Ball Grid Array(BGA) 기술

 

 

Ball Grid Array란 이차원적 평면에 격자 형식으로 분포된 솔더볼을 통하여 칩을 다음 레벨 패키지인 PCB 등과 전기적으로 연결하는 것을 말합니다. 따라서 BGA는 4면 주변만을 사용하는 주변형(peripheral) 형태보다 단위 패키지 면적당 매우 높은 수의 I/O 수를 가질 수 있으므로, 논리 소자와 같은 고성능소자 패키지에 적합합니다. 1980년대의 DIP 타입의 패키지는 약 1.2㎜의 I/O 리드 피치를 가지고 있어 100개 이하의 I/O만이 가능하였고, 주로 메모리 칩과 같은 저급의 기능소자에 적용되었습니다. 이후에 개발된 QFP은 DIP에 비해 표면실장 기술을 채택하고 피치를 0.5㎜까지 감소시켜 200개 이상의 I/O를 얻을 수 있었으나, 리드프레임의 디자인 문제와 주변 접속형의 한계에 의해 그이상의 I/O 수를 요구하는 소자의 경우에는 미세피치 기술(Fine Pitch Technology)을 요구하게 되었고 이에 따라 리드의 평탄성 문제 및 보드 조립 시 발생하는 조립결함이 증가하는 문제로 인해 그 적용이 점차 어려워지게 되었습니다. 한편, 1990년 이후에 본격적인 양산체재를 갖춘 TAB 패키지의 경우 0.2㎜의 미세피치를 도입하여 300개 이상의 I/O가 가능하였으나, TAB 패키지 역시 QFP와 같은 문제를 갖게 되어 현재 기술의 수준으로는 600여 개가 TAB 패키지의 I/O 수의 한계입니다. 이같이 미세피치 표면실장기술 또는 PGA 등의 패키지 방법으로는 보다 큰 수의 I/O 패키지를 보드에 조립함에 따르는 제조상의 문제로 인해 점차로 한계에 도달하게 되었습니다. 이에 따라 패키지 면적 전체를 격자형으로 사용하는 이른바 격자형 패키지의 개발이 필요하게 되었으며 이에 따라 개발된 것이 BGA라 불렸습니다.

 

BGA 패키지를 사용함에 따른 장점은 솔더볼을 사용하여 전기적 접속을 함으로 짧은 접속거리에 의해 QFP보다 낮은 인덕턴스(225 BGA(5 - 9 nH), 208 QFP(9 - 15 nH))와 커패시턴스(225 BGA(1.3 pf), 208 QFP(2.3 pf))를 갖으며, 또한 BGA 기판을 설계하는 과정에서 그라운드 면을 사용함으로써 전기적 성능이 높은 패키지가 가능해졌습니다. 한편 BGA는 열 방출 솔더볼을 칩 바로 밑에 넣어 직접적으로 열을 방출하여 열 특성도 우수하므로 BGA 패키지의 경우 냉각을 위한 팬을 제거할 수 있으며 같은 조건에서 표면 실장형 패키지 보다 더 오래 사용할 수 있습니다.

 

같은 면적을 가지는 1.2 mm 피치 BGA 패키지와 0.5 mm 피치 QFP를 비교해 볼 때 QFP의 경우 약 240개 I/O를 얻을 수 있는 반면 BGA의 경우는 패키지 전체 면적에 I/O의 전기적 접속이 가능하기 때문에 500개 이상의 I/O 수를 얻을 수 있으며, 만약 1㎜ 이하 피치의 BGA를 사용한다면 1000개 I/O까지도 기존의 기술 수준으로 얻을 수 있습니다.  또한 패키지 크기로 볼 때 313핀 BGA 패키지는 304 핀 PQFP 패키지에 비해 약 50% 보드면적에 해당됩니다. 이와 같이 BGA는 높은 I/O 수와 적은 패키지 면적의 장점과 비교적 조립이 용이한 피치로 인한 높은 조립 생산성 등의 장점을 갖고 있습니다.

그러나 BGA 문제점으로 솔더볼 연결부위에서의 응력발생과 이에 따른 신뢰성 문제 및 솔더볼의 결함을 검사하는 방법 및 재가공성 등이 해결해야 할 문제들로 지적되고 있습니다.

 

 

 

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