핀 그리드 배열
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1. 개요
핀 그리드 배열(PGA)은 집적 회로 패키징의 한 유형으로, 사각형 배열로 금속 핀이 부착된 형태로 제작된다. 이 핀들은 인쇄 회로 기판(PCB)에 쉽게 납땜할 수 있으며, 핀 간격은 일반적으로 2.54mm(0.1인치)이다. PGA는 핀의 배열 방식과 사용된 재료에 따라 세라믹, 플라스틱, 유기, 플립 칩, 스터거드, 리듀스드 핀 그리드 배열 등으로 분류된다. 칩은 핀이 있는 면에 직접 장착되거나 플립 칩 방식을 사용하여 연결될 수 있다.
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| 핀 그리드 배열 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 집적 회로 패키지 |
| 약칭 | PGA |
| 개발 | 1980년대 |
| 용도 | 마이크로프로세서, 집적 회로 |
| 상세 | |
| 설명 | 핀이 격자 형태로 배열된 표면 실장형 패키지 기술이다. |
| 특징 | 높은 핀 밀도 더 나은 열 성능 큰 크기 |
| 장점 | 많은 수의 핀을 수용 가능 신호 무결성 향상 효율적인 열 분산 |
| 단점 | 크기가 큼 삽입 및 제거 시 어려움 다른 패키지 유형보다 비쌈 |
| 변형 | |
| 종류 | 세라믹 핀 그리드 배열 (CPGA) 플라스틱 핀 그리드 배열 (PPGA) 플립칩 핀 그리드 배열 (FC-PGA) |
| 설명 | 다양한 재료와 구성으로 제공된다. |
| 응용 | |
| 사용 분야 | 마이크로프로세서 칩셋 고성능 집적 회로 |
| 예시 | 인텔 i386 및 i486 모토로라 68000 |
| 대체 기술 | |
| 종류 | 랜드 그리드 배열 (LGA) 볼 그리드 배열 (BGA) 쿼드 플랫 팩 (QFP) |
| 설명 | 더 작고 발전된 패키지 기술 |
2. 특징
핀 그리드 배열(PGA)은 집적 회로를 패키징하는 방식 중 하나로, 세라믹 또는 플라스틱 재질의 기판 바닥에 금속 핀들이 일정한 간격으로 배열된 형태를 가진다. 핀 간격은 주로 2.54mm(약 0.25cm)이며, 이 핀들을 인쇄 회로 기판(PCB)의 구멍에 삽입하여 납땜하는 방식으로 장착한다. 핀 그리드 배열은 이중 직렬 패키지(DIP)와 같은 이전 패키지 방식에 비해 핀 수가 많아 공간 효율성이 높다.
PGA는 재료에 따라 세라믹 핀 그리드 배열(CPGA), 플라스틱 핀 그리드 배열(PPGA), 유기 핀 그리드 배열(OPGA)로 나눌 수 있으며, 구조에 따라 플립 칩 핀 그리드 배열(FCPGA), 스터거드 핀 그리드 배열(SPGA), 리듀스드 핀 그리드 배열(rPGA)로 나눌 수 있다.
PGA는 바닥면에 단자를 갖기 때문에 DIP나 QFP와 같은 패키지 측면에서 단자를 내는 형태에 비해 더 많은 연결 단자를 배치할 수 있어 CPU에 대표되는 고기능 디지털 반도체용 패키지로 개발되었다.
연결 단자인 핀은 주로 패키지 중앙을 피해 바깥쪽 둘레에 2열에서 5열 정도로 2.54mm (약 0.25cm)나 1.27mm (약 0.13cm) 간격으로 규칙적으로 배치되며, 핀 수가 많은 경우에는 중앙에도 핀이 배치된다. 또한 오삽입 방지를 위해 의도적으로 대칭성을 깨뜨린 배치를 하기도 한다. PGA를 인쇄 회로 기판에 실장할 때는, 스루 홀 실장을 통해 미리 IC 소켓을 기판에 납땜해두고, 그 소켓에 PGA를 삽입하는 형식이 일반적이지만, PGA의 핀을 직접 기판에 삽입하여 납땜하는 방법도 있다. 또한 강도를 포함한 신뢰성 측면에서 문제가 있지만, 기판을 관통하는 스루 홀이 아닌 핀 끝만 기판 표면의 동박 패턴에 납땜하는 표면 실장 기술을 이용하는 기법도 있다.[1]
3. 종류
3. 1. 재료에 따른 분류
핀 그리드 배열은 재료에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.3. 1. 1. 세라믹 핀 그리드 배열 (CPGA)
세라믹 핀 그리드 배열(CPGA)은 집적 회로 패키징의 한 종류이다. CPGA는 세라믹 기판에 핀 그리드 배열 형태로 핀들이 배치된 구조를 가진다.[7] 초기에는 "PGA"로 불렸으나, 플라스틱 재질의 PPGA가 등장하면서 구분을 위해 "CPGA"라는 명칭이 사용되기 시작했다. PGA 초기에는 세라믹의 형상 정밀도를 유지하기 어려워 일본의 특정 세라믹 제조사가 독점하기도 했다. CPGA는 레이저 마킹 시 선명한 결과를 얻기 어렵다는 단점이 있다.
