BGA 개요
BGA는 칩 패키지의 한 유형으로, 영어로 Ball Grid Array의 줄임말입니다. 패키지 핀은 패키지 하단에 있는 볼 그리드 어레이이며, 구형이고 격자 모양으로 배열되어 있어 BGA라는 이름이 붙었습니다.
많은 마더보드 제어 칩이 이러한 유형의 패키징 기술을 사용하며, 재료는 대부분 세라믹입니다. BGA 기술로 패키징된 메모리는 부피 변화 없이 메모리 용량을 두세 배까지 늘릴 수 있습니다. TSOP에 비해 BGA는 부피가 작고 방열 성능이 우수하며 전기적 성능도 뛰어납니다.
BGA 패키지 패드 라우팅 설계
1. BGA 패드 간 라우팅
설계 과정에서 BGA 패드 간격이 10mil 미만으로 설정되어 있으며, 두 BGA 사이에는 라우팅이 허용되지 않습니다. 라우팅 선폭 간격이 생산 공정 용량을 초과하기 때문입니다. 라우팅을 해야 하는 경우, BGA 패드는 줄여야 합니다. 생산 초안을 작성할 때 충분한 간격을 확보해야 BGA 패드를 절단할 수 있습니다. 패드는 특수 형상으로 절단되므로 후속 용접 시 용접 위치가 부정확해질 수 있습니다.
2. 패드 내부의 비아를 레진 플러깅으로 채웁니다.
BGA 패키지의 패드 간격이 좁아 배선 배선이 불가능한 경우, 패드 내부에 비아(via)를 설계해야 합니다. 즉, 패드에 구멍을 뚫고 내부층이나 하부층에서 배선을 배선합니다. 이때 패드 내부의 비아는 레진 플러깅(resin plugging) 및 전기 도금으로 채워야 합니다. 패드 내부의 비아에 레진 플러깅 공정을 적용하지 않으면 패드 중앙에 구멍이 생기고 용접 면적이 좁아 용접 시 용접 불량이 발생하여 주석(sin)이 누출될 수 있습니다.
3. 플러깅을 통한 BGA 영역
BGA 패드 영역의 비아는 일반적으로 플러깅(plugging)이 필요합니다. 샘플의 경우, 비용과 생산의 어려움을 고려하여 기본 비아에 오일을 도포합니다. 플러깅 방법은 잉크 플러깅(ink plugging)입니다. 플러깅의 장점은 홀 내 이물질 유입을 방지하고 비아의 수명을 보호하는 것입니다. 또한, SMT 패치를 리플로우할 때 비아 주석(via tin)이 반대쪽 면에 단락을 발생시킵니다.
4. 패드 내부를 통한 HDI 설계
핀 간격이 비교적 작은 BGA 칩의 경우, 공정상 핀 패드를 배선할 수 없는 경우, 패드에 직접 비아를 설계하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 휴대폰 기판의 BGA 칩은 핀이 많고 핀 간격이 좁아 핀 중앙에서 배선을 배선하는 것이 불가능합니다. PCB 설계에는 HDI 블라인드 베리드 홀 배선 방식만 사용할 수 있습니다. BGA 패드는 플레이트에 구멍을 뚫고, 내부 층은 베리드 홀을 뚫은 후, 내부 층을 배선 및 연결하는 방식입니다.
BGA 용접 공정 품질
1. 솔더 페이스트 인쇄
솔더 페이스트 인쇄의 목적은 PCB 패드에 적정량의 솔더 페이스트를 고르게 도포하여 패치 부품과 해당 PCB 패드가 리플로우 납땜되어 양호한 전기적 연결과 충분한 기계적 강도를 확보하도록 하는 것입니다. 솔더 페이스트를 인쇄하려면 철망을 만들어야 합니다. 솔더 페이스트는 철망의 각 패드에 해당하는 구멍을 통과하고, 스크레이퍼를 사용하여 주석을 각 패드에 고르게 도포하여 양호한 용접을 달성합니다.
2. 장치 배치
소자 배치는 패칭(Patching)으로, 솔더 페이스트나 패치 접착제가 인쇄된 PCB 표면의 해당 위치에 칩 부품을 정확하게 배치하기 위해 배치 장비를 사용하는 것을 말합니다. 고속 배치 장비는 커패시터, 저항 등과 같은 소형 및 대형 부품의 실장에 적합하며, 일부 IC 부품도 실장할 수 있습니다. 범용 배치 장비는 QFP, BGA, SOT, SOP와 같은 이종 또는 고정밀 부품의 실장에 적합합니다. PLCC 등
3. 리플로우 솔더링
리플로우 솔더링은 표면 실장 부품의 솔더링 끝단과 PCB 패드 사이에 기계적, 전기적 연결을 형성하여 전기 회로를 형성하기 위해 회로 기판 패드 위의 솔더 페이스트를 녹이는 공정입니다. 리플로우 솔더링은 SMT 생산의 핵심 공정입니다. 리플로우 솔더링의 품질을 보장하려면 적절한 온도 곡선 설정이 필수적입니다. 부적절한 온도 곡선은 PCB 기판에 불완전한 솔더링, 냉납, 부품 뒤틀림, 과도한 솔더 볼 등과 같은 용접 결함을 유발하여 제품 품질에 영향을 미칩니다.
