칩 패키지에는 어떤 모양이 있을까? BGA, QFN 같은 이름은 무슨 뜻일까

칩 패키지의 ‘모양’은 주로 두 가지로 정해진다. 단자가 어디로 나오는지, 그리고 회로 기판에 어떻게 납땜하는지다. 이 두 가지에 따라 흔한 패키지는 대략 다섯 종류로 나뉜다. 회로 기판의 구멍에 꽂는 것, 두 변이나 네 변에서 가는 리드가 나오는 것, 바닥에 리드 없이 금속 패드만 있는 것, 바닥 전체에 솔더 볼이 깔린 것, 그리고 칩과 크기가 거의 같은 것이다. DIP, QFN, BGA 같은 이름은 바로 이런 모양을 가리킨다.

칩을 왜 꼭 패키징해야 하는지는 ‘패키징이란?’을 먼저 읽어도 좋다.

패키지 종류는 무엇을 기준으로 나눌까?

패키징된 칩은 두 단계로 연결된다. 안쪽 단계에서는 칩이 패키지에 연결되고, 바깥쪽 단계에서는 패키지가 금속 리드, 금속 패드, 솔더 볼로 회로 기판에 연결된다. 이 글은 바깥쪽 단계, 즉 회로 기판 쪽에서 본 패키지의 모양을 다룬다.

기판 구멍에 꽂는 패키지: DIP

직사각형의 작은 검은 블록으로, 두 긴 변에서 리드가 한 줄씩 나와 아래로 꺾여 있어 작은 지네처럼 보인다. 리드를 회로 기판에 미리 뚫어 둔 작은 구멍에 꽂고, 기판 반대쪽 면에서 납땜한다. 리드 간격은 약 2.5mm다.

초기의 회로 기판은 부품을 대부분 이렇게 구멍에 꽂아 납땜했다. 리드가 굵고 간격이 넓어 손으로도 잘 납땜할 수 있고, 소켓에 꽂아 쉽게 교체할 수도 있다.

지금은 새 제품에 거의 쓰이지 않는다. 구멍을 먼저 뚫어야 하고, 부품이 자리를 많이 차지하며, 기계로 실장하는 속도도 느리기 때문이다. 지금도 자주 볼 수 있는 곳은 학교 실험 수업이다. 납땜이 필요 없는 브레드보드에 꽂아 쓰고, 뽑아서 다시 쓸 수도 있다.

두 변이나 네 변에서 가는 리드가 나오는 패키지: SOP, QFP

이 종류는 기판을 관통하지 않고, 기판 표면의 납땜 자리에 평평하게 붙는다. 이를 표면 실장이라고 한다. 리드는 옆면에서 나와 먼저 아래로 꺾였다가 다시 바깥으로 평평하게 펴지는데, 갈매기가 날개를 편 모양과 같다. 두 변에만 리드가 있으면 SOP, 네 변 모두에 있으면 QFP다.

구멍을 뚫지 않아도 되니 부품을 더 작게 만들고 더 촘촘하게 배치할 수 있으며, 기계가 빠르게 올려놓은 뒤 기판 전체를 한꺼번에 가열해 납땜한다(칩은 어떻게 회로 기판에 납땜할까?). 지금은 대부분의 전자 부품을 이렇게 실장한다. 네 변을 모두 쓰면 넣을 수 있는 리드가 거의 두 배가 된다. QFP의 리드 간격은 1mm 이하이고, 가장 촘촘한 것은 0.5mm 미만이며, 리드가 수백 개에 이르는 것도 있다.

리드가 바깥에 드러나 있어 납땜이 잘되었는지 돋보기로도 확인할 수 있다. 단자 수가 적거나 중간 정도인 칩에 이 종류를 많이 쓴다.

바닥에 리드 없이 금속 패드만 있는 패키지: QFN

작고 납작한 사각 블록으로, 네 변 어디에도 튀어나온 리드가 보이지 않는다. 뒤집어 보면 바닥의 네 변을 따라 작은 금속 패드가 한 칸씩 늘어서 있고, 이 패드를 회로 기판에 바로 납땜한다. 가운데에는 넓은 금속 면이 드러나 있는 경우가 많은데, 이것도 기판에 납땜해 칩의 열을 아래로 전달한다. 두 변에만 패드가 있는 것은 흔히 DFN이라고 한다.

