이 글은 패키징 기술에 대한 이해와 역사를 다루고 있습니다. 전통적인 패키징 기술인 핀 스루 홀과 SMT(Surface Mount Technology)을 비교하며, QFP, PGA, BGA, Flip Chip 등의 다양한 패키징 기술에 대해 설명합니다. 또한, TBGA와 SBGA와 같은 중요한 변형 기술에 대해서도 다루고 있습니다. 이 글은 칩 패키징 기술의 발전 과정과 각 기술의 장단점을 제시하여 전반적인 패키징 기술의 이해를 돕고 있습니다.
패키징(Packaging)의 이해
패키징의 역사
전통적 패키징은 칩의 보호와 연결을 위해 개발된 기술로, 핀 스루 홀 기술이 주로 사용되었습니다. 이 기술은 핀이 PCB의 구멍을 통해 삽입되거나 솔더링 되는 방식으로, DIP(Dual Inline Packaging), SIP(Single Inline Packaging), 그리고 CERDIP(Ceramic DIP) 등의 형태로 나타납니다.
이들 패키징은 핀 간격이 0.1인치로 고정되어 있으며, DIP의 경우 1964년에 Fairchild에서 Brian Rogers에 의해 발명되었습니다. 초기에는 14개의 핀을 가진 형태로 개발되었으며, 트랜지스터의 수가 증가함에 따라 핀의 수도 증가하게 되었습니다.
핀 스루 홀 기술
핀 스루 홀 기술은 패키징의 중심부에서 외부로 방사형으로 핀이 배치되는 형태를 가지고 있습니다. 이러한 구조는 패키징의 크기를 크게 만들게 되지만, 동시에 핀의 수를 제한하는 요인이기도 합니다. 또한, 이러한 패키징은 대부분 플라스틱이나 세라믹으로 만들어져, 칩 내부를 보호하며 신뢰성을 높이는 역할을 합니다. 이러한 패키징은 SMT(Surface Mount Technology)의 등장과 함께 사용이 줄어들게 되었으며, 현재는 주로 취미용으로 사용되고 있습니다.
SMT(Surface Mount Technology)
SMT는 PCB의 표면에 직접 솔더링 하는 기술로, 패키징의 크기를 줄이고 핀의 수를 늘릴 수 있게 해 주었습니다. 이 기술은 QFP(Quad Flat Package), PGA(Pin Grid Array), BGA(Ball Grid Array) 등의 형태로 사용되며, 핀의 수는 32개에서 304개까지 늘릴 수 있습니다. 이러한 패키징은 핀이 패키징의 네 변에 위치하며, 핀 간격이 더욱 좁아져 높은 밀도를 가질 수 있습니다. 또한, 소켓에 맞추지 않고 PCB의 표면에 직접 솔더링 되므로, 더욱 다양한 형태의 패키징이 가능하게 되었습니다.
칩 패키징의 발전과정
QFP(Quad Flat Package)
칩 패키징의 발전 과정에서 빼놓을 수 없는 기술 중 하나는 QFP(Quad Flat Package)입니다. QFP는 핀이 패키징의 네 변에 위치한 형태로, 핀 간격이 더욱 좁아져 높은 밀도를 가질 수 있습니다.
이러한 패키징은 핀이 손상될 수 있는 위험성이 있지만, 더욱 다양한 형태의 패키징이 가능하게 되었습니다. QFP는 PQFP(Plastic QFP), CQFP(Ceramic QFP), FQFP(Fine Pitched QFP), HQFP(Heat Sinked QFP), LQFP(Low Profile QFP) 등 다양한 형태로 사용되었습니다. 이러한 QFP는 높은 밀도의 핀을 필요로 하는 IC에 주로 사용되었으나, 패키징의 크기를 줄이고 핀의 수를 늘릴 수 있는 기술의 등장으로 점차 사용이 줄어들었습니다.
PGA(Pin Grid Array)
QFP의 한계를 극복하기 위해 등장한 기술이 PGA(Pin Grid Array)입니다. PGA는 핀이 패키징의 표면에 배열된 형태로, 핀의 밀도를 더욱 높일 수 있습니다. 이 기술은 Intel에서 1993년에 개발하였으며, 16비트에서 32비트로의 전환을 위해 필요로 했습니다.
PGA는 핀의 수가 더욱 많아져 이전의 기술보다 더 많은 연결을 가능하게 했지만, 핀의 연결이 덜 신뢰성 있고, 열과 전기적인 한계가 있었습니다. 이러한 한계로 인해 PGA는 점차 사용이 줄어들게 되었습니다. 그러나 PGA의 발전은 다른 형태의 패키징 기술, 예를 들어 스태거드 PGA와 오가닉 PGA의 등장을 가능하게 했습니다.
스태거드 PGA는 핀 배치가 대각선으로 위치해 단위 공간당 더 많은 핀을 가질 수 있습니다. 오가닉 PGA는 다이가 오가닉 플라스틱 판에 부착되는 형태로, 일반적으로 컴퓨터 칩에 사용됩니다.
BGA(Ball Grid Array)
BGA(Ball Grid Array)는 Motorola와 Citizen이 1989년에 공동 개발하였으며, 1990년대 중반에 Compaq Computers와 Motorola 등의 회사에 의해 널리 사용되기 시작하였습니다. BGA는 QFP의 I/O 제한을 해결하는 또 다른 해결책으로 등장하였습니다. BGA는 최대 1000개의 범프를 갖출 수 있지만, 일반적으로 50개에서 500개 사이입니다.
이는 QFP의 최대 304개에 비해 훨씬 많은 수입니다. 또한, BGA는 QFP보다 훨씬 작은 면적을 차지합니다. 예를 들어, QFP는 40x40mm의 본체에 232개의 리드를 가질 수 있는 반면, BGA는 27x27mm의 본체에 최대 225개의 I/O를 가질 수 있습니다.
Flip Chip
Flip Chip은 다이가 아래를 향하고 패키징의 상단에 위치한 형태로, 와이어 본드를 사용하지 않고 마이크로 범프를 통해 다이와 리드를 연결합니다. 이 기술은 신뢰성과 속도를 높일 수 있습니다. Flip Chip 기술은 PGA와 함께 사용되기도 하지만, 다른 패키징 기술과도 결합하여 사용될 수 있습니다.
TBGA와 SBGA
TBGA(Tape Ball Grid Array)와 SBGA(Super Ball Grid Array)는 칩 패키징 기술의 중요한 변형입니다. TBGA는 유연한 필름이나 테이프를 기반으로 하며, 양면에 구리 금속화가 적용되어 있습니다. 이는 PVGA(Plastic Ball Grid Array)에 비해 전기적 및 열적 성능을 향상합니다.
SBGA는 PVGA보다 더 나은 전기적 및 열적 성능을 가지며, 칩의 뒷면에 부착된 금속 히트싱크 플레이트를 사용합니다. 이 플레이트는 열을 분산시키는 데 도움이 되며, 강화재 및 접지판 역할을 합니다. 이러한 기술은 마이크로컨트롤러, 통신 장치, 메모리 RAM 칩 등에 사용됩니다.
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