PoP ball pitch가 작아지면 배선 층수는 어디서 늘어날까
PoP를 쓰면 메모리를 프로세서 위에 올릴 수 있다. 둘 사이의 신호를 PCB 밖으로 길게 빼지 않아도 된다는 장점이 있다. 그런데 바닥의 ball 배열이 촘촘해지면, 남아 있는 신호를 밖으로 꺼내는 일이 갑자기 어려워진다. 같은 개수의 핀인데 배선 층수가 늘어나는 이유를 알려면 핀 수보다 먼저 pad 사이의 통로를 봐야 한다. 이것이 PoP Escape Routing의 출발점이다.
ball pitch는 pad 중심 사이 거리다. 배선이 쓸 수 있는 공간은 그 거리 전체가 아니다. 같은 지름의 원형 copper pad가 일렬로 놓였다면 가장 좁은 통로의 폭은 pitch에서 pad 지름을 뺀 값이다. trace 자체의 폭뿐 아니라 양쪽 copper와의 clearance도 그 안에 들어가야 한다. trace 하나가 가늘어 보인다는 이유로 통과한다고 판단하면 양옆 간격을 빠뜨리기 쉽다.
TI의 0.4 mm PoP PCB 설계 지침 10–11절은 OMAP35x와 BeagleBoard 사례에서 pitch 400 μm, copper pad 280 μm를 사용하고, pad 사이에 trace를 허용하지 않는다. 외곽 ball을 제외한 연결은 via-in-pad로 아래층에 내려 보냈다. 이는 해당 package와 조립 경험에서 나온 설계이며 모든 PoP에 필요한 층수가 같다는 뜻은 아니다.
통로 문제만 따로 계산해 보자. 직선 trace가 가장 좁은 pad 사이를 지나고, 최소 trace 폭과 모든 copper clearance를 각각 3 mil, 즉 76.2 μm로 가정한다. pad 사이 폭은 400 − 280 = 120 μm다. trace 하나에 필요한 폭은 다음과 같다.
76.2 + 76.2 + 76.2 = 228.6 μm
필요한 폭이 통로보다 108.6 μm 크다. 선을 비스듬히 그린다고 가장 좁은 단면이 넓어지는 것은 아니다. 이 가정에서 한 선도 통과할 수 없다. solder mask opening이 copper pad보다 작더라도 copper끼리의 전기적 clearance 계산에서는 copper 경계를 써야 한다. mask의 폭과 배선 가능한 폭을 혼동하면 안 된다.
이번에는 서로 다른 가상 footprint를 비교하자. pitch 500 μm, pad 지름 250 μm이면 통로는 250 μm다. 같은 규칙으로 한 선은 통과하지만 두 선에는 2 × 76.2 + 3 × 76.2 = 381 μm가 필요해서 통과하지 못한다. pitch만 650 μm로 늘리면 통로 400 μm에 두 선이 들어간다. 일반적으로 선 N개에는 N × 선폭 + (N + 1) × clearance가 필요하다. 이 식은 최소 단면의 기하 조건이며 실제 자동 배선 성공률은 아니다.
via를 놓으면 문제는 수평 공간과 수직 연결로 나뉜다. drill 지름만 보고 작은 구멍이 들어간다고 판단해서는 안 된다. 주변 annular copper pad와 clearance도 공간을 차지한다. 가상으로 via의 copper 지름이 200 μm라면 양쪽 clearance를 포함한 352.4 μm가 필요하다. 폭 250 μm의 같은 직선 통로에는 들어가지 않는다. 이 결과는 그 통로에 via를 넣는 배치를 배제할 뿐, 배열의 빈 곳이나 다른 방향에 놓는 모든 dog-bone 배치를 배제하지 않는다.
via-in-pad는 pad 밑으로 내려가므로 옆 통로를 차지하는 부담을 줄인다. 대신 via fill, 평탄화와 cap의 조립 품질을 확인해야 한다. TI 지침 14–16절도 사용한 filled via와 추가 공정을 설명한다. 아래층을 얻었다고 배선이 자동으로 완성되는 것도 아니다. via들이 만든 장애물, 실제 사용하는 signal layer, 전원과 접지 기준면, 제조 가능한 blind via 깊이가 함께 제한을 만든다.
따라서 pitch가 줄면 무조건 두 층을 추가한다는 식의 답은 없다. 먼저 가장 좁은 통로에 몇 선이 들어가는지 계산하고, 못 빠져나오는 안쪽 ball을 어느 층으로 내려 보낼지 그려야 한다. 그다음에 실제 제조 규칙으로 배선과 조립을 확인한다. PoP Escape Routing에서 층수는 처음 정하는 마법의 숫자가 아니라, 평면에서 해결하지 못한 연결을 수직으로 분산한 결과다.