첨단 BGA 검사 기술로 신뢰성 높은 전자제품 구현

볼 그리드 어레이(BGA) 검사 기술

기술의 끊임없는 발전으로 전자제품은 소형화, 경량화되어 왔습니다. 이러한 소비자 니즈를 충족하기 위해 표면실장 기술(SMT)이 도입되었습니다. 그러나 이러한 제품에 대한 수요 증가로 고밀도 기술을 빠르게 조립할 수 있는 기술 개발이 필요해졌습니다. 이 흐름이 볼 그리드 어레이(BGA) 기술 개발로 이어졌습니다.

BGA와 유사한 소자는 현대 인쇄회로기판(PCB) 설계에서 표준 요소로 빠르게 자리 잡았습니다. 그러나 이 소자들은 조립 후 검사가 매우 까다롭기로 악명 높습니다. 본 글에서는 BGA 검사의 과제, BGA 품질 관리에 사용되는 검사 기술, 조립 전 일반적인 BGA 결함 방지 방법을 다룹니다.

 

볼 그리드 어레이 검사란?

볼 그리드 어레이는 집적회로용 표면실장 패키지로 장치를 마운트하는 데 사용됩니다. BGA 바닥면은 그리드 패턴으로 배열된 핀들로 덮여 있어 기술 이름이 그러합니다. 이 연결은 와이어 핀이 아니라 솔더 볼이 있는 패드로 이루어집니다. 이 연결은 패키지 아래에 위치하므로 매우 신중하게 솔더링해야 합니다.

솔더 연결이 완료되면 일반 관찰자에게는 더 이상 보이지 않습니다. 보이지 않기 때문에 품질을 보장하기 위해 더 고급 검사 기술이 필요합니다. 여기서 BGA 검사가 중요한 역할을 합니다.

BGA 검사는 칩과 PCB 간 연결을 분석하여 품질을 보장하는 공정입니다. BGA 검사는 패키지의 스탠드오프 높이, 연결 품질 등 볼 그리드 어레이의 다양한 측면을 살펴봅니다. BGA 검사에서 비보조 육안 검사는 극히 제한적이므로 다른 기술로 연결부를 자세히 살펴봐야 합니다.

이 분석 방법에는 전기적 테스트, 보조 광학 검사, X-레이 검사가 포함됩니다. 이들 기술의 구성요소는 본 글 뒷부분에서 자세히 다룹니다.

 

검사가 중요한 이유

BGA 검사가 악명 높게 어려운 이유는 단 하나입니다. 솔더 조인트가 BGA 패키지 아래에 위치하기 때문입니다. 이 특징의 위치 때문에 BGA를 잘 볼 수 없어 검사가 어렵습니다. 이 어려움에도 불구하고 BGA 검사는 여러 이유로 필수적입니다.

• 솔더링 난이도: BGA 부품 솔더링은 까다롭습니다. 그리드 안의 모든 볼이 충분히 녹아 솔더 조인트를 형성할 수 있도록 어레이에 충분한 열을 가해야 합니다. 연결 밀도와 솔더링 난이도 모두 결함 발생 가능성을 높입니다. 검사는 전문가들이 이러한 결함을 포착하여 불량 부품 출하를 막는 데 도움을 줍니다.
• 신뢰할 수 없는 전기적 테스트: 전기적 테스트는 PCB에 전류를 흘려 전기적으로 건전한지 확인합니다. 그러나 이 테스트는 BGA 부품 연결 시 전류가 온/오프되는지만 판단할 수 있습니다. 이 테스트는 일부 결함 유형만 찾아낼 수 있고 발견한 결함의 위치도 특정할 수 없어 신뢰성이 낮습니다. 이 방법을 다른 기술과 결합한 종합 검사로 오류와 위치를 더 완벽하게 파악할 수 있습니다.
• 소재 재사용: BGA에서 솔더 결함이 발견되면 리워크 스테이션으로 제거하여 교체하거나 리퍼비시해 재사용할 수 있습니다. 검사 공정이 초기에 결함을 식별하여 자재 낭비를 줄입니다.
• 품질 관리: BGA SMT 조립은 품질 좋은 물리적 연결에 의존하므로 BGA 품질 관리에는 이러한 연결에 대한 상세 검사가 포함되어야 합니다. 검사는 일반적인 결함과 패턴도 식별할 수 있습니다. 이는 반복 결함이 제조/조립 공정이나 PCB 제품 설계 자체에 문제가 있음을 시사할 수 있어 중요합니다.
• 비용 절감: 철저한 검사 공정은 검사 단계를 통과하는 결함 수를 최소화합니다. 검사를 통과한 결함은 생산 공정 후반에 발견되어 리워크 비용이 더 커집니다. 결함이 늦게 발견될수록 기업 비용은 더 커집니다. 그래서 조기 예방과 해결이 중요합니다.

