BGA 작업: 디자인 및 레이아웃

Ball Grid Array(BGA 패키지)는 더 이상 컴퓨터 마더보드에 있는 크고 복잡한 칩의 전유물이 아닙니다. 오늘날에는 이러한 작은 솔더 볼을 사용하여 간단한 마이크로 컨트롤러도 사용할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 많은 애호가들은 납땜이 더 쉽기 때문에 QFP 및 QFN 패키지를 선호합니다. 이는 공정한 지적이지만 BGA 패키지는 상당한 공간 절약을 제공할 수 있으며 때로는 유일한 선택이기도 합니다. 지속적인 칩 부족으로 인해 일부 다른 패키지 버전을 사용하지 못할 수도 있습니다. 솔더링도 복잡할 필요는 없습니다. 이미 솔더 페이스트와 리플로우 프로파일에 익숙하다면 BGA 한두 개를 믹스에 추가하는 것은 매우 쉽습니다.

이 글에서 우리는 BGA 칩을 다루는 것이 보기만큼 어렵지 않다는 것을 보여줄 것입니다. 인쇄 회로 기판 설계, 즉 적절한 설치 공간을 그리는 방법, 많은 신호를 라우팅하는 방법 및 PCB 제조업체가 갖춰야 할 기능에 중점을 둡니다. 향후 기사에서 납땜 및 재작업 기술을 다룰 예정이지만 먼저 BGA가 사용되는 이유를 살펴보겠습니다.

1990년대 컴퓨터 기술이 발전하면서 PC 내부의 마더보드는 점점 더 복잡해졌습니다. 1980년대의 8비트 데이터 버스는 CPU, 메인 메모리, 하드 디스크 컨트롤러 및 디스플레이 어댑터와 같은 확장 카드 사이의 16비트, 32비트, 심지어 64비트 폭의 버스로 대체되었습니다. 이 버스는 모두 다양한 칩 안팎으로 운반되어야 했기 때문에 많은 핀이 필요했습니다.

당시 복잡한 칩의 일반적인 패키지는 양쪽에 갈매기 날개 모양의 핀이 길게 늘어선 QFP(쿼드 플랫 패키지)였습니다. 핀 수를 200개 이상으로 확장하면 이러한 패키지는 점점 더 다루기 어려워졌습니다. 내부 칩에 비해 크기가 매우 커졌을 뿐만 아니라 핀도 매우 작고 깨지기 쉽습니다. 대형 QFP 칩은 핀이 구부러지거나 칩을 납땜할 수 없게 되는 것을 방지하기 위해 조심스럽게 취급해야 했습니다.

BGA(Ball Grid Array) 패키지는 이러한 문제를 모두 해결하기 위해 개발되었습니다. 핀을 가장자리 주변에 펼치는 대신 패키지 하단의 그리드에 배치하면 훨씬 더 공간 효율적인 디자인이 가능합니다. 또한 솔더 볼은 작은 피치 QFP 패키지의 작은 핀보다 훨씬 더 견고합니다. 제조업체는 처음에는 제조 및 테스트 문제를 두려워했지만 BGA 패키지는 매우 신뢰할 수 있는 것으로 판명되었으며 이후 모든 유형의 전자 장비에 널리 사용됩니다.

1997년 빈티지 PC 마더보드의 일부를 보여주는 아래 그림은 QFP와 BGA 패키지 간의 면적 효율성 차이를 명확하게 보여줍니다. 왼쪽의 ATI VGA 컨트롤러에는 0.5mm 핀 피치의 208핀 QFP 패키지가 있습니다. 오른쪽에 있는 Ali M1531 시스템 컨트롤러는 훨씬 더 편안한 1.27mm 피치의 솔더 볼을 사용하여 BGA 패키지에 328핀을 장착합니다.

BGA 패키지는 일반적으로 인터포저(실제 칩과 칩이 장착되는 회로 기판 사이의 인터페이스 역할을 하는 작은 인쇄 회로 기판) 주위에 구축됩니다. 칩은 인터포저에 와이어 본딩되어 있으며 보호용 에폭시로 덮여 있습니다. 인터포저는 칩 가장자리에서 작은 땜납 볼이 부착된 바닥의 패드 배열로 신호를 라우팅합니다. 완성된 BGA 패키지는 인쇄 회로 기판 위에 배치되고 가열됩니다. 솔더 볼이 녹아 보드와 인터포저 사이에 연결이 생성됩니다.

초기의 일반적인 BGA는 볼 피치가 1.27mm였습니다. 기술이 향상됨에 따라 BGA 패키지는 인터포저가 칩 내부보다 그다지 크지 않을 때까지 점점 더 작아졌습니다. 이러한 소형화된 BGA는 칩 스케일 패키지(CSP)로 알려져 있으며 일반적으로 볼 피치가 1.0~0.5mm입니다.

그러나 소형화에 대한 탐구는 여기서 끝나지 않았습니다. 반도체 제조업체는 결국 인터포저를 전혀 사용하지 않는 플립칩 BGA 또는 WL-CSP(웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지)를 개발했습니다. 대신, 플립 칩 설계는 0.3mm만큼 작은 피치로 솔더 볼을 칩 표면에 직접 배치합니다. 그런 다음 칩은 뒷면에 에폭시 보호 층이 있거나 전혀 포장되지 않은 상태로 회로 기판에 거꾸로 장착됩니다.