PCB 비아 유형을 BGA 피치에 맞추는 방법

고밀도 PCB에서 스택업 설계를 좌우하는 주요 부품은 대개 BGA입니다. 특히 BGA 피치는 스택업을 어떻게 설계할지, 그리고 라우팅에 어떤 비아 스팬을 사용할지를 결정하는 핵심 요소입니다. BGA 패키지의 볼 피치 때문에 팬아웃 라우팅에 사용할 수 있는 비아 크기와 패드 크기에는 상한이 생깁니다. 또한 이는 팬아웃을 완료하기 위해 via-in-pad가 필요한지도 결정합니다.

저는 이 주제를 다른 맥락, 특히 풋프린트 설계와 트레이스 폭 선택 측면에서 다룬 적이 있지만, 이는 dog-bone 팬아웃과 볼 피치가 큰 패키지에만 해당되었습니다. 이 글에서는 다양한 피치 값과 그에 수용 가능한 비아 홀/패드 크기를 살펴보며 더 깊이 들어가 보겠습니다. 아래 논의를 통해 이것이 스택업 설계를 좌우하는 매우 중요한 요소이며, 표준 빌드, 서브 라미네이션 빌드 또는 HDI 빌드 중 무엇을 사용할 수 있는지를 결정할 수 있음을 알게 될 것입니다.

PCB 스택업과 BGA가 팬아웃 비아를 결정하는 방식

대형 BGA 패키지는 팬아웃 라우팅에 비아가 필요하기 때문에, 허용 가능한 비아 크기를 결정하는 주요 부품인 경우가 많습니다. 이러한 비아 없이는 패키지 내부 열의 핀까지 신호가 도달할 수 없으므로, 비아는 BGA 풋프린트 영역 내부에 들어가야 합니다. 비아 크기를 정하고 스택업 유형을 결정할 때는 다음 두 가지 요소의 균형을 맞춰야 합니다.

• BGA 패드와 비아 패드 사이의 클리어런스
• 드릴 직경을 기준으로 한 비아의 허용 종횡비

이는 항상 까다로운 최적화 문제입니다. 더 작은 클리어런스를 확보하려면 더 작은 비아 패드와 환형 링(annular ring)을 수용할 수 있도록 더 작은 드릴 직경이 필요하기 때문입니다. 그러나 더 작은 관통홀 드릴 직경은 구리 중량과 보드 두께에 따라 허용되지 않을 수 있으며, 이 경우 서브 라미네이션 또는 순차 라미네이션 스택업 빌드를 사용해야 합니다.

적절한 빌드 유형을 결정하고, 가능하다면 비용이 많이 드는 HDI 빌드를 피하기 위해 저는 다음과 같은 절차로 적절한 비아 크기, 비아 스팬, 빌드 유형을 결정합니다.

1. 선호하는 구리 중량 값을 기준으로 조립에 필요한 BGA 패드 크기를 결정합니다.
2. 관통홀 비아에 대해 dog-bone 및 via-in-pad 팬아웃 옵션에서 허용되는 최대 패드 크기를 결정합니다.
3. 환형 링 요구사항을 기준으로 각 팬아웃 옵션의 최대 드릴 직경을 결정합니다.
4. 허용되는 드릴 직경을 제안된 보드 두께와 비교하여 해당 종횡비로 제조 가능한지 판단합니다.
   1. 관통홀 기준에서 비아가 종횡비 한계 내에 있다면, 이 초기 설계는 허용 가능합니다.
   2. 관통홀을 가정했을 때 종횡비가 너무 크다면, 서브 라미네이션 빌드 또는 HDI 빌드를 고려합니다.
   3. 필요한 드릴 직경이 6 mil(0.15 mm)보다 작다면 HDI가 필요합니다.
5. 4b에서 블라인드 비아를 사용하는 서브 라미네이션 빌드를 선택했다면, 도금 후 최종 구리 중량을 결정하고 BGA 내부의 클리어런스가 여전히 충분한지 확인합니다.

두 가지 BGA 패키지를 사용한 비아 크기 산정 예시

이 섹션의 예시를 살펴보겠습니다. 여기서는 두 가지 부품, 즉 0.8 mm 피치 패키지와 0.5 mm 피치 패키지를 보겠습니다. 0.8 mm 피치 패키지는 1.0 mm 피치에 매우 가깝고, 두 경우 모두 매우 유사한 방식이 사용됩니다.

예시 1: 0.8 mm BGA 패키지

먼저 아래에 표시된 0.8 mm 피치 디바이스를 보겠습니다. 이 BGA는 대각선 방향을 따라 패드 가장자리 사이 거리가 X mm/Y mil입니다.

이처럼 큰 비아는 0.8 mm 피치 BGA에서 dog-bone 팬아웃에 사용할 수 있지만, 일반적으로는 더 작은 비아를 사용하는 경우가 많습니다.

