BGA로 성공적으로 설계하는 방법

현재 FPGA 및 마이크로프로세서와 같은 다양한 고급 다기능 반도체 장치를 수용하는 표준적인 패키징은 BGA(Ball Grid Array, 볼 그리드 배열)입니다. BGA 패키지의 컴포넌트는 호스트 프로세서 또는 메모리와 같은 주변 장치 형태로 다양한 임베디드 설계에 사용됩니다. BGA는 오랫동안 칩 제조업체의 기술 발전에 발맞춰 대폭 발전해 왔으며, 여러 종류의 BGA 패키지가 다양한 장치를 위한 특수 리드리스 패키징에 사용되고 있습니다. 그러나 HDI 설계 및 레이아웃에서는 핀 수가 많고 핀 피치가 작은 BGA가 작업하기 가장 어려운 컴포넌트입니다.

BGA 패키지는 표준 BGA와 마이크로 BGA로 나눌 수 있습니다. 오늘날의 전자 기술에서 I/O 가용성에 대한 요구 사항이 높아지면서 숙련된 PCB 설계자조차 여러 레이어에서의 라우팅과 관련된 다양한 어려움에 직면하고 있습니다. BGA PCB 설계에 관한 이러한 문제를 성공적으로 극복하기 위해 사용할 수 있는 전략에는 어떤 것이 있을까요?

BGA로 PCB 레이아웃 시작하기

BGA는 장치의 메인 프로세서인 경우가 많고 기판의 다른 많은 컴포넌트와 인터페이스해야 할 수 있으므로, 일반적으로는 가장 큰 BGA 컴포넌트를 먼저 배치한 다음 PCB 레이아웃 배치를 계획하게 됩니다. 반드시 이 컴포넌트를 먼저 배치할 필요는 없으며 배치한 후에도 위치를 고정할 필요는 없지만, 가장 큰 BGA는 컴포넌트로의 라우팅에 사용할 레이어 수와 팬아웃 전략을 부분적으로 결정합니다.

BGA로 PCB 레이아웃을 시작할 때는 성공적인 라우팅을 위해 몇 가지 작업을 수행해야 합니다.

1. 신호 레이어 수: 스택업에 필요한 신호 레이어 수를 정하면 이는 평면 레이어 수와 설계에 따른 라우팅에 요구되는 트레이스 폭에도 영향을 미칩니다.
2. 팬아웃: 신호가 어떻게 BGA에 출입하나요? 제어 임피던스가 필요한가요? 이러한 질문은 스택업의 레이어 수를 결정하며, 이는 다시금 내부 레이어에서 트레이스를 라우팅하는 방식을 결정합니다.

설계 성능 및 자격 수준의 문제도 있습니다. BGA를 사용하는 고신뢰성 설계는 클래스 3/3A 또는 더 높은 제품별 신뢰성 표준을 충족해야 합니다. 예를 들어, 일부 밀 에어로 사양에는 IPC-6012 클래스 3 환형 링 요구 사항을 초과하는 패드 크기가 필요합니다. 따라서 공차, 환형 링 및 솔더 마스크 요구 사항으로 인해 표준 도그본(Dog-Bone) 팬아웃이 더 이상 작동하지 않을 수 있습니다.

설계 프로세스 초기에 이러한 사항을 염두에 두면 이제 세 가지 작업을 통해 BGA를 사용하여 PCB 레이아웃을 설계할 수 있습니다.

BGA 전략 1: 적절한 출구 경로 정의

BGA 레이아웃 및 라우팅의 주요 과제는 안정적으로 제조할 수 있고 조립 후 PCB 재작업이 발생하지 않는 적절한 출구 경로를 파악하는 것입니다. 레이어 수가 많은 BGA를 사용하는 경우 출구 경로 계획 시 여러 행의 핀을 통해 트레이스를 라우팅해야 합니다. 이러한 트레이스 중 일부는 고속 신호를 전송할 수 있으므로 크로스토크를 방지하려면 트레이스 사이에 적절한 간격을 두어야 합니다. 다른 신호는 서로 가깝게 클러스터링하더라도 크로스토크나 과도한 노이즈의 위험이 낮은 느린 구성 신호일 수 있습니다.

아래는 2개의 내부 레이어에 BGA 이스케이프 라우팅을 수행한 예입니다. 이 예에서는 이러한 내부 레이어에서 트레이스가 여러 개의 비아 행(2개 이상)으로 라우팅되는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 표면 핀으로는 라우팅하지 않는다는 점을 감안하면 적절합니다. 표면에서는 BGA 랜 패턴의 패드 크기, 공간 거리의 필요와 팬아웃 스타일(특히 도그본 팬아웃)로 인해 바깥쪽의 2개 행으로만 라우팅하는 것이 가장 일반적입니다.

