PCB의 BGA란 무엇일까요? BGA 기술 완벽 가이드

전자 산업에서 기술이 끊임없이 발전함에 따라 패키징은 효율성과 신뢰성을 결정하는 핵심 성공 요인 중 하나로 남아 있습니다. 지난 몇 년간 상당한 주목을 받은 이러한 기술의 한 예가 볼 그리드 어레이(BGA)입니다. 실제로 이 패키징 혁신은 인쇄 회로 기판(PCB)과 부품의 상호 연결을 크게 변화시켜 고밀도 및 고성능을 구현했습니다. 이 가이드에서는 BGA 기술의 장단점, 다양한 유형의 BGA 패키지, BGA 솔더링, 그리고 볼 그리드 어레이 검사 기술을 포함한 BGA 기술에 대한 간략한 개요를 살펴보겠습니다. 바로 시작해 보겠습니다.

PCB의 BGA(Ball Grid Array)란 무엇인가요?

볼 그리드 어레이는 실제로 제조에 사용되는 표면 실장 패키징의 한 유형입니다. 집적 회로패키지 주변부에서 뻗어 나오는 리드를 사용하는 다른 패키지와 달리, BGA는 패키지 아랫면에 격자 패턴의 솔더 볼을 사용합니다. 이 솔더 볼은 칩과 인쇄 회로 기판(PCB) 사이의 접점으로 사용됩니다.

일반적으로 사용되는 6가지 BGA 패키지 유형

시중에는 다양한 용도와 요구 사항에 맞는 다양한 유형의 BGA 패키지가 있습니다. 여기에서는 일반적으로 사용되는 여섯 가지 BGA 패키지 유형을 살펴보겠습니다.

1. PBGA(플라스틱 볼 그리드 어레이)

PBGA에서 기판은 BT 수지/유리 라미네이트이고, 패키징 소재는 플라스틱입니다. 이 유형의 BGA 패키지는 솔더 볼을 원하는 패키지에 연결하는 데 추가 솔더가 필요하지 않다는 것이 특징입니다. 다양한 애플리케이션에 적합한 경제적인 솔루션입니다.

2. 세라믹 BGA(CBGA)

CBGA는 다층 세라믹 기판을 기본 소재로 사용하는 전통적인 볼 그리드 어레이 패키징 방식의 일종입니다. 금속 덮개는 패키징 솔더를 사용하여 기판에 납땜되어 칩, 리드, 그리고 솔더 볼을 보호합니다. CBGA의 솔더 볼은 공정 솔더 소재로 제작되어 기판과 부품 간의 안정적인 연결을 제공합니다.

3. 마이크로 BGA(uBGA)

마이크로 BGA(µBGA)는 매우 작은 공간을 차지하는 고급 볼 그리드 어레이(BGA) 패키징 기술입니다. 칩 크기를 크게 줄이고, 열 관리 기능을 강화하며, 데이터 밀도를 높입니다. 이름에서 알 수 있듯이 µBGA는 주로 소형 전자 기기에 사용되며, 크기 제한이 있는 분야에서 필요한 향상된 성능을 제공합니다.

4. 테이프 BGA(TBGA)

테이프 볼 그리드 어레이(TBGA)는 경질 라미네이트 대신 유연한 테이프를 사용하는 BGA 패키징 기술입니다. TBGA는 고밀도 상호 연결과 더불어 더 나은 열/전기적 특성을 제공하는 가볍고 얇은 패키징을 제공할 수 있습니다.

5. 플립칩 볼 그리드 어레이(FC-BGA)

FC-BGA에서는 집적 회로가 뒤집혀 회로 기판에 납땜될 수 있습니다. 이 유형의 BGA 패키지는 솔더 볼이 기판에 연결되므로 열 및 전기 성능이 향상됩니다. PCB 패드 직접.

6. 패키지 온 패키지(PoP)

이러한 BGA 패키지는 여러 개의 집적 회로가 적층되어 있습니다. 각 IC는 자체 볼 그리드 어레이를 가지고 있어 수직 방향으로 부품을 집적할 수 있습니다. 모바일 기기와 같이 공간이 제한된 애플리케이션에 널리 사용됩니다.