클리어런스 한계를 0.1 mm/4 mil로 시작하면, dog-bone 팬아웃 또는 via-in-pad 팬아웃에서 패드 사이에 다음과 같은 비아 패드 및 드릴 크기를 배치할 수 있습니다.

• Dog-bone 팬아웃:
  • 최대 비아 패드 크기: 20.8 mil
  • 최대 비아 드릴 홀 크기: Class 2는 12.8 mil, Class 3는 10.8 mil
• Via-in-pad 팬아웃:
  • 최대 비아 패드 크기: 27.6 mil
  • 최대 비아 드릴 홀 크기: Class 2는 19.6 mil, Class 3는 17.6 mil

이러한 최대 홀 크기에서 Class 2 또는 Class 3 규격을 만족한다고 할 때(Class 3는 최대 IPC 생산성 수준을 가정), 제조업체 가이드라인 기준 허용 가능한 최대 종횡비는 일반적으로 10:1 또는 경우에 따라 12:1입니다. 대부분의 보드 제조업체에서는 최소 3 mm 두께까지는 관통홀 사용이 허용됩니다.

그보다 더 두꺼운 보드라면 어떻게 될까요? 그런 경우에는 기계 드릴 블라인드 비아를 사용하는 서브 라미네이션 빌드 또는 레이저 드릴 비아를 사용하는 HDI가 필요합니다. 이는 레이어 수와 무관하다는 점에 유의해야 합니다. 실제로 전체 레이어 수는 블라인드 및 매립 마이크로비아 적층 시의 신뢰성 요소를 제외하면 HDI 또는 서브 라미네이션 선택과는 관계가 없습니다.

예시 2: 0.5 mm BGA 패키지

이제 0.5 mm 피치 BGA 패키지를 살펴보겠습니다. 이 패키지에서는 표준 제조 역량을 가정할 때 BGA 풋프린트 내 패드 간 간격이 더 좁기 때문에 dog-bone 팬아웃을 사용할 수 없으며, 따라서 via-in-pad를 사용해야 합니다. 또한 이 피치에서는 팬아웃 영역으로 라우팅하기 위해 마이크로비아 사용도 필요합니다.

0.5 mm 피치 패드 어레이에서 dog-bone 팬아웃 구성의 10 mil 패드/5 mil 홀 비아.

동일한 0.1 mm/4 mil 클리어런스 한계를 적용하면, dog-bone 팬아웃에 넣을 수 있는 최대 비아 패드 크기는 10 mil입니다. 이는 랜드리스 비아를 사용하지 않는 한 기계 드릴링을 배제하게 되는데, 랜드리스 비아는 대부분의 제조업체에서 제공하지 않는 더 복잡한 공정입니다.

via-in-pad에서는 기계 드릴링을 사용할 수 있지만, 동일한 클리어런스 조건에서 허용되는 비아 패드 직경은 15.5 mil이며, 이를 통해 7.5 mil 비아 드릴로 Class 2 규격을 만족할 수 있습니다(공장이 최고 IPC 생산성 수준으로 운영된다고 가정). 이는 IPC 제품 등급과 제조업체 역량에 따라 8:1에서 10:1 정도의 더 큰 종횡비를 달성할 수 있습니다. 따라서 관통홀 제조가 가능할 수도 있고, 또는 

더 가능성이 높은 것은 dog-bone 또는 via-in-pad 중 하나에서 레이저 드릴 비아를 사용하는 것입니다. 신뢰성 측면에서는 via-in-pad보다 마이크로비아를 사용한 dog-bone을 선택하는 것이 일반적이지만, 원칙적으로는 둘 다 레이저 드릴 마이크로비아 제조에 사용할 수 있습니다.

• Dog-bone 팬아웃에서 기계 드릴링: 불가능
• Via-in-pad 팬아웃에서 기계 드릴링:
  • 최대 비아 패드 크기: 15.5 mil
  • 최대 비아 드릴 홀 크기: Class 2는 8 mil, Class 3는 6 mil
• Dog-bone 팬아웃에서 레이저 드릴링:
  • 최대 비아 패드 크기: 10 mil
  • 최대 비아 드릴 홀 크기: 드릴 깊이에 따라 다름, IPC 제품 등급은 제조업체 역량에 따라 달라짐
• Via-in-pad 팬아웃에서 레이저 드릴링:
  • 최대 비아 패드 크기: 15.5 mil
  • 최대 비아 드릴 홀 크기: 드릴 깊이에 따라 다름, Class 2 또는 Class 3 달성 가능

예시 1의 Via-in-Pad 추가 설명

예시 1에서는 일반적으로 최대 비아 크기를 결정하는 기준으로 dog-bone 팬아웃을 선호합니다. 이는 이 경우 via-in-pad가 보통 이점을 제공하지 않고 오히려 잠재적인 신뢰성 문제를 유발하기 때문입니다. 물론 더 큰 비아 패드 직경과 홀 직경을 사용할 수 있게 해주지만, 이는 더 두꺼운 PCB를 수용해야 하는 관점에서만 유용합니다. 종횡비가 고정된 상태에서 PCB가 두꺼워질수록 더 큰 드릴 직경이 필요합니다. via-in-pad를 사용할 경우, 클리어런스를 고려한 이론상 최대 비아 패드 직경은 0.7 mm/27.6 mil입니다. 이는 더 큰 드릴 홀 직경을 허용하지만, 실제로 이것이 꼭 필요한 경우는 흔하지 않습니다.

