혼합 QFN 및 Micro-BGA 레이아웃에 대한 재시작을 방지하는 DFM 이동

보드 재생산 비용은 불량 판넬과 지연 일정 그 이상입니다. 쿼드 플랫 노리드(QFN)와 마이크로 볼 그리드 어레이(BGA) 패키지가 혼합된 제품의 경우, 최초 제작 수율 절벽은 대부분의 설계팀이 예상하는 것보다 가파릅니다. 이 두 패키지 계열은 인쇄, 부품 배치, 리플로우 후 검사 등 제조의 거의 모든 측면에 상충하는 요구를 부과합니다. QFN의 큰 열전 패드에 최적화된 스텐슬 조절구는 마이크로 BGA의 미세 간격 볼을 납땜에 잠기게 합니다. 정규 조립에 충분한 보드 레일은 무거운 스텐실이 두 패키지 타입을 가로지를 때 필요한 강성을 갖추지 못할 수 있습니다.

이 충돌은 패키지 자체에 뿌리를 두고 있습니다. QFN은 한쪽 면이 5mm 이상인 큰 열전 패드에 고용량의 페이스트를 요구하며, 0.4mm 이하의 피치로 주위 패드에 정밀한 적재를 요구합니다. 반면 마이크로 BGA는 수백 개의 납땜 볼을작은 크기의 풋프린트에 배포하며, 피치는 0.5mm 이하로 작은데, 작은 정렬 오차도 오픈 또는 브리지를 유발합니다. 이 둘이 공통 스텐슬과 배치 패스를 공유할 때, 레이아웃은 의도적이고 때로는 직관에 반하는 DFM을 통해 이러한 요구를 조화시켜야 합니다. 대부분의 피할 수 있는 최초 제작 실패는 페이스트 조절구 조정, Via-in-Pad 실행, 언더필 킵아웃 계획, 보드 레일 치수, 기준선 배치라는 다섯 가지 특정 결정 포인트에서 기인합니다.

왜 혼합 패키지 레이아웃이 최초 빌드 수율 절벽을 초래하는가

QFN의 노출된 열 패드는 악명 높은 조립 난제입니다. 이 패드는 패키지 발 footprint의 40~60%를 차지할 수 있으며, 열적 및 전기적 성능을 위해 견고한 납땜 접합이 필요합니다. 이는 충분한 납땜량이 중요하다는 의미이지만, 퍼스트는 재유리없이 재배열하거나 패키지가 뜨는 것을 방지하면서 재유리를 해야 합니다. 이 패드 주변에는 미세 피치 주변 리드들이 슬럼핑이나 브리지의 위험을 최소화하면서 정밀한 퍼스트 디포짓을 요구합니다. 이 패키지는 본질적으로 하나의 footprint 내에 두 가지 별개의 조립 문제를 포함합니다.

마이크로 BGA는 다른 제약 조건을 부과합니다. 사전 부착된 납땜 볼과 함께, 변수는 페이스트 인쇄에서 배치 정확도에게로 전환됩니다. 0.5mm 피치 BGA는 목표를 놓치기 전에 0.1mm의 오차만 허용됩니다. 크기가 0.25~0.3mm인 작은 패드에는 동일하게 작은 정밀 페이스트 적재가 필요하며, 과도한 페이스트는 브리지를 유발하고, 너무 적으면 조인트가 약해지거나 오픈이 생길 수 있습니다. 오차 허용 범위는 목표 부피의 ±10%로 좁습니다.

이 패키지가 공존할 때, QFN 열전 패드에 적합한 두꺼운 스텐슬은 마이크로 BGA 패드에 과도한 페이스트 적재를 일으킬 수 있습니다. BGA에 최적화된 얇은 스텐슬은 QFN을 빈약하게 만듭니다. 이러한 충돌이 무시될 때 수율 절벽이 발생합니다. QFN 열전 패드의 납땜 조인트는 25%를 초과하는 공극을 보여 IPC-A-610 Class 3 기준에 위배됩니다. 마이크로 BGA 배열은 내부 행에서 브리지를 보이거나 모서리 볼에서 오픈이 나타나며, 이는 우연한 결함이 아니라 예측 가능한 DFM 실수에 뿌리를 둔 결정론적 실패입니다.