BGA 기술의 장단점

장점

• 더 높은 밀도: 기존 패키지와 비교했을 때 BGA는 작은 공간에도 더 많은 부품을 연결할 수 있는데, 이는 현대 전자 장치에 매우 중요합니다.
• 향상된 열 성능: 솔더 볼은 특정 패턴으로 배열되어 열을 균일하게 공유하므로 일부 영역에서 과열 위험이 줄어듭니다.
• 인덕턴스 감소: BGA에서 연결 경로가 짧아지면 인덕턴스를 최소화하여 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다. 이는 특히 고주파에서 유용합니다.
• 더 나은 신뢰성: 리드형 패키지와 비교했을 때 BGA는 열 사이클링 과정에서 견뎌야 하는 기계적 스트레스가 적기 때문에 더 높은 신뢰성을 제공합니다.

단점

• 검사 과제: BGA 솔더 접합부는 패키지 아랫면에 위치하기 때문에 품질을 검사하기가 더 어렵습니다. 일부 납땜 문제는 육안으로만 확인하기 어렵습니다. 다음과 같은 특수 기술을 사용해야 합니다. 엑스레이 검사.
• 수리 복잡성: BGA 기술의 단점 중 하나는 수리 복잡성입니다. BGA 재작업 스테이션과 같은 전문 장비가 필요하며, 시간과 비용이 많이 드는 작업입니다.
• 매우 조심스러운 조립: BGA 납땜 공정 동안 작업자는 부품을 올바르게 장착하는 데 매우 주의해야 합니다. 실수가 있으면 성능에 영향을 미칠 수 있고 심지어 연결 불량으로 이어질 수도 있습니다.

볼 그리드 어레이를 회로 기판에 납땜하는 방법은?

높은 신뢰성을 확보하고 불량률을 최소화하기 위해서는 BGA 솔더링 공정을 엄격하게 관리하는 것이 매우 중요합니다. 다음은 BGA 조립을 위한 핵심 워크플로우와 중요한 기술적 고려 사항입니다.

납땜 전 준비

이 단계에서는 습도 조절에 특히 신경 써야 하는데, 플라스틱 볼 그리드 어레이(PBGA)는 습도에 민감하기 때문입니다. 내부에 습기가 있으면 리플로우 과정에서 급격한 가열로 인해 "팝콘 효과"가 발생하여 칩이 손상되거나 솔더가 튀어 오를 수 있습니다.

습기에 민감한 PBGA는 밀봉을 해제한 후 8시간 이상 방치할 경우 반드시 베이킹 처리를 해야 합니다. 베이킹 조건은 120°C ± 5°C에서 24시간 또는 80°C ± 5°C에서 48시간입니다.

솔더 페이스트 인쇄

솔더 페이스트 인쇄 공정은 BGA(볼 그리드 어레이)의 납땜 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 광범위한 통계 자료에 따르면, 다양한 BGA 납땜 공정 중 솔더 페이스트 인쇄가 전체 납땜 불량의 64%를 차지합니다. 부품 자체 불량은 6%, 부품 배치 및 리플로우 납땜은 각각 15%를 차지합니다.

납땜 페이스트가 과다하면 납땜 브리징 현상이 발생할 수 있습니다. 반대로 납땜 페이스트가 부족하면 냉접착과 같은 결함이 발생할 수 있습니다.

BGA 픽앤플레이스

BGA 접합부는 배치 후 육안으로 검사할 수 없으므로 정확한 정렬이 매우 중요합니다. 일반적으로 최신 픽앤플레이스 장비는 비전 시스템을 사용하여 솔더 볼의 중심과 PCB 패드의 중심을 정렬합니다. 일단 배치된 BGA는 수동으로 이동하거나 조정해서는 안 됩니다. 수동으로 이동하거나 조정하면 브리징이 발생하거나 솔더가 부족해질 수 있기 때문입니다.

리플로 납땜

BGA 칩이 기판에 완전히 장착되면 PCB는 리플로우 오븐으로 보내집니다. 제어된 가열 조건에서 솔더 페이스트가 녹고 냉각되면서 금속 결합이 형성됩니다. 기포 발생, 솔더 접착력 부족, 부품에 과도한 열 응력이 발생하는 등의 문제를 방지하기 위해 리플로우 프로파일을 엄격하게 제어해야 합니다.