검사의 중요성 때문에 검사 팀은 공정에서 철저하고 효과적인 도구와 기술을 활용해야 합니다. 그래야 모든 이슈를 포착하고 위치와 원인을 더 크고 비용이 큰 문제로 발전하기 전에 파악할 수 있습니다.

일반적인 BGA 결함

BGA의 복잡성으로 인해 솔더링 공정 중 많은 잠재적 결함이 발생할 수 있습니다. 발생할 수 있는 문제들은 다음과 같습니다.

• 정렬 불량(Misalignment): 리플로우 중 PCB와 BGA가 오프셋되어 잘못된 지점에서 연결될 때 발생. BGA 조립 중 가장 흔한 이슈 중 하나.
• 불균일한 스탠드오프 높이: BGA가 PCB 위에 장착되는데, 부적절한 솔더링으로 PCB 표면에서 비스듬한 각도로 장착될 수 있음. 이 비대칭 스탠드오프 높이는 연결 안정성을 해칠 수 있음.
• 누락된 볼(Missing balls): BGA가 PCB에 부착될 때 볼이 누락되면 필수 연결 지점이 조립에서 빠질 수 있음.
• 비습윤 패드(Non-wetted pads): 리플로우된 솔더 페이스트가 패드를 제대로 적시지 못할 수 있음. 불완전한 리플로우나 이전 공정 잔여 솔더 레지스트가 원인일 수 있음.
• 브리지(Bridges): 페이스트 증착 사이에 여분의 솔더 페이스트가 남을 때 발생. 연결 지점 간 브리지는 쇼트 결과 초래.
• 부분 리플로우(Partial reflow): 리플로우가 보드를 완전히 커버하지 못할 수 있음. 불충분한 솔더 리플로우, 인적 오류, 기계적 오작동이 원인.
• 팝콘 현상(Popcorning): 솔더링 공정 중 볼들이 서로 합쳐질 때 발생. BGA에서 흔한 문제이며 브리지처럼 쇼트 결과 초래.
• 오픈 회로(Open circuits): 솔더가 PCB 패드를 적시지 못하고 솔더 볼과 부품 표면으로 올라갈 때 발생. 전기적 테스트로 보드 문제 식별 가능하지만 원인 파악은 불가능.
• 보이드(Voiding): 플로우가 솔더 연결에 미치지 못해 멈출 때 발생. 접이식 BGA 부품에서 흔한 문제.

이 모든 이슈는 최종 제품에 치명적일 수 있으므로 품질 검사 기술과 기술로 포착하는 것이 필수입니다. 다행히 현대 검사 기술은 발전하여 이러한 결함 대부분을 하나 이상의 검사 방법으로 식별할 수 있습니다. 그러나 가능하다면 조립 전 이러한 결함을 방지하는 것도 필수적입니다.

BGA 결함 방지를 위한 설계 고려사항

검사 기술이 발전하여 많은 결함을 제조 공정 진행 전 포착할 수 있지만, 이상적으로는 비정상적 상황을 피하는 것이 최선입니다. 이는 설계 팀의 신중한 계획이 필요합니다. BGA에서 성공적인 솔더 조인트 확률을 극대화하기 위해 설계 팀은 PCB 레이아웃에서 다음을 고려해야 합니다.

