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1. 개요
반도체 칩셋 패키징 중의 하나. 구슬처럼 생긴 납 볼을 접점으로 하는 패키징 방식이다. 흔히 노트북 또는 스마트폰 로직보드에 있는 SoC를 교체하려고 뜯어 봤거나 폰의 SoC를 Reballing 하려는데 납땜 처리가 되어 있더라 라고 하면 십중팔구 이런 패키징으로 이루어져 있다고 보면 된다.2. 설명
생산 이후 교체가 쉬운 PGA(Pin Grid Array, 솔더볼 자리에 핀이 달려 소켓에 꽂을 수 있게 돼 있다.), LGA[1] 방식과는 다르게 완전히 납땜되어 있는 구조다. PGA나 LGA는 칩과 다른 회로를 연결하기 위해서 소켓이 들어가기 때문에 BGA보다 두께와 크기가 증가한다.그래서 휴대용 기기에 들어가는 CPU 등과 같은 SoC는 기기 크기를 줄이고 부품 집적도를 높이기 위해서 대부분 BGA 방식으로 메인보드에 고정되어 있다. BGA 칩은 완전히 납땜되어 있기 때문에 생산 이후 칩 이상 등으로 교체하려면 전용 장비와 기술이 필요한데 그래서 RoHS 규제가 땜납에 도입된 초기에 생산된 물건의 불량률이 그래서 더 높은 편이었다. 그 외에도 전자기기의 내구성 차원에서는 영 좋지 않다는 지적이 있다. 몇 년 동안 전자제품을 사용하다보면 온도와 습도 등에 의해 납볼에 크랙이 생기거나 접점에서 납이 떨어져 '냉납'(Cold solder) 현상이 발생하게 되면서 고장이 발생하기 때문에 이를 해결하기 위해 BGA 칩을 교체하는데 이 과정에 속한 기술을 'Reballing'이라고 한다.
가열해서 칩을 떼내고[2], 볼을 다시 심고, 다시 열을 가해 붙인다. SMD 공정의 축소판. Reballing 스테이션이 없을 때 임시 방편으로 보드를 뒤집어서 열풍기, 헤어드라이어, 심지어는 전기오븐이나 전자레인지, 다리미 같은 것을 사용하여 다시 납이 접점에 붙게끔 하는 방법도 있다. 그런데 위에 서술 된 주석에서도 봤듯이 볼의 온도가 섭씨 220도~230도까지 올라가야 녹는데, 헤어드라이어의 일반적인 온도는 보통 섭씨 95도라서 불가능하다. 그나마 다리미, 열풍기가 현실적이다.
그러나 야매로 시도한 방법은 엉뚱한 부분을 건드려 물건이 완전히 재기불능이 되는 경우가 많다. 설령 다시 고쳐졌다 하더라도 보통 3개월 내에 다시 냉납 현상이 발생하므로 가능하다면 전문 사설 A/S 센터에 보내는 것을 추천한다. 보통 BGA Reballing이 필요한 수준의 고장은 공식 A/S 센터에 가져가 봤자 모듈 교체로 해결하고, 보증 기간이 끝난 물건이라면 전체 모듈 교체 비용보다 사설 A/S 센터의 BGA 리볼링이 더 싼 경우가 많다.
이런 형태의 패키징을 한 칩들은 주로 메인보드 칩셋이나 GPU(VPU), 메모리, 휴대용 기기 등지에 많이 사용되고 있다. 요즘 메모리 모듈에 붙어 있는 칩을 보면 접점이 밖으로 나오지 않은 것을 확인할 수 있다. 넷북에 많이 들어가는 인텔 아톰 CPU도 이런 방식의 패키징이다. 넷북이 CPU 업그레이드를 할 수 없는 이유가 이것. 펜티엄 2나 초기형 펜티엄 3 등 슬롯 방식으로 만들어진 CPU나 초기형 월라멧(소켓 423) 펜티엄4는 핀이 달려있으나 이중기판으로 붙어있는 관계로 칩 자체는 이런 방식의 패키징이다. 이제는 울트라북으로 시장의 대세가 기울면서 일반적인 노트북도 BGA 방식으로 바뀌어 가고 있고, 인텔은 5세대 코어 i 시리즈부터는 그 동안 PGA로도 내놓았던 쿼드코어 모바일 CPU도 BGA 방식으로만 내놓고 있다. 즉, 칩 옆으로 다리나 땜이 보이지 않는 IC 패키지는 거의 다 BGA 방식이라고 봐도 무방하다. 간혹 가다 볼이 없이 맨바닥으로 땜질해 붙이는 LGA 방식의 패키지도 있긴 하다. 또한 노트북에 달린 CPU 소켓이나 최근 생산되는 메인보드에 달린 CPU 소켓 역시 그 자체는 BGA 방식으로 되어 있다.
3. Reballing 하는 법
먼저 Reballing을 하기 전에 필요한 장비 및 안전 기구가 있어야 하는데 위 사진과 같은 장비들이 있어야 하는데 그 장비들은 다음과 같다.
열풍기, 인두기, 플럭스, 핀셋, 히팅플레이트(프리히터)[3] 등등.
0. 필수는 아니지만, 떼내는 칩 근처에 실장된 다른 칩들이 많다면 폴리이미드 테이프나 은박지 등 고열에 잘 버티면서 열을 차폐할만한 물체를 적용시켜두는게 좋다. 떼낼 필요가 없는 소자들이 열을 받아서 좋을 건 하나도 없고 잘못하면 엉뚱하게 그쪽 소자들의 납이 녹아서 열풍기 바람맞고 이탈하는 경우도 있다.[4] 또한 칩이 에폭시등 접착제로 고정되어 있다면 사전에 이걸 약한 열을 가하며 모조리 긁어내서 제거해야만 한다.
