BGA 팬아웃 라우팅 설계 가이드

BGA 팬아웃 라우팅 설계 가이드

칩 하단에 자리한 수십에서 수백 개의 솔더볼을 보드 외부로 인출하는 이스케이프 라우팅은, 라우팅을 시작하기 전 부품과 층수를 선정하는 단계에서 성패의 상당 부분이 결정됩니다.

목차

1. 안쪽 볼은 갇혀 있다
2. 볼 사이 간극부터 계산한다
3. 도그본 팬아웃
4. Via-in-Pad와 비아 충전
5. 그래서 몇 층이 필요한가
6. 발주 전에 맞춰 볼 것들
7. 자주 나오는 실수
8. 마무리
9. 자주 묻는 질문

BGA는 핀이 패키지 측면이 아니라 하단에 격자 형태로 배열된 패키지입니다. QFP나 QFN은 가장자리 리드에서 트레이스를 측면으로 인출하면 되지만, BGA는 수십에서 수백 개의 솔더볼이 칩 하단에 위치하므로 사정이 다릅니다. 따라서 설계의 관건은 이 볼들을 보드 외부로 인출하는 방법, 즉 이스케이프 라우팅(escape routing)에 있습니다.

그림 1. QFP·QFN은 가장자리 리드를 측면으로 인출하면 되지만, BGA는 솔더볼이 칩 하단에 격자로 배열되어 있어 이를 보드 외부로 인출하는 방법이 설계의 관건이 됩니다.

인출 가능 여부는 라우팅을 시작하기 전에 대부분 결정되며, 부품을 선정하고 층수를 정하는 단계에서 이미 절반 이상이 판가름 납니다.

안쪽 볼은 갇혀 있다

가장자리 볼은 같은 층에서 외부로 곧장 빼낼 수 있어 비교적 단순합니다. 반면 안쪽 볼은 사방이 다른 볼로 둘러싸여 있어, 비아를 통해 다른 층으로 내려간 뒤 해당 층에서 인출해야 합니다.

그림 2. 가장자리 볼은 같은 층에서 곧장 인출되지만, 사방이 막힌 안쪽 볼은 비아를 통해 다른 층으로 내려가야 비로소 인출 경로가 확보됩니다.

난이도를 좌우하는 변수는 네 가지입니다. 볼 중심 간 거리인 피치, 전체 볼 수와 배열, 보드 측 패드 지름, 그리고 제조사가 허용하는 최소 선폭과 간격입니다. 이 네 가지를 확정하지 않은 채 라우팅을 시작하면, 작업을 상당히 진행한 뒤에야 안쪽 볼의 인출 경로가 없다는 사실을 발견하고 처음부터 다시 시작해야 하는 상황에 직면합니다.

볼 사이 간극부터 계산한다

가장 먼저 산출해야 할 값은 인접한 두 패드 사이의 간극으로, 피치에서 패드 지름을 빼서 구합니다.

패드 지름은 임의로 정하는 값이 아닙니다. 부품 데이터시트가 제공하는 권장 랜드 패턴은 대개 솔더볼 지름보다 다소 작게 설정되어 있으므로, 이 값을 기준으로 제조사 설계 규칙에 맞춰 조정합니다.

그림 3. 간극은 피치 − 패드 지름으로 산출합니다. 0.8mm 피치에 패드 지름 0.4mm이면 간극은 0.4mm이며, 선폭과 간격을 각각 0.1mm로 설정하면 트레이스 한 가닥이 통과합니다. 한 층에서 인출 가능한 열 수가 이 값으로 결정됩니다.

0.8mm 피치에 패드 지름이 0.4mm라면 간극은 0.4mm이며, 선폭과 간격을 각각 0.1mm로 설정하면 이 간극으로 트레이스 한 가닥이 통과합니다. 두 가닥을 통과시키려면 0.08mm 수준의 더 미세한 공정이 뒷받침되어야 하며, 한 층에서 인출할 수 있는 열 수는 바로 이 값에 의해 결정됩니다.

