서문
BGA 기술에 대한 연구는 1960년대에 시작되었습니다. 미국의 IBM이 먼저 사용했습니다. 하지만 BGA는 1990년대 초에야 실용화되었습니다.
1980년대에 사람들은 더 작은 전자 회로와 더 많은 입출력 핀을 원했습니다. 표면 실장 기술(SMT) 는 회로 조립에 가볍고, 얇고, 짧고, 작은 특징을 부여했습니다. 또한 SMT는 리드가 많은 부품의 핀 피치 및 동일 평면성에 대한 요구가 높아졌습니다. 그러나 가공 정확도, 제조 가능성, 비용 및 조립 공정의 한계로 인해 QFP(쿼드 플랫 팩) 부품의 피치 한계는 일반적으로 0.3mm로 여겨졌습니다. 이 한계는 고밀도 어셈블리 개발을 크게 제약했습니다. 또한 미세 피치 QFP 부품은 엄격한 조립 공정이 필요했습니다. 이로 인해 사용이 제한되었습니다. 이러한 이유로 일부 미국 기업들은 BGA 부품을 개발하고 사용하는 데 집중했습니다. 이들은 고밀도 요구 사항에서 BGA가 QFP보다 우수하다고 생각했습니다.
BGA란 무엇인가요?
BGA는 볼 그리드 어레이의 약자입니다. 이 패키지에서는 솔더 볼이 패키지 기판 하단에 그리드 형태로 만들어집니다. 이 볼은 장치와 인쇄 회로 기판(PCB) 사이의 I/O 연결 역할을 합니다. 이 방법으로 패키징된 부품은 표면 실장 장치입니다. 초기 CPU는 오늘날의 매우 기본적인 마이크로컨트롤러처럼 DIP 패키지를 사용했습니다.
오늘날 전자 산업의 급속한 성장으로 컴퓨터와 휴대전화가 보편화되었습니다. 사람들은 전자 제품에서 더 많은 기능과 강력한 성능을 원하지만, 동시에 더 작은 크기와 더 가벼운 무게를 원합니다. 따라서 제품은 더 많은 기능, 더 높은 성능, 더 작은 크기를 지향하게 됩니다. 이러한 목표를 달성하려면 IC 칩은 더 작고 복잡해져야 합니다. 그러면 회로 입출력 수가 증가하고 패키지 입출력 밀도가 높아집니다. 이러한 추세를 충족하기 위해 첨단 고밀도 패키징 기술이 탄생했습니다. BGA 패키징은 이러한 기술 중 하나입니다.
모든 IC 패키지 유형 중에서 1996년부터 2001년까지 가장 빠른 성장세를 보인 것은 BGA였습니다. 1999년에 BGA 생산량은 약 10억 개였습니다. 현재까지도 이 기술은 주로 고밀도, 고성능 디바이스에 주로 사용되고 있습니다. 더 미세한 피치와 더 많은 I/O 수로 계속 이동하고 있습니다. BGA 패키징은 주로 PC 칩셋, 마이크로프로세서/컨트롤러, ASIC, 게이트 어레이, 메모리, DSP, PDA, PLD 및 이와 유사한 장치에 사용됩니다.
패키지 재질별 BGA 유형
패키지 재질에 따라 BGA 장치에는 주로 다음이 포함됩니다:
PBGA(플라스틱 BGA)
CBGA(세라믹 BGA)
CCBGA(세라믹 컬럼 BGA)
TBGA(테이프 BGA)
CSP(칩 스케일 패키지 또는 μBGA)
PBGA - 플라스틱 볼 그리드 어레이
PBGA는 BT 수지/유리 라미네이트를 기판으로 사용합니다. 패키지는 플라스틱(에폭시 몰딩 컴파운드)으로 밀봉됩니다. 솔더 볼은 납 합금(예: 63Sn37Pb, 62Sn36Pb2Ag) 또는 무연 합금(예: Sn96.5Ag3Cu0.5)일 수 있습니다. 솔더 볼과 패키지 본체는 추가 납땜 없이 결합됩니다.
