 더 짧은 전기 경로 길이를 통해 가능합니다. 이는 다이(BGA 칩)와 PCB(인쇄 회로 기판) 사이에 솔더 볼이 직접 연결되어 발생하며, 특히 고주파 애플리케이션에 유용합니다.

향상된 방열: 일부 BGA는 종류에 따라 열 성능이 향상되었습니다. 예를 들어, 세라믹 BGA(CBGA)와 열 강화 BGA(TEBGA)는 이러한 소재를 사용합니다. 이를 통해 다이에서 PCB로 열이 전달되어 과열을 방지할 수 있습니다.

낮은 인덕턴스: BGA 솔더볼 레이아웃은 리드형 패키지보다 전체 인덕턴스가 낮습니다. 이는 고주파 회로에서 신호 왜곡을 줄여 시스템 성능을 향상시킵니다.

BGA 패키지의 단점:

제조 복잡성: 기존의 납 함유 패키지와 달리 BGA 패키징 공정은, 특히 미세 피치 볼이나 복잡한 열 관리 기능이 필요할 때 더 많은 제어가 필요합니다. 조립 과정에 정교한 장비를 갖추면 도움이 될 것입니다. 또한, 이는 제조 비용을 증가시킵니다.

검사 및 재작업 과제: BGA 패키지 솔더 접합부는 패키지 내부에 위치하기 때문에 육안 검사가 복잡합니다. 또한, 불량 BGA 부품을 납땜 제거하는 것이 납 부품을 교체하는 것보다 더 복잡하기 때문에 재작업이나 수리가 필요합니다.

스트레스에 대한 취약성: 열 팽창과 진동은 BGA에 기계적 응력을 발생시킵니다. 적절하게 설계 및 조립되지 않으면 결국 솔더 접합부에 결함이 발생할 수 있습니다.  

제한된 재사용성: 일반적으로 BGA는 PCB에 납땜된 후에는 쉽게 제거하여 재사용할 수 없습니다. 이는 프로토타입 제작 과정 등에서 부품을 자주 교체해야 하는 경우 단점이 될 수 있습니다.

환경적인 우려: 일부 BGA 패키지, 특히 구형 BGA 패키지는 솔더볼에 납을 함유하고 있습니다. 반면, 환경 문제로 인해 무연 솔더가 개발되었는데, 무연 솔더는 높은 용융 온도와 솔더 접합부 취성 등의 문제를 안고 있어 이러한 소재의 기계적 특성에 부정적인 영향을 미칩니다.

PCBasic의 BGA 품질 검사

PCBasic은 BGA 부품을 포함한 완벽한 PCB 조립 서비스를 제공합니다. BGA 솔더 접합부의 정확한 형성을 확인하기 위해 X선 검사도 품질 관리 조치의 일부로 사용될 가능성이 높습니다.

X선 검사를 통해 BGA 배선에 보이드, 균열 또는 납땜 부족과 같은 결함이 발견됩니다. 이를 통해 전기적 연결 불량 및 최종 조립 불량으로 이어질 수 있는 이러한 문제를 조기에 예방할 수 있습니다.

BGA(볼 그리드 어레이) 패키지 사용을 위한 PCB 설계 팁

발자국 디자인:

정확도: PCB 레이아웃에 BGA 패키지 풋프린트를 정확하게 고정해야 합니다. 제조업체의 데이터시트 사양을 따라야 합니다. 여기에는 솔더 볼 피치(볼 간 거리), 패드 직경, 스텐실 개구부 크기가 포함됩니다.

솔더 마스크: 솔더 볼 패드보다 약간 작은 솔더 마스크 구멍을 정의합니다. 솔더는 조립 중 솔더 넘침을 방지합니다.

스텐실 설계: PCB 제조업체와 협력하여 적절한 스텐실 두께를 결정하십시오. 이후 솔더 페이스트의 정확한 도포를 위한 개구부 크기를 결정하십시오.

열 방출 비아: BGA 패드 주변에 열 방출 비아를 사용하는 것을 고려해 보세요. 이렇게 하면 패키지의 열 방출이 향상됩니다.

레이어 스택업:

신호 무결성: 고속 신호에 대해 충분한 신호층과 제어된 임피던스 프로파일을 갖춘 적절한 레이어 스택업을 선택하여 신호 무결성을 유지하십시오. BGA 배선 시에는 신호 누화와 반사를 방지하기 위해 신중한 계획이 필요합니다.

전원 및 접지 평면: 안정적인 전력 공급과 노이즈 감소를 위해 별도의 전원 및 접지 평면을 제공합니다. 특히 고전력 BGA를 다룰 때 유용합니다.

비아 관리: 신호 경로 길이를 최소화하고 BGA 하부의 혼잡을 방지하기 위해 비아를 전략적으로 배치하십시오. BGA에서 내부 레이어로의 효율적인 라우팅을 위해서는 비아-인-패드(Via-in-Pad) 기술을 고려하는 것이 좋습니다.

라우팅 전략:

팬아웃 패턴: 미세 피치 BGA 볼에서 PCB 표면층의 더 넓은 트레이스로 전환할 때는 제어된 팬아웃 패턴을 사용해야 합니다. 일반적으로 사용되는 도그본(dog-bone) 또는 눈물방울 모양이 그 예입니다.

이스케이프 라우팅: BGA 패키지 신호에 대한 이스케이프 라우팅 경로를 효율적으로 계획합니다. 일반적으로 중요 신호의 우선순위를 정하고 기능 및 계층 할당에 따라 라우팅 채널을 할당하는 과정이 포함됩니다.

고속 고려 사항: 고속 신호의 경우 라우팅 경로 내에 임피던스 불연속성이 없는지 확인하려면 경로 전체에 걸쳐 일정한 임피던스를 유지하고 급격한 굽힘이나 길이 불일치를 최소화합니다. 중요한 차동 쌍에 대해 차동 라우팅 기술을 사용하는 것을 고려하십시오.

DFM(제조 가능성을 고려한 설계):

구성 요소 배치: 구성 요소는 X선 검사를 방해하지 않고 BGA 주변에 충분한 라우팅 여유 공간을 확보하기 위해 보드에 전략적으로 배치해야 합니다.

스텐실 설계: PCB 제조업체에서 스텐실 설계를 점검하여 모든 BGA 패드에 솔더 페이스트가 적절하게 증착되는지 확인하세요.

조립: BGA 패키지의 크기와 피치는 자동 조립 공정을 위한 PCB 설계 시 반드시 고려해야 할 요소입니다. 또한, 픽앤플레이스 장비를 위한 충분한 공간과 부품의 적절한 취급이 확보되어야 합니다.

테스트 가능성을 위한 설계(DFT):

테스트 포인트: 조립 후 전기적 테스트를 위해 BGA 신호에 대한 전용 테스트 포인트를 포함해야 합니다.

경계 스캔(JTAG): BGA에서 사용 가능한 경우 경계 스캔(JTAG) 기능을 사용하여 회로 내 테스트와 오류 감지가 가능합니다.

맺음말

BGA 패키지에 배선할 때는 필요한 신호층 수를 계산하고, 임피던스 제어를 위해 평면층과 인터리빙하는 것이 필수적입니다. 피치가 미세화됨에 따라 패드와 비아 크기가 줄어들어야 하며, 결국 마이크로비아 또는 비아-인-패드(via-in-pad) 기술이 필요하게 됩니다. 패드 크기와 솔더 마스크 개구부에 대한 권장 사항은 항상 데이터시트를 참조하고 제조업체에 문의하십시오.