피치별 대략적인 기준은 다음과 같습니다. 1.0mm와 0.8mm는 표준 공정과 도그본 팬아웃으로 무리 없이 처리할 수 있습니다. 0.65mm부터는 패드와 비아 치수를 정밀하게 관리해야 하며, 0.5mm 이하에서는 Via-in-Pad 없이 이스케이프 라우팅을 구현하기 어렵습니다.

도그본 팬아웃

가장 보편적이고 경제적인 방식부터 살펴보겠습니다. 볼 패드 옆 여유 공간에 비아를 배치하고 짧은 트레이스로 패드와 연결하는 방식으로, 패드와 넥(neck), 비아가 이어진 형상이 개의 뼈를 닮아 도그본(dog-bone)이라 부릅니다. 신호는 이 비아를 통해 내부 층으로 내려가거나, 같은 층에서 그대로 외부로 인출됩니다.

그림 4. 패드와 넥, 비아가 이어진 형상이 개의 뼈를 닮아 도그본이라 부릅니다. 사분면마다 비아 방향을 외측으로 통일하지 않으면 라우팅 채널이 쉽게 엉킵니다.

표준 관통 비아만 사용하므로 추가 공정 비용이 발생하지 않습니다. 다만 유의할 점이 있습니다. 넥의 방향과 길이를 사분면별로 통일하지 않으면 비아 위치가 불규칙해져 라우팅 채널이 엉키므로, 일반적으로 각 사분면의 비아가 외측을 향하도록 일관되게 배치합니다.

한계 또한 명확합니다. 일반적으로 사용하는 0.3mm 드릴에 애뉼러 링을 더한 비아 랜드는 0.6mm 내외가 됩니다. 1.0mm 피치에서는 볼 사이 대각선 공간에 여유 있게 수용되지만, 0.65mm 수준에서는 더 작은 드릴과 최소화한 애뉼러 링으로 간신히 배치할 수 있습니다. 0.5mm에 이르면 배치 공간 자체가 확보되지 않아 사실상 적용이 불가능하며, 결국 공간적 여유가 있을 때만 유효한 방식입니다.

Via-in-Pad와 비아 충전

볼 사이에 비아를 배치할 공간이 없으면 패드 중앙에 직접 형성하는 방법밖에 없으며, 미세 피치 BGA에서는 사실상 유일한 해법입니다.

그림 5. 비아를 개방된 상태로 두면 리플로우 시 용융된 솔더가 홀로 흡입되어(solder wicking) 보이드와 오픈 불량이 발생합니다. 레진으로 충전한 뒤 상부를 도금으로 덮어 평탄화하는 처리가 POFV(plated over filled via), IPC-4761 Type VII입니다.

이 과정에서 가장 빈번하게 발생하는 문제가 비아를 개방된 상태로 방치하는 것입니다. 리플로우 시 용융된 솔더가 홀 내부로 흡입되면서(solder wicking) 솔더량 부족과 보이드, 심한 경우 오픈 불량까지 유발합니다. 따라서 Via-in-Pad는 레진으로 내부를 충전하고 상부를 도금으로 덮어 평탄화해야 하며, 이를 POFV(plated over filled via)라 하고 IPC-4761 기준 Type VII에 해당합니다.

조립 라인에서 검출되는 BGA 불량의 상당수는 실제로 이 처리를 누락한 설계에서 비롯됩니다. 표면적으로는 공정 문제로 보이지만, 근본 원인은 거버 파일에 있는 경우가 많습니다.

비용 측면도 고려해야 합니다. 충전과 도금이 추가되면 단가가 상승하고, 피치가 더 작아지면 마이크로비아와 HDI 공정까지 요구됩니다. 이 단계에서는 기술 검토와 예산 검토를 병행하는 것이 바람직합니다. 또한 충전 비아는 모든 공정 등급에서 기본으로 제공되는 옵션이 아니며, 발주 시 비아 처리 항목을 별도로 선택해야 하는 경우가 많으므로 설계 단계에서 지원 여부와 추가 비용을 미리 확인해 두는 것이 안전합니다.