일부 PBGA 패키지에는 캐비티가 있습니다. “캐비티 업” 및 “캐비티 다운” 버전으로 제공됩니다. 이러한 캐비티 PBGA 패키지는 열 방출을 개선하며 열 강화 BGA 또는 EBGA라고 합니다. 일부는 CPBGA(캐비티 플라스틱 BGA)라고 부르기도 합니다.
PBGA의 장점:
PCB와의 열 정합성이 우수합니다. PBGA의 BT 수지/유리 라미네이트는 열팽창 계수(CTE)가 약 14ppm/°C입니다. 많은 PCB의 CTE는 약 17ppm/°C입니다. 두 값은 비슷합니다. 따라서 열 정합성이 좋습니다.
리플로 납땜 시 PBGA는 솔더 볼의 자체 정렬 효과를 사용합니다. 용융된 솔더의 표면 장력은 볼을 패드에 정렬하는 데 도움이 됩니다.
저렴한 비용.
전기적 성능이 우수합니다.
PBGA의 단점:
습기에 민감합니다. 밀폐 밀봉 또는 매우 높은 신뢰성이 필요한 장치에는 적합하지 않습니다.
CBGA - 세라믹 볼 그리드 어레이
CBGA는 BGA 제품군 중 가장 오랜 역사를 가지고 있습니다. 기판은 다층 세라믹입니다. 금속 뚜껑은 다이, 와이어 본드 및 패드를 보호하기 위해 밀봉 땜납으로 기판에 밀봉됩니다. 패키지의 솔더 볼 재료는 소스 텍스트에 10Sn90Pb로 표시된 고온 합금입니다. 볼과 패키지 본체 사이의 연결에는 63Sn37Pb와 같은 저온 합금을 사용합니다.
CBGA의 장점:
밀폐성이 우수하고 습기에 대한 저항성이 높습니다. 따라서 장기적으로 높은 신뢰성을 제공합니다.
PBGA보다 전기 절연성이 우수합니다.
PBGA보다 높은 패키지 밀도.
PBGA보다 열 방출이 우수합니다.
CBGA의 단점:
세라믹 기판과 PCB의 CTE는 많이 다릅니다. 열 불일치가 좋지 않습니다. 솔더 조인트 피로는 주요 고장 모드입니다.
PBGA보다 높은 비용.
패키지 가장자리 근처의 솔더 볼 정렬이 더 어려워집니다.
TBGA - 테이프 볼 그리드 어레이
TBGA는 캐비티 패키지입니다. TBGA에서 다이를 기판에 연결하는 방법에는 플립칩 솔더 본딩과 와이어 본딩의 두 가지가 있습니다. 플립칩에서는 다이가 다층 배선 연성 테이프에 접착됩니다. 회로 I/O 단자 역할을 하는 주변 어레이 솔더 볼은 플렉시블 테이프 아래에 배치됩니다. 두꺼운 밀봉 뚜껑은 방열판과 보강재 역할을 합니다. 이렇게 하면 플렉시블 기판 아래의 솔더 볼이 더 평평해집니다. 다이가 캐비티의 구리 열 스프레더에 접착됩니다. 다이 패드와 플렉시블 테이프 패드는 본딩 와이어로 연결됩니다. 실란트는 다이, 전선 및 플렉시블 테이프 패드를 포팅 또는 코팅으로 캡슐화합니다.
TBGA의 장점:
패키지의 유연한 테이프는 PCB 열팽창과 더 잘 어울립니다.
리플로 납땜은 솔더의 자체 정렬 효과를 사용할 수 있습니다. 용융된 볼의 표면 장력은 볼을 패드에 정렬하는 데 도움이 됩니다.
TBGA는 가장 경제적인 BGA 패키지입니다.
PBGA보다 열 방출이 우수합니다.
TBGA의 단점:
습기에 민감합니다.