납땜 후 검사

볼 그리드 어레이(GBA) 접합부는 패키지 아래에 숨겨져 있기 때문에 기존의 육안 검사만으로는 충분하지 않습니다. 솔더 접합부의 무결성을 확인하기 위해서는 일반적으로 X선 검사, 육안 검사, 전기 테스트 또는 기타 파괴 검사 방법이 필요합니다. 이에 대해서는 다음 섹션에서 자세히 설명하겠습니다.

알아두면 유용한 BGA 결함 8가지

다음은 볼 그리드 어레이 조립 과정에서 흔히 발생하는 납땜 불량 사례입니다.

냉간 납땜 접합: 일반적으로 표면이 고르지 않고 거칠며 광택이 없습니다. 현미경으로 보면 녹지 않은 납땜 입자를 관찰할 수 있습니다.

납땜하다 브리징: 인접한 두 개 이상의 솔더 볼이 의도치 않게 전기적으로 연결되었습니다.

습윤이 충분하지 않음: 솔더 페이스트가 패드를 제대로 적시지 못하고 합금 결합을 형성하지 못합니다. 결과적으로 BGA 솔더 볼이 패드와 적절한 전기적 연결을 형성하지 못합니다.

납땜 볼 누락: 리플로우 후 하나 이상의 솔더 볼이 완전히 없어져 접촉 불량이 발생할 수 있습니다.

미세 균열: 이는 납땜 접합면이나 BGA 칩과 솔더 볼 사이에서 발생할 수 있습니다.

오정렬: 솔더 볼이 PCB 패드와 제대로 정렬되지 않아 위치 오차가 발생합니다. 이로 인해 솔더 접합부의 기계적 강도가 저하될 수 있습니다.

배뇨: 납땜 볼 내부에 갇힌 기포는 내부 공극 형성을 유발할 수 있습니다.

베개에 머리를 파묻는 자세(HiP) 결함: 납땜 볼과 납땜 페이스트가 완전히 또는 부분적으로 융합되지 않아 베개 모양의 납땜 접합부가 형성됩니다. 이러한 결함은 검사가 어렵고, 이후 사용 중에 납땜 접합부가 파손될 가능성이 높습니다.

볼 그리드 어레이 검사 기술

일반적으로 볼 그리드 어레이(BGA)는 수백 개의 솔더 볼을 포함하며, 솔더 접합부에는 여러 유형의 솔더링 결함이 동시에 발생할 수 있습니다. 아래에서는 비파괴 검사와 파괴 검사로 크게 나뉘는 5가지 검사 기법을 소개합니다.

비파괴 검사

육안 검사

일반적으로 첫 번째 단계는 육안, 돋보기 또는 현미경을 사용하여 BGA 솔더 접합부의 가장 바깥쪽 열을 검사하는 것입니다. 그러나 육안 검사는 노동 집약적인 작업이며 정확한 정량적 평가를 제공할 수 없습니다. 따라서 이 방법은 일반적으로 고품질 및 고신뢰성 제품이나 대규모 검사 시나리오에는 적합하지 않습니다.

엑스레이 검사

비파괴 방식의 BGA(볼 그리드 어레이) 검사에서 "표준"으로 여겨지는 방법은 X선 검사입니다. 이 방법은 밀도 차이를 이용하여 솔더 볼의 내부 구조를 시각화합니다.

2D X선 검사는 5점 검사법을 사용하여 장치의 네 면과 중앙 5개 지점을 집중적으로 검사해야 합니다. 동시에 다른 영역에 대한 신속 검사도 수행해야 합니다. 먼저 BGA 장치의 전체적인 모습을 검사하여 볼 누락, 볼 정렬 불량 또는 솔더 브리징과 같은 결함을 확인합니다. 그런 다음, 국부적인 검사를 수행하여 솔더 볼 보이드 또는 기타 솔더 볼 이상을 확인합니다.

검사관은 2D X선 결과(솔더 접합부의 크기, 모양, 회색조 값 등)를 사용하여 3D 단층 촬영이 필요한지 여부를 판단합니다. 판단 기준은 다음과 같습니다. BGA 솔더 접합부가 정상적인 모양(원형)이고 크기나 회색조 값에 이상이 없는 경우입니다. 3D 단층 촬영은 솔더 접합부에 대한 추가 정보를 제공할 수 있지만 비용이 많이 들 수 있습니다.