그래서 몇 층이 필요한가

층수 산정에는 유용한 경험적 기준이 있습니다. 가장 바깥 한두 열은 top 층에서 인출되고, 그 안쪽은 신호층이 한 장 추가될 때마다 대략 두 열씩 추가로 인출되는 것으로 봅니다. 다만 이는 출발점일 뿐 확정값은 아니며, 차동 쌍이 많거나 임피던스 제약이 있는 경우 한 층에서 인출되는 열 수는 감소합니다.

그림 6. 신호층에는 항상 인접하여 기준 플레인을 배치하고, 상하 구조를 대칭으로 구성하면 리플로우 시 휨을 억제할 수 있습니다. 6층의 경우 신호·그라운드·신호·전원·그라운드·신호 구성이 무난합니다.

16×16, 256볼 풀 그리드를 예로 들어 보겠습니다. 가장 바깥 두 열에 해당하는 112핀은 top 층에서 처리됩니다. 남은 안쪽 144핀 중 전원과 그라운드가 절반 가까이를 차지한다면, 이들은 외부로 인출할 필요 없이 비아를 통해 해당 플레인에 직접 연결하면 되므로 인출 대상 신호가 그만큼 감소합니다. 나머지 신호를 두 열씩 나누어 내려보내면 내부 신호층 두세 장으로 정리되며, 여기에 top 층과 전원·그라운드 플레인을 더하면 약 6층 규모가 됩니다. 이 등급의 BGA가 6층 보드에 자주 적용되는 이유입니다.

핀 수가 적은 소형 BGA는 4층으로 마무리되는 경우가 많고, 0.8mm 피치에 400볼을 초과하면 6층에서 8층 범위로 설정해 시작하는 편이 안정적입니다. HDI를 적용하면 마이크로비아를 통해 한 층에서 더 조밀하게 인출할 수 있어 총 층수를 줄일 수 있으나 그만큼 단가가 상승하므로, 층수와 공정 비용을 절충하는 선택이 됩니다.

층수를 정할 때 함께 확정해야 할 항목이 두 가지 더 있습니다. 첫째는 리턴 패스입니다. 신호층 바로 옆에는 그라운드 또는 전원 기준 플레인이 인접해야 하는데, BGA 하단은 고속 신호가 집중되는 영역이므로 리턴 경로가 단절되면 신호 품질이 즉각 저하됩니다. 플레인을 분할하여 사용하는 경우에는 신호가 분할 경계를 가로지르지 않도록 배치합니다. 둘째는 적층 대칭입니다. 상하 구조가 비대칭이면 리플로우 열을 받을 때 보드가 휘며, 평탄도에 민감한 BGA 하단에서 이러한 휨은 곧바로 접합 불량으로 이어집니다. 6층의 경우 신호·그라운드·신호·전원·그라운드·신호와 같이 신호층마다 플레인을 인접시키는 대칭 구성이 무난합니다.

발주 전에 맞춰 볼 것들

설계 규칙이 제조사의 공정 능력을 벗어나면 지금까지의 계산은 모두 무의미해집니다. DRC는 입력된 규칙만 검사하므로 이상 없이 통과하지만, 실제 제조 단계에서는 생산이 불가능하거나 더 높은 공정 등급으로 상향되는 결과로 이어집니다.

따라서 실무 순서는 다음과 같이 진행하는 것이 안전합니다. 부품의 피치와 볼 수를 확인하고 볼 사이 간극을 계산한 뒤 필요한 선폭과 간격을 도출하고, 그 값이 제조사 표준 공정 범위에 포함되는지 검토합니다. 범위를 벗어나면 공정 등급을 상향하거나 부품을 재선정합니다. 견적을 좌우하는 항목은 대개 선폭과 비아 치수 두 가지이므로, 이 두 가지만 먼저 확정해도 단가가 크게 변동하지 않습니다.

JLCPCB에 발주할 계획이라면 설계 규칙을 확정하기 전에 공정 능력 페이지를 먼저 확인하시기 바랍니다. 최소 선폭과 간격, 최소 비아 치수, Via-in-Pad 충전 지원 여부, HDI 옵션, 층수 범위를 사전에 점검하고 설계 규칙을 이에 맞춰 조정합니다. 거버를 업로드하면 JLCDFM이 제조 관점의 문제를 자동으로 진단하며, EasyEDA에서 설계한 경우 발주까지 하나의 흐름으로 연결됩니다.