CPGA는 AMD 소켓 A 기반의 애슬론 및 듀론 프로세서와 소켓 AM2, 소켓 AM2+ 기반의 일부 AMD 프로세서에 사용되었다. 다른 제조사에서도 유사한 형태를 사용했지만, 공식적으로 CPGA로 불리지는 않는다.
3. 1. 2. 플라스틱 핀 그리드 배열 (PPGA)
인텔 소켓 370 기반의 후기형 멘도시노 코어 셀러론 프로세서에 플라스틱 핀 그리드 배열(PPGA) 패키징이 사용되었다.[3] PPGA는 PGA 본체에 플라스틱 몰드를 사용하여 제조 비용을 절감할 수 있었지만, 습도에 대한 내성 및 온도 특성은 저하되었다.[7] 세라믹보다 열 저항이 높은 플라스틱을 사용하기 때문에 발열량이 큰 IC에서는 다이와 접촉하는 위치의 내부 윗면에 알루미늄 방열판을 갖추기도 한다. 소켓 8 이전 프로세서에도 유사한 폼 팩터를 사용한 것이 있지만, 공식적으로 PPGA라고 불리지는 않는다.
3. 1. 3. 유기 핀 그리드 배열 (OPGA)
유기 플라스틱으로 만들어진 판에 실리콘 다이가 부착되어 있으며, 이 판에는 핀 배열이 뚫려 있어 소켓에 필요한 연결을 제공하는 집적 회로, 특히 CPU의 연결 방식 중 하나이다.[4]
OPGA는 핀이 삽입된 유기 플라스틱 인터포저 위에 다이가 실장된 것이다.[6]
3. 2. 구조에 따른 분류
핀 그리드 배열(PGA)은 칩 바닥면에 단자를 배치하여 측면에서 단자를 내는 방식보다 더 많은 연결 단자를 만들 수 있어 CPU와 같은 고성능 디지털 반도체에 적합하다. PGA는 구조에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.3. 2. 1. 플립 칩 핀 그리드 배열 (FCPGA)
플립 칩 핀 그리드 배열(Flip-Chip Pin Grid Array, FCPGA)은 다이가 기판 상단에 아래를 향하도록 뒤집어 부착된 형태의 핀 그리드 배열이다. 다이 뒷면이 노출되어 방열판이나 냉각 장치와 더 직접적으로 접촉할 수 있기 때문에 냉각 효율이 높다.[2]
FCPGA CPU는 1999년 인텔에서 소켓 370 기반 코퍼마인 코어 펜티엄 III 및 셀러론 프로세서에 도입되었으며,[2] 이후 인텔 소켓 G3까지 생산되었다. FCPGA 프로세서는 제로 삽입력(ZIF) 소켓 마더보드에 장착되며, AMD에서도 유사한 패키지를 사용했다.
PGA는 칩의 바닥면에 단자를 배치하여 DIP나 QFP와 같이 측면에서 단자를 내는 방식보다 더 많은 연결 단자를 만들 수 있어 CPU와 같은 고성능 디지털 반도체에 적합하다.
플립 칩 기술의 발전으로 가능해진 FCPGA 방식은 외부 충격으로부터 다이를 보호하기 위한 범퍼 설치와 같은 추가적인 설계가 필요하다.