패키지의 여러 재료 층은 안정성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
기타 BGA 유형
기타 패키지 양식에는 다음이 포함됩니다:
MCM-PBGA(다중 칩 모듈 PBGA)
μBGA(마이크로 BGA), 칩 스케일 패키지
SBGA(스택형 볼 그리드 어레이)
패키지 높이가 약 0.5mm로 칩 두께에 가까운 etBGA(초박형 BGA)
CTBGA, CVBGA(얇고 매우 얇은 칩 어레이 BGA) - 얇고 매우 얇은 BGA
표준 재작업
표준 SMD 재작업 시스템의 원리:
뜨거운 공기를 사용하여 표면 실장 장치(SMD)의 핀과 패드에 열을 집중시킵니다. 이를 통해 솔더 조인트를 녹이거나 솔더 페이스트를 역류시켜 부품을 제거하거나 납땜할 수 있습니다. 공급업체마다 재작업 시스템은 주로 열원과 열풍 흐름 패턴에 따라 다릅니다. 일부 노즐은 SMD 위로 뜨거운 공기를 분사합니다. 장치 보호 관점에서 보면 공기 흐름이 PCB 주변을 순환하는 것이 좋습니다. PCB 휨을 방지하려면 PCB를 예열할 수 있는 리워크 시스템을 선택하십시오.
BGA 재작업
이 섹션에서는 HT996 시스템을 예로 들어 BGA 재작업 단계를 요약합니다.
BGA 제거하기
납땜 인두로 PCB 패드에 남은 납땜을 깨끗이 닦고 수평을 맞춥니다. 필요에 따라 납땜 제거용 브레이드와 납땜 인두 팁을 사용합니다. 청소할 때 패드나 솔더 마스크가 손상되지 않도록 주의하세요.
특수 클리너를 사용하여 플럭스 잔여물을 제거합니다.
탈수(베이킹)
PBGA 부품은 습기에 민감합니다. 조립하기 전에 부품에 습기가 흡수되었는지 확인하세요. 습기가 있는 경우 베이킹 단계를 수행하여 습기를 제거합니다.
솔더 페이스트 인쇄
다른 부품이 이미 보드에 있으므로 특수 소형 BGA 스텐실을 사용합니다. 스텐실 두께와 조리개 크기는 볼 직경과 피치에 따라 달라집니다. 인쇄 후 인쇄 품질을 검사합니다. 좋지 않은 경우 PCB를 청소하고 건조시킨 다음 다시 인쇄합니다. 피치가 0.4mm 미만인 CSP의 경우 솔더 페이스트 인쇄를 생략할 수 있습니다. 이 경우 PCB 패드에 직접 플럭스 페이스트를 도포합니다.
PCB를 리플로우 오븐에 넣어 부품을 제거합니다. 리플로 프로그램을 실행합니다. 최고 온도에서 진공 픽업을 사용하여 부품을 제거합니다. PCB를 식힙니다.
패드 청소
납땜 인두와 납땜 제거용 브레이드를 사용하여 PCB 패드에 남아 있는 납땜 잔여물을 청소하고 수평을 맞춥니다. 패드나 솔더 마스크가 손상되지 않도록 주의하세요.
탈수(다시)
PBGA는 습기에 민감하므로 조립하기 전에 습기가 있는 부품이 있는지 확인하고 구워야 합니다.
솔더 페이스트 인쇄(다시)
이전과 마찬가지로 작은 BGA 전용 스텐실을 사용합니다. 스텐실 두께와 조리개는 볼 크기와 피치와 일치해야 합니다. 인쇄 후 인쇄 품질을 확인합니다. 만족스럽지 않은 경우 PCB를 세척하고 건조시킨 후 다시 인쇄합니다. 피치가 0.4mm 미만인 CSP의 경우 인쇄를 생략하고 패드에 플럭스 페이스트를 도포할 수 있습니다.
BGA 배치하기
BGA가 새 제품인 경우 수분 함량을 확인하세요. 축축한 경우 배치하기 전에 굽습니다.