개구경 조정: 두 세계의 균형 잡기

납땜 페이스트 양은 조인트 품질을 결정하며, 이는 스텐슬 조절구 설계에 의해 제어됩니다. 양은 신뢰할 수 있는 조인트를 형성할 만큼 충분해야 하며, 스텐슬에서 깨끗하게 방출되어야 합니다. 혼합 패키지 보드의 경우, 두 목표 모두를 달성하려면 조절구 치수와 스텐슬 두께의 신중한 조정이 필요합니다.

영역 비율은 페이스트 방출을 결정합니다. 조절구 면적과 벽면 면적의 비율은 0.66 이상이어야 신뢰할 수 있는 페이스트 방출이 가능합니다. 이보다 낮으면 페이스트가 스텐슬 벽면에 달라붙어 깨끗하게 제대로 방출되지 않습니다. 0.125mm 두께의 스텐슬은 0.25mm 직경의 마이크로 BGA 패드에 인쇄시 면적 비율이 대략 0.5로, 임계값보다 훨씬 낮습니다. 이는 선택의 문제를 강요하는데, 작은 패드의 비율을 개선하기 위해 스텐슬 두께를 줄이거나, 더 큰 조절구를 받아들여 페이스트 과적재를 감수해야 합니다.

스텐슬 두께는 필수적인 타협입니다. QFN 열전 패드는 두꺼운 스텐슬(0.150mm 이상)에서 이점을 보이고, 마이크로 BGA는 더 얇은 것(0.100~0.125mm)에서 더 나은 성능을 발휘합니다. 둘이 하나의 스텐슬을 공유할 때는, 더 제약이 심한 부품에 맞춰 설계해야 합니다. 이 경우 보통 0.125mm 두께를 선택하고, QFN 열전 패드의 조절구 면적을 줄여서 조절구 크기를 최소화합니다. 이는 열전 패드에 적은 페이스트를 공급하는 것을 의미하지만, BGA의 성능은 유지됩니다. QFN 열전 성능이 매우 중요한 설계는 비용이 많이 드는 이중 인쇄 공정을 통해 두 개의 스텐슬을 사용하는 것도 고려해야 합니다.

열 패드 개구는 의도적으로 축소해야 합니다. 일반적인 지침은 QFN 열 패드 개구 면적을 실제 패드의 50-80%로 줄이는 것입니다. 이는 재플로우 동안 패키지가 과다 납땜 위에 뜨는 것을 방지하고 세분화된 개구 패턴을 허용합니다. 작은 개구 불규칙망은 하나의 큰 창문보다 페이스트 배출을 개선하고 포획된 플럭스의 배출 경로를 제공하여 공극을 줄입니다. 5mm 열 패드의 일반적인 경우 3×3 그리드의 1.0mm 정사각형 개구를 사용하는데, 이는 적절한 납땜 양을 제공하면서 공정 제어를 유지합니다.

우리의 권장 사항은 마이크로-BGA를 우선시하는 것입니다. 인쇄 해상도를 위해 더 얇은 스텐실을 선택하고, 패드 내 비아 설계와 신중한 개구 세분화를 통해 QFN 열 성능을 회복하세요. 이 방법은 재작업이 가장 어려운 결함인 BGA 브리징을 최소화하면서 QFN 열 패드 납땜량의 관리 가능한 감소를 허용합니다.

Via-in-Pad: 협상 불가한 규칙과 실용 한계

부품 패드 내부의 비아는 QFN 열 관리와 마이크로-BGA 배출 라우팅에 일반적으로 사용되며, 제대로 처리하지 않으면 신뢰성 위험이 큽니다. 재플로우 시 비아 배럴은 납땜을 와키시킬 수 있고, 동시에 포획된 공기와 플럭스가 가스를 배출하여 공극을 생성할 수 있습니다. 이 두 기작 모두 접합부의 품질을 저하시킵니다.

구리 충전 및 평평하게 가공된 비아 처리 방법이 가장 신뢰할 수 있는 솔루션입니다. 여기서, 비아 배럴은 구리로 도금되어 완전히 채워지고 표면은 평평하게 연마됩니다. 이는 가스 배출 경로를 제거하고 납땜 와키를 방지합니다. 사양은 채움 비율 95% 이상과 원하는 표면 마감에 대해 PCB 제작사에 명확하게 전달되어야 합니다. 신뢰할 수 있는 제작 업체는 이 과정을 IPC-4761 또는 IPC-6012 클라스 3 기준으로 인증할 것입니다.