전기 테스트

전기 테스트에서는 BGA 부품 내부의 저항 및 연속성을 포함한 여러 매개변수를 확인하기 위해 멀티미터 및 플라잉 프로브 테스터와 같은 특수 장비를 사용해야 합니다. 이러한 장비는 연결 성능 ​​문제를 발견하고 납땜 접합부가 제대로 작동하는지 점검하는 데 사용됩니다.

파괴적인 테스트

염색 및 박리 테스트

이 방법은 비용 효율적인 파괴적 분석법으로, 솔더 접합면의 상태에 대한 포괄적인 정보를 제공합니다. BGA에 고침투성 염료를 도포한 후, 솔더 접합부를 분리하여 내부 균열의 범위와 분포를 관찰합니다. 염료로 착색된 부분은 기존에 균열이나 분리가 존재했음을 나타냅니다.

금속 조직 단면 분석

금속 조직 검사는 대부분의 결함을 확실하게 확인할 수 있는 가장 정밀한 방법입니다. 단면 분석을 통해 얻은 정보는 결함이 공정상의 문제인지 재료상의 문제인지 판단하는 데 도움을 줍니다. 이를 통해 어느 단계에서 수정이 필요한지 결정할 수 있습니다. 하지만 금속 조직 검사에도 몇 가지 한계점이 있습니다. 검사 과정이 노동 집약적이며 비교적 고가의 장비가 필요합니다.

TestPcbas의 BGA 기능

TestPcbas는 정교한 BGA 조립 및 검사 기술을 자랑합니다. 최첨단 시설과 최신 기술을 활용하여 모든 조립 단계에서 정밀성과 품질을 보장하고 거의 모든 BGA 패키지를 처리할 수 있습니다. 당사의 BGA 서비스에는 맞춤형 BGA 조립, 최첨단 검사 기술, 엔지니어링 지원, 신속한 프로토타입 제작이 포함됩니다. 원스톱 BGA PCB 조립 서비스가 필요하시면 언제든지 문의해 주세요.

BGA 패키지 관련 FAQ

1. BGA와 다른 방식의 주요 차이점은 무엇인가요? LGA 패키지?

이들은 연결 방식, 핀 밀도, 열 성능 등 다양한 측면에서 차이가 있습니다.

BGA 특징:

솔더 볼을 사용하여 PCB에 직접 연결합니다.

높은 핀 밀도를 지원합니다.

검사 및 재작업은 비교적 어렵습니다.

PCB를 통한 우수한 열 방출

LGA 특징:

평평한 패드를 사용하여 접촉 또는 소켓 역할을 합니다.

더욱 손쉬운 교체 및 업그레이드가 가능합니다.

검사 및 재작업을 간소화합니다.

특히 소켓 설계 덕분에 기계적 신뢰성이 우수합니다.

2. BGA, QFP, QFN 중 어떤 IC 패키지 유형이 PCB 레이아웃에 가장 큰 어려움을 초래하며, 그 이유는 무엇입니까?

BGA 패키지가 가장 까다롭고, 그 다음으로 QFN, QFP 순입니다. BGA(볼 그리드 어레이) 패키지는 설계 및 생산에 있어 상당한 어려움을 야기하며, 그 다음으로 QFN 패키지가 뒤따릅니다. QFN은 QFP에 비해 크기가 작아 배선이 더 어렵습니다.

3. BGA 조립에서 리볼링이란 무엇입니까?

이는 BGA에서 오래되었거나 손상되었거나 불량인 솔더 볼을 제거하고 새 솔더 볼로 교체하는 것을 의미합니다. 이 공정에는 일반적으로 스텐실, 솔더 볼, 리플로우 오븐 또는 열풍기 등의 특수 장비와 재료가 필요합니다.

4. BGA PCB 레이아웃에서 도그본 팬아웃과 비아인패드 기법이란 무엇인가요?

도그본 팬아웃 기법은 일반적이고 비용 효율적인 옵션입니다. 이 기법은 짧은 트레이스가 BGA 패드에서 인접한 비아까지 뻗어나가는 방식(도그본 모양)입니다. 비아 인 패드는 비아를 BGA 솔더 패드에 직접 배치하는 고급 기술입니다.