1. Package와 PCB의 관계
반도체의 내부 회로에서 생성된 전기 신호는 다른 반도체나 외부 장치와 데이터를 주고받기 위해 칩 외부로 전달되어야 한다. 그러나 반도체 칩인 Die를 PCB(Printed Circuit Board)에 직접 연결하는 것은 일반적인 패키징 방식에서 사용되는 구조가 아니다. 따라서 Die와 PCB 사이에는 Package가 존재한다. Package는 반도체 칩을 보호하면서 내부의 미세한 전기적 접속부를 PCB와 연결할 수 있도록 한다.
대표적인 BGA Package를 기준으로 전기 신호가 전달되는 경로는 다음과 같다.
Die의 I/O Pad → Package 내부 접속부 → Package 내부 배선 → BGA Solder Ball → PCB Pad → PCB Trace → 연결 대상
이때 PCB의 배선층을 변경해야 한다면 Via를 사용하며, 신호를 외부 장치로 전달해야 한다면 Connector까지 연결될 수 있다.
여기에서 중요한 점은 Package와 PCB의 역할이 서로 다르다는 것이다. Package는 Die의 전기적 접속부를 외부 단자로 연결하며, PCB는 여러 부품의 단자를 전기적으로 연결하는 역할을 한다.
2. Die에서 Package 외부 단자까지
2.1 Die와 Package의 연결
Die는 반도체 회로가 형성되어 있는 실리콘 칩이다. Die 내부에서 발생한 신호는 I/O Pad를 통해 외부로 전달된다. 그러나 Die의 I/O Pad는 매우 작기 때문에 일반적인 PCB에 직접 납땜하기 어렵다. 따라서 Package 내부에서는 Wire Bond 또는 Flip-Chip Bump와 같은 접속 구조를 사용한다.
Wire Bond는 가느다란 금속 와이어로 Die와 Package의 접속부를 연결하는 방식이다. 반면 Flip-Chip은 Die를 뒤집어 Solder Bump 등의 미세 접속부로 Package 기판에 연결한다.
이렇게 전달된 신호는 Package 내부의 금속 배선을 따라 외부 단자로 이동한다.
2.2 BGA란 무엇인가?
BGA(Ball Grid Array)는 Package의 바닥면에 Solder Ball을 격자 형태로 배열하여 PCB에 연결하는 패키지 접속 방식이다. Solder Ball은 금속 재질의 납땜 접속부로, Package와 PCB를 전기적·기계적으로 연결한다. BGA Package의 연결 구조는 다음 그림과 같다.
그림에서 볼 수 있듯이 Die와 Package Substrate를 연결하는 Solder Bump, Package를 PCB에 연결하는 BGA Solder Ball은 서로 다른 접속부이다. 또한 모든 Package가 BGA 방식을 사용하는 것은 아니다. 예를 들어 QFN(Quad Flat No-Lead) Package는 일반적으로 바닥이나 측면의 금속 단자를 사용하여 PCB에 연결된다.
즉, BGA는 Package의 한 종류이며, 모든 반도체에 공통으로 적용되는 필수 구조는 아니다.
3. Package에서 PCB 배선까지
3.1 PCB Pad와 Solder Ball의 연결
PCB는 절연체 기판에 구리 배선을 형성하여 여러 전자부품을 전기적으로 연결한 기판이다. PCB에는 Package의 단자와 접촉하기 위한 금속 영역이 존재하는데, 이를 PCB Pad라고 한다.
BGA Package를 PCB 위의 정해진 위치에 올려놓고 Reflow 공정을 수행하면 Solder Ball이 용융된 후 다시 응고하면서 PCB Pad와 접합된다. 이렇게 형성된 접합부를 통해 Package 내부의 신호가 PCB의 구리 배선으로 전달될 수 있다.
3.2 PCB Trace란 무엇인가?
PCB Trace는 PCB 위에 형성된 구리 배선으로, 부품 사이에서 전기 신호나 전력을 전달하는 통로이다. 예를 들어 NAND Flash와 SSD Controller가 동일한 PCB 위에 있다면, 두 부품의 신호 단자를 PCB Trace로 연결하여 데이터를 주고받을 수 있다.
3.3 Via란 무엇인가?
Via는 PCB의 서로 다른 구리 배선층을 전기적으로 연결하는 구조이다. PCB에 구멍을 형성하고 내부 벽면에 구리를 도금하는 등의 방법으로 층간 접속을 구현할 수 있다. 따라서 신호는 Via를 통해 한 배선층에서 다른 배선층으로 이동할 수 있다.
[그림 2]에서 볼 수 있듯이 PCB Pad가 반드시 Via를 거쳐 Trace와 연결되는 것은 아니다. 동일한 배선층에서 경로를 구성할 수 있다면 Pad와 Trace를 직접 연결할 수 있다. 반면 배선 공간이 부족하거나 내부 배선층을 사용해야 한다면 Via가 필요할 수 있다.
Via는 연결되는 층의 범위에 따라 Through-Hole Via, Blind Via, Buried Via 등으로 구분된다. 여기에서는 세부 제조 방법보다는 Via가 PCB 내부에서 층간 연결을 담당한다는 점을 이해하면 충분하다.
4. PCB에서 Connector까지
Connector는 PCB를 다른 기판이나 외부 장치와 전기적으로 연결하는 접속 구조이다. 예를 들어 M.2 SSD에서는 PCB의 가장자리에 형성된 금속 접점이 메인보드의 M.2 Socket과 접촉한다. 이러한 구조를 Edge Connector 방식이라고 한다.