4. X선 검사
X선은 거의 모든 공정 결함을 검사할 수 있습니다. X선의 투시 특성을 통해 솔더 접합부의 형상을 확인하고 컴퓨터 라이브러리의 표준 형상과 비교하여 솔더 접합부의 품질을 판단할 수 있습니다. 이는 특히 BGA 및 DCA 부품의 솔더 접합부 검사에 유용합니다. X선 검사는 테스트 금형이 필요하지 않으므로 대체할 수 없는 역할을 합니다. 하지만 X선 검사 비용이 현재 상당히 높다는 단점이 있습니다.
BGA 용접 불량의 이유
1. 가공되지 않은 BGA 패드 홀
BGA 용접 패드에 구멍이 있습니다. 용접 과정에서 솔더볼이 솔더와 함께 손실될 수 있습니다. PCB 생산 시 적절한 저항 용접 공정이 부족하여 솔더와 솔더볼이 용접 기판 근처의 구멍을 통해 빠져나가 솔더볼이 손실될 수 있습니다.
2. 다양한 패드 크기
BGA 솔더 패드의 크기가 서로 다르면 용접 공정의 수율에 영향을 미칠 수 있습니다. BGA 패드의 리드아웃 와이어는 패드 직경의 50%를 초과해서는 안 되며, 전원 패드의 리드아웃 와이어는 0.1mm 이상이어야 합니다. 또한 용접 패드의 변형을 방지하기 위해 와이어 두께를 두껍게 해야 합니다. 또한, 용접 차단창은 0.05mm를 초과해서는 안 되며, 구리 표면의 개구부는 회로 패드의 크기와 일치해야 합니다. 그렇지 않으면 BGA 패드의 크기가 서로 다르게 제작되어 용접 공정 중 문제가 발생할 수 있습니다.
wonderfulpcb DFM 서비스 BGA 칩 용접 솔루션 소개
1. 패키징된 패드인패드 홀
wonderfulpcb DFM Services의 원클릭 분석 기능은 설계 파일에 패드-인-패드 홀이 있는지 감지하고, 설계 엔지니어에게 패드-인-패드 홀 수정 필요 여부를 알려줍니다. 패드-인-패드 홀 설계는 제조 비용이 높기 때문에 종종 기피되는 경우가 많습니다. 패드-인-패드 홀을 일반 홀로 변경할 수 있다면 제품 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 이 시스템은 제조 보드 공장에 패드-인-패드 홀 설계에 레진을 충전해야 하며, 패드-인-패드 홀 생산 공정을 사용해야 함을 알려줍니다.
2. 패드 대 핀 비율
wonderfulpcb DFM Services 어셈블리 분석은 설계 파일에서 실제 장치 핀 대비 BGA 패드 크기 비율을 감지합니다. 패드 직경이 BGA 핀의 20% 미만이면 용접 불량으로 이어질 수 있습니다. 반대로 25%를 초과하면 배선 공간이 너무 좁아집니다. 이러한 경우 설계 엔지니어는 BGA 핀 직경 대비 패드 직경 비율을 조정해야 합니다.
wonderfulpcb DFM Services는 BGA 패드 납땜성 솔루션을 제공하여 사용자가 생산 전에 BGA 설계 파일의 납땜성을 검토할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 조립 과정에서 납땜성 문제를 방지하고 BGA 칩이 납땜성 품질 수율 기준을 충족하도록 보장합니다.
BGA 용접 공정 품질
1. 솔더 페이스트 인쇄
솔더 페이스트 인쇄의 목적은 PCB 패드에 적정량의 솔더 페이스트를 고르게 도포하여 패치 부품과 해당 PCB 패드가 리플로우 납땜되어 양호한 전기적 연결과 충분한 기계적 강도를 확보하도록 하는 것입니다. 솔더 페이스트 인쇄에는 철망이 사용됩니다. 솔더 페이스트는 철망의 각 패드에 해당하는 구멍을 통과하고, 스크레이퍼를 사용하여 주석을 각 패드에 고르게 도포하여 양호한 용접을 달성합니다.
2. 장치 배치
소자 배치는 패칭(Patching)으로, 솔더 페이스트나 패치 접착제가 인쇄된 PCB 표면의 해당 위치에 칩 부품을 정확하게 배치하는 배치 장비를 사용하는 것을 말합니다. 고속 배치 장비는 커패시터, 저항, 일부 IC 부품과 같은 소형 및 대형 부품의 실장에 적합합니다. 범용 배치 장비는 QFP, BGA, SOT, SOP와 같은 이종 또는 고정밀 부품의 실장에 적합합니다. PLCC 등