도그본 팬아웃은 거친 피치 BGA를 위한 표준적인 방법이지만, 비아 인 패드는 표면 레이어에서 보다 큰 유연성을 제공합니다. 핀 피치가 작아질수록 핀 사이에서 각 레이어의 BGA에 도달하기 위한 트레이스 폭이 좁아집니다. 제어 임피던스 신호의 경우, 이는 더 얇은 적층판이 필요하며 궁극적으로는 BGA로 라우팅하려면 HDI 기술이 필요하다는 점을 의미합니다. 팬아웃 스타일은 결국 도그본에서 비아 인 패드로 변경될 것입니다. BGA 팬아웃 스타일과 일부 대체 브레이크아웃 방법에 대해 자세히 알아보려면 유용한 정보가 수록된 다음의 전공 서적을 읽어보세요.

• Pfiel, C. BGA Breakouts and Routing: Effective Design Methods for Very Large BGAs, 2nd Edition. Mentor Graphics (2010).

BGA 설계 작업 2: 접지 및 전원

대형 BGA에서는 여러 개의 핀이 접지 및 전원 전용으로 사용될 가능성이 높습니다. 특히 여러 개의 고속 디지털 인터페이스를 지원해야 하는 대형 프로세서를 비롯한 일부 컴포넌트의 경우 대부분의 핀이 전원 및 접지 전용일 수 있습니다. 또한 컴포넌트는 여러 전압 수준이 필요할 수 있습니다. 즉, 여러 공급 장치의 전원을 기판으로 라우팅해야 합니다. BGA에 대한 전원 연결을 관리하는 가장 쉬운 방법은 일반적으로 1개 또는 2개의 평면 레이어에서 전원 레일을 사용하는 것입니다. 얇은 유전체 분리가 있는 인접 레이어에 전원과 접지를 배치하면 높은 평면 간 전기 용량을 제공하여 전력 무결성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

BGA 아래의 출구 경로 또는 이스케이프 라우팅에 대해 이야기하는 경우가 많지만, BGA 핀 근처에 생성할 수 있는 라우팅 유형은 이것만이 아닙니다. 전원 레일, 접지면 레이어 또는 다각형에 대한 연결, 핀 간 라우팅을 모두 동일한 BGA 아래에서 수행해야 할 수 있습니다. 즉, 동일한 레이어에서 전원/접지에 대한 다각형 외에도 핀 간 라우팅이 있을 수 있습니다. 아래의 예를 확인해 보세요.

BGA 설계 작업 3: PCB 레이어 스택 정하기

BGA 핀아웃 및 BGA의 I/O 수를 통해 PCB 스택업에 필요한 레이어 수를 파악할 수 있습니다. 설계자는 제어된 임피던스 회선을 BGA로 라우팅하는 데 필요한 트레이스 폭을 파악한 후 임피던스를 유지하는 데 필요한 레이어 두께를 정할 수 있습니다. 여기에 BGA의 행 수를 더하면 PCB 스택업에 필요한 총 신호 레이어 수를 셀 수 있습니다.

일반적으로 BGA 장치의 첫 두 행은 비아가 필요하지 않으므로 표면 레이어에서 라우팅할 수 있습니다. 도그본 팬아웃, 비아 인 패드 또는 대체 팬아웃이 이러한 경우에 해당합니다. 그런 다음 BGA 전체에서 이 패턴을 반복하여 신호를 팬아웃하는 데 필요한 총 레이어 수를 파악할 수 있습니다. 일반적으로는 신호 핀 사이에 GND 핀을 인터리브하며, 필요한 경우 절연을 제공하기 위해 신호 레이어 사이에 GND를 인터리브해야 합니다. 아래 그래픽은 BGA에서 행을 세는 방법과 필요한 신호 레이어의 수를 파악하는 방법을 나타냅니다.

아래 예는 내부 행에서 일부 핀이 제거된 플립 칩 BGA를 나타냅니다. 이러한 볼 중 일부가 제거되었기 때문에 여기로 신호를 라우팅하여 내부 핀에 도달할 수 있습니다. 따라서 내부 레이어에서 2개 이상의 행에 액세스할 수 있습니다. 이 BGA의 주요 내부 정사각형은 전원 및 접지용이며 최소 2개의 레이어를 필요로 할 수 있습니다. 이러한 레이어와 백 레이어를 포함하면 이 BGA를 완전히 팬아웃하고 라우팅하는 데 필요한 총 레이어 수는 6개 이상입니다.

 

PCB를 위한 BGA 설계 전략 자세히 알아보기

BGA가 있는 PCB를 설계하는 것은 어려울 수 있지만, 이 과정은 PCB 레이아웃 전체에서 적절한 라우팅 형상과 간격이 유지되도록 DRC 엔진을 설정하는 것에서 시작합니다. HDI PCB의 BGA 라우팅에 대해 자세히 알아보려면 아래 리소스를 읽어보세요.

• HDI 설계 기본 사항 및 HDI PCB 제조 프로세스
• 신뢰성 높은 마이크로 비아로 고밀도 상호 연결 라우팅

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