일반적으로 제거된 BGA 부품은 재사용할 수 있습니다. 하지만 먼저 다시 볼링해야 합니다. BGA를 배치하는 단계:
A. 인쇄된 솔더 페이스트가 있는 PCB를 작업대에 놓습니다.
B. 적절한 노즐을 선택하고 진공 펌프를 켭니다. 노즐이 있는 BGA를 선택하고, BGA 바닥을 PCB 패드와 정렬한 다음, 노즐을 내리고 BGA를 PCB에 놓은 다음 진공을 끕니다.
리플로우 납땜
디바이스 크기와 PCB 두께에 따라 리플로 프로파일을 설정합니다. BGA 리플로우 온도는 일반적으로 기존 SMD 부품보다 약 15°C 정도 높습니다.
검사
BGA 솔더 조인트 품질은 일반적으로 X-레이 또는 초음파 장비로 검사합니다. 이러한 도구가 없는 경우 기능 테스트 또는 숙련된 육안 검사를 사용합니다.
완성된 PCB를 조명에 대고 BGA 가장자리를 확인합니다. 빛이 통과하는지, BGA와 PCB 사이의 간격이 측면에 균일한지, 솔더 페이스트가 완전히 녹았는지, 솔더 볼 모양이 일정한지, 볼이 무너지는 양을 살펴봅니다.
조인트가 반투명하지 않으면 패드 사이에 브릿징 또는 납땜 볼이 있을 수 있습니다.
볼 모양이 불규칙하거나 비뚤어지면 온도가 너무 낮을 수 있습니다. 납땜이 불완전하면 리플로우 중에 자동 정렬 효과가 발생하지 않을 수 있습니다.
볼 붕괴 수준은 리플로우 온도, 페이스트의 양, 패드 크기에 따라 달라집니다. 올바른 패드 설계를 사용하면 리플로우 후 정상적인 붕괴는 리플로우 전 볼 높이의 약 1/5에서 1/3 정도입니다. 붕괴가 너무 크면 온도가 너무 높아 브리징이 발생할 수 있습니다.
BGA 가장자리와 PCB 사이의 간격이 균일하지 않으면 패키지 주변의 온도가 균일하지 않습니다.
리볼링(솔더 볼 부착) 프로세스
BGA 하단 패드에 남아 있는 납땜을 제거하고 청소합니다.
납땜 인두를 사용하여 PCB 패드에 남은 납땜을 제거합니다. 납땜 제거용 브레이드와 납작한 납땜 인두 팁을 사용합니다. 패드나 솔더 마스크가 손상되지 않도록 주의하세요.
특수 클리너를 사용하여 플럭스 잔여물을 제거합니다.
BGA 하단 패드에 플럭스를 인쇄합니다.
스틱 및 납땜 보조 특성을 위해 고점도 플럭스를 사용하는 경우가 많습니다. 인쇄된 플럭스 패턴이 깨끗하고 퍼지지 않는지 확인합니다. 플럭스 대신 솔더 페이스트를 사용하는 경우도 있습니다. 페이스트를 사용하는 경우 페이스트의 금속 성분이 솔더 볼 금속과 일치해야 합니다.
인쇄할 때는 작은 특수 BGA 스텐실을 사용합니다. 스텐실 두께와 조리개는 볼 직경과 피치와 일치해야 합니다. 인쇄 후 인쇄 품질을 확인합니다. 좋지 않은 경우 청소하고 다시 인쇄합니다.
솔더 볼 선택
솔더 볼을 선택할 때는 볼의 재질과 직경을 고려하세요. PBGA 솔더 볼은 일반적으로 리플로 솔더에 사용되는 것과 동일한 합금인 63Sn/37Pb를 사용합니다. 따라서 디바이스 볼과 동일한 합금으로 된 볼을 선택하세요.
볼 크기 선택이 중요합니다. 고점도 플럭스를 사용하는 경우 디바이스 볼과 동일한 직경의 볼을 선택합니다. 솔더 페이스트를 사용하는 경우 디바이스 볼보다 약간 작은 볼을 선택합니다.