또한 via-in-pad에서 이렇게 큰 비아 직경을 사용하려면, 레이어당 BGA 핀 두 열을 라우팅할 공간을 확보하기 위해 내부 레이어의 비기능성 패드를 모두 제거해야 합니다. 다시 말해, via-in-pad에서 이러한 큰 비아를 사용하면 BGA 팬아웃에 필요한 레이어 수가 두 배로 늘어납니다. 이것이 표준 dog-bone 팬아웃에서 다소 더 작은 비아가 일반적으로 선호되는 이유입니다.

중간 수준의 BGA 피치 값

여기서 고려해야 할 중요한 핵심이 하나 있습니다. 특히 0.5 mm와 0.8 mm 사이의 중간 피치 값을 볼 때 그렇습니다. 이 피치 범위에서는 어떤 유형의 비아든 BGA 팬아웃에 적합할 가능성이 있습니다. 즉, 비아 유형을 결정하는 주된 요소는 피치가 아니라, 어떤 비아를 사용할 수 있는지를 제한하는 보드 두께, 종횡비, 클리어런스입니다.

마찬가지로 BGA 팬아웃에서의 비아 사용에 대한 논의는 종종 관통홀 비아와 블라인드/매립 마이크로비아 사이의 이분법적 선택으로 설명됩니다. 그러나 중간 범위의 BGA 피치 값에서는 기계 드릴 블라인드 비아 사용 가능성도 배제하지 마십시오. 기계 드릴 블라인드 비아를 사용하는 경우에는 단일 비아 스팬 BGA 팬아웃으로 제한하는 것이 가장 좋습니다. 각 비아 스팬마다 도금 공정이 필요하고, 이로 인해 표면 레이어의 구리 중량이 증가하며 완성된 구리 기준 허용 클리어런스가 줄어들기 때문입니다.

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자주 묻는 질문

모든 미세 피치 BGA에 레이저 드릴 마이크로비아가 필요한가요?

아니요. 다만 이는 “미세 피치”를 정확히 어떻게 정의하느냐에 따라 달라집니다. 피치가 0.5 mm 미만이면 PCB 제조에서 Class 2 또는 Class 3 규격을 충족하기 위해 마이크로비아가 필요합니다. 1.0 mm와 0.5 mm 사이에서는 기계 드릴 비아도 여전히 사용할 수 있지만, 이 경우 비아는 블라인드 비아일 수 있습니다.

미세 피치 BGA에는 항상 via-in-pad가 더 좋은가요?

아니요. via-in-pad가 때로는 필요하지만, 자동적으로 더 나은 선택인 것은 아닙니다. 이 글의 0.8 mm 피치 예시에서는 via-in-pad가 큰 이점을 제공하지 않고 신뢰성 문제를 유발할 수 있기 때문에 도그본 팬아웃이 더 선호됩니다. 더 큰 via-in-pad 구조는 내부의 비기능성 패드 제거를 강제할 수도 있으며, BGA를 팬아웃하는 데 필요한 라우팅 레이어 수를 늘릴 수도 있습니다.

IPC Class 2와 Class 3는 허용 가능한 BGA 비아 드릴 크기에 어떤 영향을 주나요?

IPC Class 2와 Class 3는 환형 링 요구사항이 달라지기 때문에, 주어진 패드 직경에서 허용할 수 있는 최대 드릴 크기를 바꿉니다. Class 3는 더 작은 허용 드릴 크기를 요구하는 방향으로 작용하므로, 종횡비 제한이 더 엄격해지고 HDI 또는 블라인드 비아 구조가 필요해질 가능성이 커집니다.

레이어 수가 많으면 PCB에 자동으로 HDI가 필요한가요?

아니요. 전체 레이어 수만으로 HDI 필요 여부가 결정되지는 않습니다. 실제로 영향을 주는 요소는 PCB에서 가장 작은 BGA 피치, 에칭 클리어런스 한계, 허용 가능한 비아 패드 및 드릴 크기, 보드 두께, 그리고 달성 가능한 종횡비입니다. 기계 드릴링에서 필요한 드릴 직경이 6 mil 미만이면 HDI가 필요합니다. 그렇지 않다면, 더 두껍거나 더 복잡한 보드에서도 표준 빌드 또는 기계 드릴 블라인드 비아를 사용하는 서브 라미네이션 빌드가 여전히 가능할 수 있습니다.