• BGA 풋프린트: PCB 설계자는 사용하려는 BGA 소자에 맞는 올바른 풋프린트 패턴을 확보해야 합니다. 풋프린트가 정확한지 확인하고 PCB 풋프린트 패드를 정밀하게 설계하여 조립 중 쇼트와 솔더 이슈를 방지하십시오.
• 열관리: PCB 레이아웃은 열용량을 고려해야 합니다. BGA를 밀집 배치하면 보드의 고밀도 영역과 저밀도 영역 간 열적 불균형이 발생할 수 있습니다. 예: 밀집된 BGA를 제대로 솔더링하기 위해 충분한 열을 가하면 저밀도 영역에서 번이 발생할 수 있음. 반대로 저밀도 영역 번 방지를 위해 열을 줄이면 BGA에서 보이드 발생.
• 비아 배치: 비아나 스루홀은 PCB의 일반적인 특징이지만 비아 배치가 BGA 조립 공정에서 솔더 행동에 영향을 줄 수 있습니다. BGA 패드 인접 비아는 패드에서 비아로 과도한 솔더가 흘러 쇼트 유발. 이를 방지하려면 BGA 패드 인접 비아를 솔더 마스크로 텐트 처리하십시오.

이러한 설계 고려사항 외에도 적절한 리플로우 프로파일을 조립 전 개발하고 검증해야 합니다. 이는 프로파일러를 사용해 보드가 리플로우 오븐을 통과할 때 BGA 볼/패드 접합부의 온도 범위를 측정하고 기록하는 과정입니다. 스크랩 베어 PCB와 BGA 부품으로 수행 가능. 이 데이터로 페이스트 리플로우 프로파일과 PCB 열 프로파일이 올바른지 확인하고 조립 전 설계 이슈를 식별할 수 있습니다.

 

볼 그리드 어레이 검사 기술

결함 방지가 목표지만 BGA와 PCB 간 연결을 분석하기 위해 BGA 검사는 항상 필요합니다. 직접 육안 관찰로는 솔더 조인트를 보는 것이 거의 불가능하므로 다양한 검사 기술과 도구로 분석합니다. 이 도구와 기술은 수년간 발전하여 신뢰성 있고 사용자 친화적이 되었습니다. 이 도구들은 개별적으로는 검사의 모든 측면을 커버할 수 없지만, 결합하면 BGA를 종합적으로 볼 수 있습니다.

검사 도구와 기술은 보통 다음 카테고리로 구성됩니다.

 

1. 전기적 테스트

BGA 전기적 테스트는 보드 전기적 특성을 테스트하는 또 다른 검사 공정입니다. 이는 기계적 테스트(파괴적 공정으로 BGA에 충격 및 전단 테스트를 가해 응력 하 솔더 조인트 품질 평가)와 다릅니다.

전기적 테스트는 BGA에 전류를 흘려 보드 전기적 안정성을 분석합니다. 테스트는 BGA 부품 연결 후 전류가 온/오프되는지 판단합니다. 이 테스트는 쇼트나 오픈 같은 전기적 문제 식별에 유용합니다. 하지만 앞서 논의했듯 전기적 테스트는 이러한 결함의 존재만 식별할 뿐 결함이 BGA 어디에 있는지 위치는 파악할 수 없습니다.

전기적 테스트는 검사 공정의 중요한 단계지만 BGA 부품 아래 테스트 포인트 선택이 어렵습니다. 전기적 테스트만으로 평가 요건을 충족하기도 어렵습니다. 대신 전기적 테스트는 다른 테스트 기술과 결합하여 볼 그리드 어레이 검사에서 이슈를 식별하는 데 주로 사용됩니다.

 

2. 광학/육안 검사

광학 검사(육안 검사라고도 함)는 광학 기술을 사용해 BGA와 연결을 보는 것입니다. 이 기술은 역사적으로 육안이나 현미경을 사용해 제한적 결과를 냈습니다. 그러나 내시경 도입이 이 검사 기술에 특히 유용함이 입증되었습니다.

내시경은 본래 의료용으로 설계되었지만, 좁은 공간에서 미세 물체를 육안 검사하는 기술 능력이 BGA에 이상적입니다. 고배율 렌즈 카메라와 연결된 모니터를 사용해 검사 영역의 근접 이미지를 얻습니다. 이 기술은 고급 이미지 캡처와 측정을 위해 시각화 소프트웨어와 결합되는 경우가 많습니다.