1. 먼저, 열풍기을 이용해 Reballing할 곳에 가열한다. 상황이나 기기마다 적정 온도는 모두 다르다. 통상 250~380도 내외. 히팅플레이트가 필요해서 사용할 경우 약 150~300도에서 세팅하며 사전에 히팅플레이트를 켜 수 분 이상 기판을 달궈놔야 할 수도 있다.
2. 특정 온도 이상 올라가면 칩셋 아래의 납이 녹는다. 인두기를 사용한 일반 납땜과는 달리 시간이 좀 걸리므로 인내심이 필요하다. 플럭스를 사용했다면 칩을 핀셋으로 살짝 툭툭 건드릴때 칩이 보드 위에서 탄성을 가지고 움직인다면 칩 아래의 납이 모두 녹은 것이다.
3. 칩 아래의 납이 녹아서 칩이 움직인다면 핀셋 등으로 칩을 분리한다. 여기서 충분히 가열되지 않은 상태에서 무리하게 지렛대식으로 떼내려고 하면 보드의 접점이 손상될 수 있다. NC나 GND핀이라면 다행이지만 그게 아니면 보드 버리든지 아니면 칼로 기판을 긁어내서 내층 배선이나 via hole같은 단자를 노출시키고 0.1mm같은 극세사 와이어로 패턴 복구를 하는 고난이도 삽질을 벌여야 한다.[5] 이 와이어링 작업은 손재주가 있어도 현미경 없으면 거의 작업이 불가능하다.
4. 납볼을 칩셋에 배열한다. 여기서, 대부분은 납볼을 균등하게 배열하기 위한 스텐실이 있는데 그걸 칩셋 위에 올리고, 납볼을 구멍이 뚫린 곳에 배열한다. 납볼 대신 크림형 납[6]을 쓰는 경우도 있다. 납볼이나 맞는 스텐실이 없다면 별수없다. 칩 접점에 플럭스를 뿌리고 인두로 납을 먹이자. 하지만 이 방법은 접점에 붙는 납의 높이가 낮으므로 최종 실장시 땜 불량이 날 확률이 급증한다.
5. 그대로 열풍기을 쐬어서 납볼이 칩셋에 녹아붙도록 한다. 납볼이 균일한 높이로 잘 붙어야 땜 성공확률이 높다.
6. 보드 접점에 플럭스를 바른 후 칩을 올리고 핀셋 등으로 칩의 측면을 잡은 채 위치를 잡고 열을 가한다. 약간 비뚤어져도 납이 녹으면 알아서 정렬되지만 비뚤어진 정도가 순간적으로라도 핀 하나 크기 이상 어긋나면 땜 불량으로 망할 가능성이 높다. 다시 정렬해도 이미 접점이 납볼들을 먹어버려서 칩의 납볼 균일성이 엉망이 된다. 특히 작은 칩이나 소자라면 열풍기 바람 때문에 칩이 흔들릴 수 있다. 그리고 잘 안된다고 핀셋으로 칩을 위에서 누르는 건 금물이다. 이러는 순간 들어갈 자리를 잃은 납볼들이 사방팔방으로 튀어나와서 엉망진창이 된다.
과정 자체도 보통 납땜보다 어렵지만, 일반적인 납땜과 달리 기판에 붙으면 접점이 칩셋에 덮여버려 육안으로 보이질 않기 때문에 실제로 동작시켜보기전까진 잘못 붙었는지 여부를 식별하기 어렵다. 물론 잘못 삐꾸나면 처음부터 다 다시 해야 한다.
전문적인 공장에서는 레이저나 엑스레이를 이용해서 땜이 제대로 됐는지 검사한다.
[1]
Land Grid Array, PGA와 정반대로 핀이 소켓쪽에 있고 칩에는 평평한 접점 패드가 있다.
[2]
이 때 가열할 때의 온도는 섭씨 250도 이상으로 매우 뜨겁다. 그 이유는 BGA에 이용되는
땜납의 녹는 점이 보통 섭씨 220도~230도 정도이기 때문. 참고로 현재 이용하는 땜납은 환경 문제로
주석이 주성분이고 거기에
납+기타 등등이 첨가되는
합금이기 때문에 녹는 온도가 주석의 녹는 온도(232도)에 가깝다. 그리고 BGA는 칩 전체를 가열해야 하는 특성상 납이 녹는 온도(327.5도)는 온도가 너무 높아 칩이 손상되기 때문에 이용에 부적절하다.
[3]
위 사진에는 없다. 기판이 얇고 단순하다면 불필요하지만, 층이 많은 기판이라면 에어건 만으로는 기판 내부까지 열이 잘 전달되지 않으므로 히팅플레이트 없이 칩을 떼내기는 매우 어렵다. 스마트폰이나 태블릿PC, PC 같은 고성능 기기의 기판이라면 거의 다 그렇다.
[4]
이런 경우엔 플럭스 바르고 가열해주면 다시 붙는다. 근데 스마트폰 기판처럼 소자들이 엄청나게 작고 촘촘한 경우에는 답이 안나올수 있으니 주의해야 한다. 0402 사이즈 이하의 소자라면 핀셋에서 놓치는 순간 열풍기 바람 맞고 행방불명된다.
[5]
PCB 패턴 복구작업을 전문적으로 해주는 업체들을 이용하는 방법도 있다. 대신 이 경우 상당한 비용이 깨질 수 있으니 주의.
[6]
사실 아주 미세한 납볼들을 플럭스 등으로 반죽해놓은 크림이다.