자주 나오는 실수

현장에서 반복적으로 나타나는 대표적인 실수를 정리했습니다.

• Via-in-Pad를 충전 없이 일반 비아로 발주하여 솔더 흡입과 보이드를 유발합니다.
• 층 계획 없이 바깥 열부터 라우팅을 시작해, 안쪽에서 막히면 전체를 재작업하게 됩니다.
• 제조사 최소 선폭보다 가는 규칙으로 설계하여, DRC를 정상 통과하더라도 제조 단계에서 문제가 됩니다.
• 신호층에 인접한 기준 플레인을 배치하지 않습니다.
• 비아 안티패드를 과도하게 확대하여 전원 플레인을 손상시키고, 전류 경로와 임피던스를 함께 저하시킵니다.
• 데이터시트 권장 랜드 패턴을 무시하고 패드를 임의로 확대하여, 볼 사이 간극이 줄고 트레이스가 통과할 채널이 사라집니다.
• 적층을 비대칭으로 구성하여 리플로우 시 휨을 유발합니다.

마무리

라우팅이 막혔을 때 트레이스를 무리하게 추가하는 방식은 대개 해결책이 되지 못합니다. 피치와 볼 수에서 볼 사이 간극이 결정되고, 이를 기준으로 도그본과 Via-in-Pad 중 무엇을 적용할지 갈리며, 그에 따라 층수와 적층이 정해진 뒤 마지막으로 제조사 공정 능력으로 검증하는 흐름입니다. 이 과정의 절반은 부품을 선정하는 시점에 이미 결정되므로, 설계가 풀리지 않을 때는 부품 선정과 층수부터 재검토하는 편이 빠릅니다.

자주 묻는 질문

Q. BGA 이스케이프 라우팅은 왜 어려운가요?

가장자리 볼은 같은 층에서 외부로 인출할 수 있어 단순하지만, 안쪽 볼은 사방이 다른 볼로 둘러싸여 있어 비아를 통해 다른 층으로 내려간 뒤 해당 층에서 인출해야 하기 때문입니다.

Q. 볼 사이 간극은 어떻게 계산하나요?

피치에서 패드 지름을 빼면 됩니다. 0.8mm 피치에 패드 지름이 0.4mm이면 간극은 0.4mm이며, 선폭과 간격을 각각 0.1mm로 설정하면 이 간극으로 트레이스 한 가닥이 통과합니다.

Q. 도그본과 Via-in-Pad는 각각 언제 적용하나요?

1.0mm와 0.8mm 피치는 표준 공정과 도그본 팬아웃으로 처리할 수 있습니다. 0.65mm부터는 패드와 비아 치수를 정밀하게 관리해야 하며, 0.5mm 이하에서는 Via-in-Pad 없이 이스케이프 라우팅을 구현하기 어렵습니다.

Q. Via-in-Pad는 왜 충전해야 하나요?

개방된 상태로 두면 리플로우 시 용융된 솔더가 홀로 흡입되어 솔더량 부족과 보이드, 심한 경우 오픈 불량을 유발합니다. 따라서 레진으로 내부를 충전하고 상부를 도금으로 평탄화해야 하며, 이를 POFV(IPC-4761 Type VII)라 합니다.

Q. BGA에는 몇 층이 필요한가요?

가장 바깥 한두 열은 top 층에서 인출되고, 안쪽은 신호층이 한 장 추가될 때마다 약 두 열씩 추가로 인출됩니다. 256볼 풀 그리드는 약 6층, 핀 수가 적은 소형은 4층, 0.8mm 피치에 400볼을 초과하면 6층에서 8층 범위로 시작하는 편이 안정적입니다.

Q. 발주 전에 무엇을 확인해야 하나요?

제조사의 공정 능력을 먼저 확인합니다. 최소 선폭·간격, 최소 비아 치수, Via-in-Pad 충전 지원, HDI, 층수 범위를 점검하고 설계 규칙을 이에 맞춰 조정합니다. DRC는 입력된 규칙만 검사하므로, 이 절차를 생략하면 검증을 통과하더라도 제조 단계에서 문제가 발생할 수 있습니다.