어떤 BGA 패드 및 팬아웃 전략이 귀하의 PCB에 적합한가요?

BGA 패키지에는 대형 프로세서부터 메모리, 심지어 작은 오디오 칩에 이르기까지 다양한 고급 구성 요소가 배치됩니다. 이러한 패키지는 구성 요소 아래의 패드에 도달하기 위해 팬아웃 및 이스케이프 라우팅 전략이 필요하며, 구성 요소로 라우팅하는 데는 제어된 임피던스가 필요할 수 있습니다. 이러한 구성 요소를 다루고 있다면, BGA로 올바르게 라우팅하기 위해 여러 가지 사항을 고려해야 합니다.

이 글에서는 BGA로 라우팅할 때 필요한 팬아웃 전략과 전통적인 도그 본 팬아웃을 사용할 수 없게 되는 볼 피치가 너무 작아질 때에 대해 살펴보겠습니다. 랜드 패턴이 충분히 작아지면, 패드 내 비아로 전환하고 결국 레이저로 드릴링한 비아와 HDI 영역으로 이동하게 됩니다.

BGA 팬아웃 옵션

PCB 설계 및 라우팅에서 "팬아웃"이라는 용어는 BGA 구성 요소의 랜드 패턴에서 라우팅 채널을 분리하는 것을 의미합니다. BGA 아래에서 라우팅 채널을 분리하는 두 가지 주요 방법이 있습니다:

1. 도그 본 팬아웃
2. 패드 내 비아

큰 피치에서는 도그 본 팬아웃을 사용할 수 있으며, 작은 피치에서는 패드 내 비아가 필요합니다. "큰"과 "작은"을 구분하는 기준은 볼 피치에 대해 명확하게 정해져 있지 않으며, BGA로 들어오는 트레이스 폭에 따라 달라집니다. BGA로 들어오는 트레이스 폭은 다이얼렉트릭 두께와 다이얼렉트릭 상수로부터 계산되는 제어된 임피던스의 필요성에 따라 달라집니다.

도그 본 팬아웃과 관련된 또 다른 팬아웃 스타일이 있는데, 여기서는 작은 패드가 45도 미만의 각도로 분리됩니다. 이는 0.5mm와 1mm 볼 피치 사이의 중간 범위 피치 BGA에서 볼 수 있지만, 반드시 필요한 것은 아닙니다. 도그 본 및 패드 내 비아 팬아웃과 이스케이프 라우팅의 핵심 개념을 마스터할 수 있다면, 이러한 표준 옵션에서 벗어난 다른 팬아웃 전략도 마스터할 수 있습니다.

도그 본 팬아웃

아래 이미지는 BGA 아래에 도그 본 팬아웃이 어떻게 배치되는지 보여줍니다. 이 이미지에서, 바깥쪽 2열/행 그룹의 패드는 BGA 착륙 패드로 직접 라우팅하는 데 사용될 수 있습니다. 내부 열/행에 있는 나머지 패드는 비아를 통해 내부 레이어를 통해 접근해야 합니다. 그런 다음 비아는 BGA의 솔더 패드에 다시 연결됩니다. 기술적으로, 도그 본은 모든 BGA 피치에 사용될 수 있지만, 실제로는 BGA 피치가 0.5mm에서 0.75mm보다 클 때 사용됩니다.

도그 본 팬아웃에서 패드 사이를 지나가려면, 트레이스가 구리 요소 사이의 클리어런스 한계를 위반하지 않고 패드 사이를 통과할 수 있을 만큼 얇아야 합니다. 구리 요소 사이의 클리어런스 한계는 제조 가능성과 제작 허용 오차에 기반합니다.

그렇다면, 트레이스의 너비는 얼마나 되어야 할까요? 아래 상황을 고려해 보세요. 여기서 트레이스는 두 구리 패드 사이를 라우팅되고 있습니다; 이것은 상단 레이어의 바깥쪽 두 열/행에 있는 BGA 패드일 수도 있고, 내부 레이어의 비아에 있는 비기능적 패드일 수도 있습니다. 주어진 패드 직경 D와 간격 d에 대해 이 두 요소 사이에 너비 W인 트레이스가 라우팅되고 있습니다.

제작 제한 f이 초과되어서는 안 되므로, 조건 d > f를 만족해야 합니다. 이를 사용하여 트레이스 폭의 상한을 계산할 수 있습니다:

이 결과는 이치에 맞습니다: 더 큰 피치는 더 넓은 폭을 허용하지만, 더 큰 제작 제한과 더 큰 패드 직경은 더 작은 트레이스 폭을 사용하도록 강제합니다. 이 값을 사용하여 PCB 스택업에서 사용해야 할 유전체 두께를 결정할 수 있습니다. 접근하는 인터페이스가 임피던스 제어되지 않는 경우, 패드/비아 사이를 지나갈 수 있는 폭으로 트레이스 크기를 조정하기만 하면 됩니다. 내부 레이어에서는 팬아웃 패턴에서 비아 사이의 트레이스를 얻기 위해 내부 레이어에서 비기능 패드를 제거해야 할 수도 있습니다.

패드 내 비아로 전환할 시기

이 질문은 풋프린트 설계와는 완전히 무관하며, 도그 본 팬아웃에서 볼 사이에 패드를 맞출 수 있는지 여부에 기반합니다. 볼 밀도가 높아져 패드 피치가 0.5mm에 가까워지면, 드릴 크기를 8밀(mils) 이하로 줄이지 않는 한 도그 본 팬아웃을 사용할 수 없습니다. 정확한 전환 한계는 사용할 수 있는 최소 드릴 크기와 필요한 패드 크기에 따라 달라지며, 클래스 2 또는 클래스 3 규정에 따른 링 링의 경우와 같습니다.