비전도성 충전재는 비용이 적게 드는 대안입니다. 에폭시 플러그는 비아를 밀봉하여 가스 배출을 차단하지만, 완전 구리 충전만큼 납땜 와키를 방지하지는 못합니다. 이 방법은 덜 까다로운 Class 2 조립품의 QFN 열 패드에 대해 받아들여질 수 있지만, 페이스트 양이 훨씬 더 제한된 마이크로-BGA의 경우 약점이 됩니다.

전체 비아 충전을 보장하지 못하는 경우

전체 채우기가 가능하거나 실용적이지 않은 경우 설계는 적응해야 합니다.

• 비아 텐팅: 비아 개구부 위에 솔더 마스크를 적용하면 부분적 차단막을 제공합니다. 패드 바로 아래 상단의 보드를 텐팅하는 것이 가장 효과적이지만, 솔더 마스크 정합 정확도에 크게 의존합니다.
• 플러깅: 비전도성 페이스트를 통해 비아를 막는 것이 텐팅보다 낫지만 완전 충진에는 미치지 못한다. 플러그가 평면화되지 않아 표면 오목함이 남을 수 있으며, 이는 페이스트 인쇄 일관성에 영향을 미치고 미크로 BGA의 큰 위험 요소이다.
• Open Vias 수용: 이것은 마지막 수단으로, 프로토타입이나 결함이 최대 50%까지 허용되는 저전력 QFN에만 적용 가능하다. 마이크로 BGA 패드의 오픈 비아는 납땜 손실의 위험이 높기 때문에 거의 허용되지 않는다.

충전된 via-in-pad는 이러한 패키지들을 혼합한 생산 설계의 기준 요건으로 간주한다. 제작사 제약이 절대적이고 위험이 명확히 기록된 경우에만 대안을 모색하라.

언더필 유지 구역: 공정 현실에 대한 계획

언더필은 BGA 주변에 분사되는 액체 에폭시로, 납땜 조인트 전반에 스트레스를 분산시켜 기계적 신뢰성을 향상시킨다. 항상 필요하지는 않지만 열 사이클링이나 충격에 노출되는 애플리케이션에서 일반적이다. 명시된 경우, 보드 레이아웃은 분사 과정을 수용해야 한다.

디스펜스 니들에는 균일한 흐름을 위해 패키지 가장자리로부터 1~2mm의 공간이 필요하다. 너무 가까이 배치된 부품은 니들을 막거나 장벽을 형성하여 공극과 불완전 커버리지를 초래한다. 이 이격 구역은 레이아웃 초기에 정해야 하며, 나중에 부품을 이동하면 재설계가 필요할 수 있다.

이 구역 내 부품 높이도 횡방향 간격만큼 중요하다. 높은 부품은 둑 역할을 하여 언더필 흐름을 차단한다. 레이아웃은 keepout 내에 명확하고 평평한 영역을 유지해야 하며, BGA의 스탠드오프 높이(일반적으로 0.3~0.5mm)를 초과하는 부품이 없어야 한다. 재작업이 예상되는 설계에서는 이 영역을 3mm 이상으로 확장하여 제거 도구의 접근성을 확보해야 한다.

조립용 보드 레일 및 패널 설계

보드 레일은 PCB 패널의 기능하지 않는 주변부로, 모든 조립 장비의 기계적 인터페이스이다. 크기가 작거나 잘못 설계된 레일은 인쇄 시 패널이 휘거나 위치 조정 시 이동하게 만들어 수율을 저하한다.

혼합 QFN 및 마이크로 BGA 조립에 대한 최소 레일 폭은 한 면당 7~10mm 이상이어야 한다. 이는 컨베이어 및 클램핑 메커니즘에 충분한 잡는 영역을 제공한다. 패널당 더 많은 보드를 최대화하기 위해 좁은 레일이 사용될 수 있지만, 이는 스텐실 인쇄 시 휘어짐을 유발하여 유연성을 일으킨다. 무거운 스텐실에서 발생하는 하강력은 패널을 휘게 해 고른 페이스트 도포를 방해한다. 좁은 레일에서 오는 절감 효과는 거의 항상 수율 저하로 상쇄된다. 보드 두께가 1.6mm 미만인 경우, 인쇄 동안 임시 강성 바를 레일에 고정하여 휨을 방지할 수 있다.