3. 2. 2. 스터거드 핀 그리드 배열 (SPGA)
소켓 5 및 소켓 7 기반 인텔 프로세서에 사용되었다. 소켓 8은 프로세서의 절반에 부분 SPGA 레이아웃을 사용했다.[7]
SPGA는 핀 간 최소 거리의 절반만큼 양 방향으로 오프셋된 두 개의 정사각형 핀 배열로 구성된다. 즉, 정사각형 경계 내에서 핀은 대각선 격자를 형성한다. 일반적으로 패키지 중앙에는 핀이 없는 구역이 있다. SPGA 패키지는 마이크로프로세서와 같이 PGA가 제공할 수 있는 것보다 높은 핀 밀도가 필요한 장치에 사용된다.
스태거드 핀 그리드 배열(Staggered Pin Grid Array, SPGA)은 핀이 엇갈린 배열로 배치된 PGA를 의미한다. 100mil 단위와 50mil 단위의 정방형 핀 배치 중간 형태를 갖는다. 정방형 50mil을 포함한 엇갈린 배열은 기존의 정방형 100mil로는 핀 수가 증가함에 따라 패키지 크기와 기판 점유 면적이 과도하게 커지는 문제를 해결하기 위해 핀 간격을 좁혀 대응한 방식이다.
3. 2. 3. 리듀스드 핀 그리드 배열 (rPGA)
리듀스드 핀 그리드 배열(reduced pin grid array, rPGA)은 인텔 i3/i5/i7 프로세서의 소켓 방식 모바일 변종에 사용되었으며, 핀 간격이 1mm인 것이 특징이다.[6] 이는 AMD 프로세서와 이전 인텔 프로세서에서 사용되던 1.27mm 핀 간격과 비교된다. 이 방식은 G1, G2, G3 소켓에 사용된다.
4. 칩 장착 방식
칩은 핀이 있는 면(상단) 또는 반대 면(하단)에 장착될 수 있다. 연결은 와이어 본딩 또는 플립 칩 장착을 통해 이루어진다. 일반적으로 PGA 패키지는 칩이 핀이 있는 쪽에 장착될 때 와이어 본딩을 사용하고, 칩이 상단에 있을 때는 플립 칩 방식을 사용한다. Zen 2 및 Zen 3 AM4 소켓용 라이젠 CPU와 같이 일부 PGA 패키지에는 여러 개의 다이가 포함되기도 한다.
4. 1. 와이어 본딩
이 방식은 AMD사의 소켓 A용 애슬론 XP에서 도입되었다. AMD의 소켓 754, 소켓 939, 소켓 940, 소켓 AM2, 소켓 AM2+용 프로세서에서도 사용되고 있다.4. 2. 플립 칩
플립 칩 핀 그리드 배열(FC-PGA 또는 FCPGA)은 다이가 기판 상단에 아래를 향하도록 하여 다이 뒷면이 노출된 형태의 핀 그리드 배열이다. 이를 통해 다이는 방열판 또는 다른 냉각 메커니즘과 더 직접적으로 접촉할 수 있다.
FC-PGA CPU는 1999년 인텔에 의해 소켓 370 기반의 코퍼마인 코어 펜티엄 III 및 셀러론[2] 프로세서용으로 도입되었으며, 2013년 인텔 소켓 G3까지 생산되었다. FC-PGA 프로세서는 제로 삽입력 (ZIF) CPU 소켓 마더보드 소켓에 장착되며, 유사한 패키지가 AMD에서도 사용되었다. AMD사의 소켓 A용 애슬론 XP에서 도입된 방식이며, 소켓 754, 소켓 939, 소켓 940, 소켓 AM2, 소켓 AM2+용 프로세서에서도 사용되고 있다.
참조
[1]
서적
Proceedings of the International Conference on Nano-electronics, Circuits & Communication Systems
https://books.google[...]
Springer
2017-03-24
[2]
웹사이트
Intel Releases New Design for sub-$1,000 PCs
Philippine Daily Inquirer
2000-04-24
[3]
서적
PC Hardware in a Nutshell: A Desktop Quick Reference
https://books.google[...]
O'Reilly Media, Inc.
2003-07-24
[4]
웹사이트
BGA socket/BGA 소켓
http://www.jsits.com[...]
Jsits.com
2015-06-05
[5]
웹사이트
link
http://www.atplas.co[...]
[6]
웹사이트
Molex Sockets for Servers, Desktops and Notebooks Earn Intel® Validation
https://web.archive.[...]
2016-03-15
[7]
웹사이트
半導体パッケージとは - IT用語辞典
https://e-words.jp/w[...]
2024-02-06
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