세밀한 피치의 경우, BGA 패드는 via-in-pad 기술을 사용하여 내부 신호 레이어에 연결할 수 있으며, 위의 트레이스 폭 계산이 여전히 적용됩니다. BGA 패드가 바이아 위에 직접 배치되면, 솔더 볼이 바이아로 흡수되는 것을 방지하기 위해 바이아를 채우고 도금 처리합니다. 이러한 바이아를 채워 도금과 바이아 내부 사이의 가장 강한 결합을 보장하는 것이 최선의 방법입니다. 이는 전도성 또는 비전도성 에폭시로 채울 수 있습니다. 높은 신뢰성이 요구된다면, 특정 운영 조건에 대해 어떤 유형의 채움을 추천하는지 제조업체에 확인하십시오.

• BGA를 사용한 설계에 대해 더 알아보기

SMD 대 NSMD BGA 패드

BGA용 착륙 패드는 피치의 기능으로 설계되어야 하며, 올바른 솔더 마스크 개구부로 설계되어야 합니다. 랜드 패턴을 설계할 때, 각 착륙 패드 아래에 BGA에 적절한 솔더가 축적되고 결합되도록 노출되어야 하는 최소한의 구리량이 있어야 합니다. 구리 패드 직경을 BGA 볼 크기의 약 80%로 설정하는 것이 좋다는 경험칙이 있지만, 아래 링크된 기사에서는 BGA 패드 크기가 정확히 얼마나 커야 하는지에 대해 더 구체적인 숫자를 제공합니다.

• BGA 랜드 패턴 설계에 대해 자세히 알아보기

PCB용 BGA 랜드 패턴을 설계하는 데 사용할 수 있는 패드 유형에는 두 가지가 있습니다. 솔더 마스크 정의(SMD) 패드는 패드의 가장자리에 소량의 솔더 마스크를 코팅합니다. 이는 BGA 랜드 패턴에서 노출된패드 크기를 효과적으로 줄이고 솔더 볼이 패드 위에 앉도록 합니다. 솔더 마스크의 이 얇은 링은 솔더 볼이 솔더 저항 위로 약간 높게 곡률을 갖도록 경사지게 합니다.

SMD 패드를 사용하는 두 가지 다른 장점이 있습니다:

1. 마스크의 개구부는 솔더링하는 동안 각 BGA 볼이 패드와 정렬할 수 있는 채널을 만듭니다
2. 겹치는 마스크는 열적 또는 기계적 스트레스로 인해 PCB에서 패드가 떨어지는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

둘 다 신뢰성 측면에서 유용합니다. 이 패드들은 라우팅을 위한 충분한 공간이 있다면 큰 피치의 BGA에도 괜찮습니다. 유전체 두께에 기반하여 트레이스 크기를 올바르게 설정했다면, SMD 패드가 있어도 BGA의 볼 사이를 라우팅할 수 있습니다. 이것을 비솔더 마스크 정의(NSMD) 패드와 비교해 보세요. NSMD 패드는 솔더링을 위해 패드의 전체 구리 영역을 노출합니다. 즉, 솔더 마스크 개구부는 패드만큼 크거나 더 클 수 있습니다. PCB 레이아웃에 BGA 패드의 어떤 유형을 배치하기 전에 항상 구성요소 데이터시트를 확인하세요.

BGA 패드를 외부 트레이스에 연결하는 팬아웃을 정의한 후, 이 트레이스는 PCB 상의 다른 구성 요소에 연결됩니다. BGA에서 빠져나오는 라우팅은 필요한 모든 트레이스를 수용하기 위해 일반적으로 여러 레이어가 필요합니다. 한 개의 PCB 레이어는 BGA 가장자리의 두 줄 두께의 정사각형을 라우팅하기에 충분합니다. BGA로 더 깊이 들어가는 다음 두 줄 정사각형은 자체 신호 레이어가 필요합니다. BGA 내부로 계속 이동함에 따라 이 패턴이 반복되며, PCB에 더 많은 신호 레이어가 추가되어야 합니다.

핀 수가 많고 피치가 세밀한 BGA에서는 BGA로 라우팅할 때 트레이스 폭을 조정해야 할 수 있습니다. 이 기술은 트레이스 폭이 BGA로 들어오면서 줄어드는 “네킹” 또는 "넥 다운"이라고 불립니다. 트레이스 중간에 폭이 변경되면 RF 테이퍼로 완벽하게 크기가 조정되지 않는 한 특성 임피던스 불연속이 발생합니다. 저속 또는 저주파 장치에서는 트레이스가 충분히 짧다면 그 넥 다운 영역을 따라 입력 임피던스가 무시할 수 있을 것입니다. 이것이 일부 BGA가 네킹을 피하기 위해 BGA 풋프린트 가장자리 주변에 제어된 임피던스 인터페이스를 배치하는 이유 중 하나입니다.

제어된 임피던스가 필요한 경우, BGA로 들어가는 데 필요한 네킹(necking)이 필요하지 않을 정도로 결과적인 트레이스 폭이 충분히 작도록 스택업 재료를 선택하는 데 집중해야 합니다. 고속 라우팅이 BGA에 수용될 수 있도록 재료 스택업이 항상 선택되는 것은 아니므로, 이에 대한 또 다른 기사를 곧 발행할 예정입니다.

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