볼 부착
볼을 부착하는 방법에는 여러 가지가 있습니다:
A) 볼 머신 방식
볼 머신을 사용하는 경우 BGA 패드 레이아웃과 일치하는 템플릿을 선택합니다. 템플릿 구멍은 볼 직경보다 0.05~0.1mm 더 커야 합니다. 템플릿에 볼을 골고루 뿌립니다. 볼 머신을 흔들어 여분의 볼이 수집 트레이로 굴러 들어가도록 하여 각 구멍에 정확히 하나의 볼이 남도록 합니다.
템플릿을 작업대에 놓습니다. 진공 노즐로 인쇄된 플럭스 또는 페이스트 코팅된 BGA를 집어 올립니다. 페이스트 또는 플럭스가 디바이스 패드에 볼을 고정할 수 있도록 템플릿의 볼에 BGA를 정렬하고 내립니다. 핀셋을 사용하여 장치 프레임을 잡고 진공을 끕니다. 볼이 위로 향하도록 장치를 벤치에 놓습니다. 누락된 볼이 있는지 확인하고 필요한 경우 핀셋으로 추가합니다.
B) 템플릿 방법
플럭스 또는 페이스트 코팅된 BGA를 플럭스가 위를 향하도록 벤치에 놓습니다. BGA 패드 레이아웃과 일치하는 템플릿을 준비합니다. 템플릿 구멍은 볼 직경보다 0.05~0.1mm 더 커야 합니다. 템플릿을 쉼의 가장자리 주변으로 지지하여 BGA까지의 거리가 볼 직경과 같거나 약간 작아지도록 합니다. 현미경으로 정렬합니다. 템플릿에 볼을 골고루 뿌립니다. 핀셋으로 여분의 볼을 제거하여 각 구멍에 볼이 하나씩 남도록 합니다. 템플릿을 제거하고 확인하여 누락된 볼이 있으면 보충합니다.
C) 수동 배치
플럭스 또는 페이스트 코팅된 BGA를 벤치에 놓습니다. 일반 SMD 배치와 마찬가지로 핀셋이나 픽업 펜을 사용하여 볼을 하나씩 배치합니다.
D) 솔더 페이스트 인쇄 방법
스텐실을 더 두껍게 만들고 조리개를 약간 확대합니다. 솔더 페이스트를 BGA 패드에 직접 인쇄합니다. 리플로 후 표면 장력이 솔더 볼을 형성합니다.
리플로우
리플로우를 실행하여 솔더 볼을 장치에 고정합니다.
납땜 후 청소 및 취급
리볼링 후 BGA 장치를 깨끗이 청소합니다. 그런 다음 가능한 한 빨리 조립하고 납땜하세요. 이렇게 하면 솔더 볼이 산화되고 장치가 습기를 흡수하는 것을 방지할 수 있습니다.
요약
기술의 지속적인 발전으로 현대인의 삶은 전자제품과 밀접한 관계를 맺고 있습니다. 초소형 휴대폰, 소형 라디오, 휴대용 컴퓨터, 메모리, 하드 드라이브, CD 드라이브, 고화질 TV 등은 모두 소형화와 경량화를 요구합니다. 이를 달성하기 위해서는 생산 공정과 부품에 대한 연구가 필요합니다.
SMT(표면 실장 기술)는 이러한 트렌드에 부합하여 가볍고 얇고 짧고 작은 전자 제품의 토대를 마련했습니다. 1990년대에 SMT가 성숙된 이후 휴대성, 소형화, 네트워킹, 멀티미디어를 향한 전자 제품 트렌드는 조립 기술을 더욱 발전시켰습니다. 새로운 고밀도 조립 방법이 등장했습니다. BGA는 실용화 단계에 이른 고밀도 조립 방법 중 하나입니다. 이 기사에서는 BGA 어셈블리의 특징과 솔더 조인트 품질 관리에 대해 소개했습니다.