내시경을 이용한 육안 검사는 기술자가 BGA와 PCB 간 외부 열 연결 열을 볼 수 있게 합니다. 조명이 좋으면 일부 내부 열도 볼 수 있습니다. 이 광학 기술은 솔더 조인트 전반적 품질(조인트 형상, 표면 텍스처, 외관) 식별과 평가에 도움을 주며 이는 다양한 결함을 나타낼 수 있습니다.

광학 검사는 쇼트, 오픈, 이물질, 콜드 솔더 식별에도 가능하며 리워크 평가에 필수적입니다. 적절한 리플로우 커버리지 식별 가능. 그러나 이 검사 기술의 육안 능력은 제한적이라 내부 연결 상세 분석은 불가능합니다.

내시경에 대한 마지막 참고사항: 내시경은 매우 다재다능한 검사 장비입니다. 내시경은 BGA 솔더 조인트 검사뿐만 아니라 일반 방법으로 분석하기 어려운 다양한 표면실장 및 스루홀 마운트 어셈블리 검사에도 사용됩니다.

 

3. X-레이 검사

BGA에 가장 진보된 검사 방법은 X-레이 검사입니다. X-레이는 X-레이 튜브에서 X-레이 에너지를 방출하여 보드에 조사합니다. X-레이는 보드를 서로 다른 양으로 투과하며, 솔더 조인트 같은 조밀한 영역에 더 많은 X-레이가 갇힙니다. X-레이는 검출기에서 수집되어 가시광선으로 변환되고 이미지가 생성됩니다.

이 이미지에서 솔더 조인트는 주변보다 어둡게 보여 솔더 패턴을 볼 수 있습니다. 이상적인 보드에서는 동일하고 어두운 원들의 균일한 그리드가 보이며, 원들은 솔더 조인트입니다.

X-레이 테스트 결과는 볼 그리드와 솔더 패턴을 탑다운 앵글에서 쉽게 보고 검사할 수 있는 이미지입니다. 더 진보된 X-레이 검사 기술은 틸트 기능을 갖추어 솔더 조인트 형상을 다양한 각도에서 분석할 수 있습니다. 이 이미지들은 솔더 패턴과 형상 변이를 보는 데 특히 유용하여 솔더 브리지, 팝콘 현상, 과도한 솔더 등 결함 식별에 좋은 기술입니다. 그러나 이 기술은 오픈 검출에는 적합하지 않습니다.

내시경처럼 X-레이 검사 기술도 BGA 검사 외 다양한 응용에 사용됩니다. 예: 비아 및 스루홀 검사, 표면실장 결함 분석, 무연 솔더 검사.

Millennium Circuits에 문의하세요

효과적이고 철저한 볼 그리드 어레이 검사 기술을 결합하여 사용하면 검사 단계를 통과하는 결함 수를 크게 줄일 수 있습니다. 생산 공정으로 넘어가는 결함 양을 줄이면 기업은 비용이 많이 드는 리워크와 리콜 발생을 줄일 수 있습니다. 그러나 품질 설계를 통해 BGA 결함을 애초에 피하는 것이 항상 이상적입니다. BGA, 검사 기술, BGA 결함 방지 방법에 대해 궁금한 점이 있으면 Millennium Circuits 전문가에게 문의하세요.

Millennium Circuits Limited(MCL)는 펜실베이니아 중부에 본사를 둔 업계 선도 PCB 공급업체입니다. 우리의 목표는 최고의 PCB를 최적의 가격에 제공하고 경쟁에서 돋보이는 데 필요한 PCB 지식을 드리는 것입니다. 10년 이상의 전념 서비스, 다수 수상, 전 세계 400개 이상 고객사를 보유한 MCL은 신뢰할 수 있는 인쇄회로기판 기업입니다.

MCL에서는 고객이 전자제품을 더 깊이 이해하고 시장에서 최대 품질과 경쟁력을 확보하는 방법을 배우도록 돕는 데 큰 자부심을 느낍니다. 전자 부품에 대한 정보에 입각한 결정을 내리는 데 필요한 모든 정보를 제공해 드립니다. 오늘 MCL에 연락하여 BGA 품질 관리와 검사에 대해 자세히 알아보세요.