SSD 내부의 신호는 PCB Trace를 따라 Edge Connector의 접점까지 전달되며, 메인보드에 장착된 후에는 해당 접점을 통해 Host와 통신할 수 있다. 다만 모든 PCB Trace가 Connector까지 연결되는 것은 아니다. PCB에 실장된 두 반도체 사이에서만 사용되는 신호도 있으며, 전원이나 GND에 연결되는 배선도 존재한다.
4.1 SSD에서의 실제 연결 경로
PCIe 기반 NVMe SSD를 예로 들면, NAND Flash와 SSD Controller 사이의 연결과 SSD Controller와 Host 사이의 연결은 서로 다른 인터페이스를 사용한다.
NAND Flash와 SSD Controller는 NAND I/O 인터페이스를 통해 데이터를 주고받는다. 대표적으로 ONFI와 같은 인터페이스 규격이 사용될 수 있다. 반면 PCIe 기반 NVMe SSD에서는 SSD Controller가 PCIe 인터페이스를 통해 Host와 통신한다.
따라서 NAND Flash의 신호가 PCB Trace를 따라 Connector까지 그대로 전달되는 것은 아니다. NAND와 통신한 SSD Controller가 데이터를 처리하고, 별도의 Host Interface를 통해 정보를 전달한다.
이처럼 PCB 위에는 다양한 종류의 신호 경로가 존재하며, 각 경로는 연결되는 부품과 인터페이스 규격에 따라 다르게 설계된다.
5. Package와 PCB 연결 시 고려할 사항
5.1 Signal Integrity
전기적 접속부와 PCB Trace가 연결되어 있다고 해서 신호가 항상 정상적으로 전달되는 것은 아니다. 고속 신호는 Package 내부 배선, BGA Solder Ball, PCB Pad, Via, PCB Trace 등 여러 구조를 통과한다. 이 과정에서 각 구조의 임피던스가 달라지면 신호 반사가 발생할 수 있다. 또한 긴 배선에서의 손실이나 주변 배선과의 간섭도 신호 품질에 영향을 줄 수 있다.
따라서 고속 인터페이스에서는 배선의 임피던스, 길이, Via의 배치, 신호 사이의 간섭 등을 고려하여 PCB를 설계해야 한다.
5.2 Return Path
전기 신호가 전달되기 위해서는 전류가 흐르는 폐회로가 형성되어야 한다. 따라서 신호가 전달되는 배선뿐만 아니라 전류가 돌아오는 Return Path도 중요하다.
고속 신호에서는 보통 인접한 GND Plane 등의 기준 도체가 Return Path를 제공한다. 이때 신호 배선 아래의 기준면이 끊어지거나 층을 변경하면서 Return Path가 불연속해지면 신호 품질이 나빠질 수 있다.
이처럼 PCB 설계에서는 신호가 이동하는 경로와 함께 Return Path도 고려해야 한다.
5.3 Power와 GND 연결
PCB는 데이터 신호뿐만 아니라 부품에 필요한 전력도 전달한다.
반도체는 Package의 전원 단자를 통해 전력을 공급받으며, PCB의 전원 배선 및 GND 경로가 이를 지원한다. 예를 들어 SSD의 PMIC는 필요한 전원 전압을 생성하거나 조절하고, PCB의 배선과 전원 Plane 등을 통해 각 부품에 전력을 공급한다. 이 과정에서는 배선 저항에 의한 전압 강하, 전원 노이즈, 전류 변화에 따른 전압 변동을 고려해야 한다. 또한 Decoupling Capacitor를 적절히 배치하여 전원 안정성을 확보할 필요가 있다.
6. 정리
Package와 PCB의 연결은 단순히 반도체 칩을 기판 위에 장착하는 과정이 아니라, Die에서 발생한 전기 신호가 다른 부품이나 외부 장치까지 전달될 수 있도록 물리적인 경로를 구성하는 과정이다.
BGA Package를 기준으로 보면 Die의 I/O Pad에서 시작한 신호는 Package 내부의 접속부와 배선을 거쳐 Solder Ball에 도달하며, PCB Pad와 접합된 후 PCB Trace를 통해 다른 부품으로 전달된다.
이때 필요한 경우 Via를 사용해 배선층을 변경하고, 외부 장치와 통신하는 신호라면 Connector까지 연결할 수 있다. 또한 이러한 경로에서는 단순한 전기적 연결뿐만 아니라 Signal Integrity, Return Path, 전원 안정성 등을 함께 고려해야 한다.
결국 Package와 PCB 연결을 이해한다는 것은 반도체 내부의 전기 신호가 실제 하드웨어에서 어떤 경로를 통해 전달되는지 이해하는 것이다.
참고자료
- 삼성전기, FCBGA Package Substrate 구조 및 접속 방식
https://www.samsungsem.com/kr/product/substrate/package-substrate/fcbga.do - Texas Instruments, PCB Design Guidelines for 0.5mm Package-on-Package Applications Processor, Part I
https://www.ti.com/lit/an/sprabb3/sprabb3.pdf - Texas Instruments, TPS62130 데이터시트 및 PCB Layout Guidelines
https://www.ti.com/product/TPS62130 - Kingston Technology, Data Transfers within an SSD
https://www.kingston.com/en/ssd/data-protection - PCI-SIG, PCI Express M.2 Specification Overview
https://pcisig.com/specification-overview/pci-express-m2 - Analog Devices, A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout
https://www.analog.com/en/resources/analog-dialogue/articles/high-speed-printed-circuit-board-layout.html - ONFI Workgroup, Open NAND Flash Interface
https://www.onfi.org/
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