리드를 바닥으로 집어넣었으니 전체가 작고 얇으며, 신호가 지나는 길도 짧다. QFP처럼 금속 리드프레임을 뼈대로 쓰기 때문에 원가도 낮다. 크기가 작은 전자 제품에서 접점이 많지 않은 칩에 아주 흔히 쓰인다.

단점은 납땜 부위가 바닥에 숨어 있다는 것이다. 손으로 납땜하기 어렵고, 납땜이 잘되었는지 눈으로 확인하기도 쉽지 않다.

바닥 전체에 솔더 볼이 깔린 패키지: BGA

뒤집어 보면 바닥 전체에 작은 솔더 볼이 바둑판 칸처럼 빼곡히 늘어서 있다. 솔더 볼 간격은 약 1mm 안팎이고, 촘촘한 것은 0.몇 mm에 불과하다. 패키지 하나에 접점이 수백 개에서 천 개 이상까지 들어갈 수 있다.

네 변뿐 아니라 바닥 전체에 접점을 둘 수 있으니 연결을 많이 할 수 있고, 길이 짧아 열도 회로 기판으로 잘 전달된다. 납땜할 때 솔더 볼이 녹으면서, 표면 장력이 약간 비뚤게 놓인 패키지를 정중앙으로 끌어당기는 경우가 많다. 연산을 맡는 칩이나 메모리처럼 접점이 많은 칩은 대부분 BGA를 쓴다.

그 대가로 납땜 부위가 모두 바닥에 숨어 있어 X선 같은 장비로 검사해야 한다. 솔더 볼은 가는 리드처럼 조금 휘어지지도 못한다. 회로 기판과 패키지가 열을 받아 팽창하는 정도가 다르면, 그 당기는 힘이 고스란히 솔더 볼에 걸린다.

칩과 크기가 거의 같은 패키지: 칩 스케일 패키지

더 작게 만들면 패키지가 칩보다 아주 조금만 커지는데, 이를 칩 스케일 패키지(CSP)라고 한다. 흔히 쓰는 정의는 면적이 칩의 약 1.2배를 넘지 않는 것이다. 바닥은 대개 솔더 볼이다.

한 걸음 더 나아가, 칩을 자르기 전에 웨이퍼 전체에 솔더 볼을 먼저 만들고 마지막에 자르는 방식도 있다. 이를 웨이퍼 레벨 패키지라고 하며, 패키지가 칩과 크기가 같다.

가장 작고 가장 얇지만, 솔더 볼을 모두 칩 바로 아래에 몰아넣어야 한다. 칩과 회로 기판은 열에 따른 팽창과 수축의 차이가 커서, 칩이 클수록 바깥쪽 솔더 볼이 더 심하게 당겨진다. 그래서 주로 접점이 많지 않은 작은 칩에 쓴다.

이름에 든 알파벳은 무슨 뜻일까?

이름	영어	쉬운 말로
DIP	Dual In-line Package	두 줄(dual)로, 일직선으로 늘어선(in-line) 리드
SOP	Small Outline Package	외형이 작은(small outline) 패키지
QFP	Quad Flat Package	네 변(quad) 모두 리드가 있는 납작한(flat) 패키지
QFN	Quad Flat No-lead	네 변, 납작함, 바깥으로 나온 리드가 없음(no lead)
BGA	Ball Grid Array	볼(ball)을 격자(grid)로 늘어놓은 배열(array)
CSP	Chip Scale Package	칩(chip)과 크기(scale)가 거의 같은 패키지

마지막의 P는 package다. 앞에 알파벳이 하나 더 붙은 것은 변형인 경우가 많은데, 예를 들어 T는 thin으로 더 얇다는 뜻이다. 같은 모양에 이름이 여러 개인 경우도 흔하다.

단자가 많아질수록 왜 바닥 전체로 갈까?

가정한 숫자로 계산해 보자. 한 변이 2cm인 정사각형 패키지라면 다음과 같다.

• 네 변에 리드를 0.5mm마다 하나씩 두면 한 변에 40개, 네 변에 160개다.
• 바닥 전체에 솔더 볼을 1mm마다 하나씩 두면 20줄에 줄마다 20개씩, 모두 400개다.