툴링 홀과 파이디얼은 자동화용 기준점으로 활용된다. V-스코어링 또는 탭 라우팅은 패널 절단에도 영향을 미치며, 이는 레일 설계에 영향을 준다. 혼합 QFN과 마이크로 BGA 설계는 탭 라우팅으로 인해 유리한데, 이는 미세 피치 부품을 보드 가장자리 근처에 가까이 배치하여 신호 라우팅을 개선한다.

기준선 전략: 규율을 통한 정확성

파이디얼은 픽앤플레이스 기계의 광학 기준 마크로, 위치 정밀도를 직접 결정한다. 이 보드들은 수십 마이크로미터 단위의 허용오차를 갖고 있어, 파이디얼 전략은 사후 고려가 아닌 기본 설계 요구 사항이다.

글로벌 파이디얼 패널 수준의 정합성을 제공한다. 세 개의 비공선형 마크는 가능한 한 멀리 배치되어야 하며, 이 마크들은 비전 시스템이 위치, 회전 및 크기 오류를 계산할 수 있도록 한다. 각각의 글로벌 파이디얼은 명확한 keepout 구역이 필요하며, 일반적으로 3~5mm 반경 범위 내에 시각 시스템을 혼동시킬 수 있는 특징이 없어야 한다.

지역 파이디얼 각 마이크로 BGA에 대해 필요하며, 미세 피치 QFN에는 강력히 권장된다. 이는 부품 수준의 정합성을 제공하며, 현지 기판 뒤틀림을 수정한다. 마이크로 BGA의 경우, 패키지 대각선에 두 개의 지역 파이디얼을 배치하고, 가장자리에서 10~15mm 이내에 위치시키면 최적의 정확도를 확보할 수 있다.

일반적인 피듀셜은 2mm 원형 솔더 마스크 구멍 내부에 직경 1mm의 무도금 구리 원형입니다. 이는 비전 카메라에 높은 대비를 제공합니다. 이상적인 간격을 유지하기 어려운 밀집 레이아웃에서는 거리를 최소 5mm로 줄일 수 있습니다. 최후의 수단으로, 큰 QFN 코너 패드 또는 BGA 코너 구슬 패드를 피듀셜 타겟으로 지정할 수 있지만, 이는 높은 위험이 따르는 전략입니다.

최종 관문: 사전 테이프아웃 DFM 검증

테이프 아웃 전에 이 다섯 가지 핵심 영역에 대한 체계적 검토는 오류를 잡을 수 있는 마지막 기회입니다.

검증은 이러한 특정 고위험 영역에 초점을 맞춘 동료 검토로 시작해야 합니다. 자동 DFM 소프트웨어는 일부 문제를 표시할 수 있지만, 페이스트 개구부 설계 또는 via-in-pad 선택의 미묘한 트레이드오프를 평가할 수 없습니다. 인간의 판단이 필수적입니다. 그런 다음 예상 제작사 및 조립 업체와 상담하십시오. 데이터를 공유하면 설계가 잠기기 전에 프로세스별 위험을 식별하는 데 도움이 됩니다.

사전 테이프 아웃 체크리스트에는 다음이 포함되어야 합니다:

• 스텐실 개구부: 모든 마이크로 BGA 패드에 대한 영역 비율이 정확하게 내보내지고 검토되었으며 QFN 열 패드의 축소가 적절한지 확인.
• Via-in-Pad: 제조 노트에 명확하게 문서화된 사양, 충전 방법 및 수용 기준 포함.
• 언더필 유지 구역: 모든 마이크로 BGA에 대해 구역이 검증되었으며, 부품이 간격을 초과하지 않습니다.
• 보드 레일: 패널 강성을 위해 최소 치수에 부합하는 너비 확인.
• 피듀셜: 크기, 간격, 유지 구역에 대해 글로벌 및 로컬 배치 검증.
• 솔더 마스크: 마이크로-BGA 패드의 클리어런스가 비솔더 마스크로 정의되지 않은 것임이 확인됨 (NSMD).
• 디패널링: 부품 손상을 방지하기 위해 방법과 가장자리 클리어런스를 검증함.

이 게이트의 완료는 DFM을 추상적인 목표에서 측정 가능한 결과로 바꿉니다. 이는 매끄러운 초기 구축과 비용이 많이 드는 재생의 차이입니다.