솔더 볼 간격이 리드 간격의 두 배인데도 개수는 2.5배나 된다. 네 변은 변의 길이에 따라서만 늘어나지만, 바닥 전체는 면적에 따라 커지기 때문이다. 플립칩이 와이어 본딩보다 연결을 많이 할 수 있는 것도 같은 이치다.

리드를 한없이 촘촘하게 할 수도 없다. 리드가 가늘고 빽빽할수록 납땜할 때 땜납이 이웃한 두 리드를 이어 붙이기 쉬워지고, 그러면 단락이 생긴다. 그래서 접점이 적고 값이 싸야 하는 칩은 네 변에 리드가 있는 패키지나 QFN으로 충분하고, 접점이 많아지면 BGA로 간다.

바깥 모양은 안쪽 연결 방식과 관계가 있을까?

관계는 있지만 고정된 것은 아니다. 흔한 조합은 이렇다. DIP, SOP, QFP, QFN은 금속 리드프레임을 뼈대로 쓰고, 칩을 가운데에 붙인 뒤 가는 선으로 와이어 본딩해 둘레의 리드나 패드에 연결한다. BGA는 작은 기판을 쓰며, 칩을 기판 위에 올리고 와이어 본딩이나 플립칩으로 연결한다. 안쪽 연결의 자세한 내용은 ‘와이어 본딩이란?’과 ‘플립칩이란?’에 있다.

플립칩에 BGA를 더하면 볼이 두 층이 된다. 칩 바로 아래에는 아주 작은 범프가 있고, 기판 아래에 비로소 그보다 훨씬 큰 BGA 솔더 볼이 있다.

여러 칩을 함께 패키징하면 어떤 모양일까?

칩을 저항, 커패시터와 함께 작은 모듈 하나로 만든 것을 SiP라고 하며, 겉에서 보면 보통의 칩 하나처럼 보인다(SiP란?). 여러 칩을 나란히 놓거나 쌓아 올린 것은 뉴스에서 말하는 첨단 패키징이다(뉴스에 나오는 ‘첨단 패키징’이란?). 안에 칩이 몇 개 들어 있든, 회로 기판에 연결되는 층은 여전히 바닥에 솔더 볼을 빼곡히 깐 경우가 많다.

fab24hr에서는

메인 스토리 ‘칩의 일생’ 챕터 11 ‘볼이 들렸다’에서 나는 후공정 공장의 패키징 공정 엔지니어다. 수후이 라인장이 패키징 라인을 한 바퀴 안내한다. Glowmere는 작은 SiP 모듈 하나로 패키징된다. 칩을 작은 기판에 붙이고, 가는 선으로 와이어 본딩해 바깥으로 연결한 뒤, 몰딩하고, 하나씩 잘라 파이널 테스트로 보낸다. 게임에서는 Glowmere 모듈의 바닥이 솔더 볼인지 금속 패드인지 밝히지 않는다.

도감의 ‘장비 목록’에서 와이어 본더를 분해해 보면 구리로 된 리드프레임이 한 장 있다. 가운데에 칩이 붙어 있고 둘레에 리드가 한 줄로 늘어서 있는데, 이것이 네 변에 리드가 있는 패키지나 QFN 계열 패키지의 뼈대다. 게임에서는 이것이 결국 어떤 패키지가 되는지 밝히지 않는다.

‘출근’을 누르고 ‘직장인의 하루’를 고른 뒤, ‘오늘 나는’ 카드에서 ‘후공정 공장’을 누르고 좌우로 넘겨 고객 담당을 찾으면, 기기의 시간에 따라 근무 하나가 정해진다. 심야 근무에는 고객사 생산 라인에서 전화가 와, 출하 사양 도면의 방향이 자기네 장비 설정과 맞지 않는다고 한다. 테이프 앤 릴의 칸마다 있는 ‘1번 핀’ 표시를 맞춰 봐야 한다. 실제 패키지에는 작은 점이나 모서리 하나를 깎아 낸 자리로 1번 핀의 위치를 표시하는 경우가 많다.

게임에는 BGA, QFN, DIP 같은 이름이 나오지 않는다. 게임 속 후공정 공장, 칩, 인물은 모두 가상이다. 패키지의 모양은 공개된 일반 자료를 바탕으로 썼으며, 리드 수를 계산할 때 쓴 크기와 간격은 가정한 숫자다. 다른 업계 용어는 ‘반도체 공장 전문 용어, 쉬운 말로 풀이’에서 찾아볼 수 있다.