PCB 설계에서 비아란? 비아 종류와 Via-in-Pad 설계 가이드

인쇄 회로 기판(PCB) 설계는 전자 제품 개발에서 매우 중요한 요소입니다. PCB는 전자 부품을 체계적이고 컴팩트하게 배치하여 효율적인 신호 전송을 가능하게 하고 전기적 간섭 위험을 줄입니다. PCB 설계의 핵심 요소 중 하나인 비아(Via)는 기판에 가공된 작은 홀로, 보드의 서로 다른 층 사이에 전기적 연결을 제공합니다.

이 글에서는 PCB 비아의 종류, 설계 고려 사항 및 적용 분야를 포괄적으로 살펴봅니다. 또한 PCB 설계에 적합한 비아 유형을 선택하는 일이 왜 중요한지, 그리고 그 선택이 제품의 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 설명합니다.

PCB 비아(Via)란?

비아는 PCB에 가공되어 기판의 서로 다른 층을 연결하는 작은 홀입니다. 비아 내부에는 구리와 같은 도전성 재료가 도금되어 있어 전류가 홀을 통과하고 층 사이를 연결할 수 있습니다. 비아는 보드의 여러 층 사이에 전기적 및 열적 연결을 제공하므로 다층 PCB 설계에 필수적입니다.

비아는 보드 전체 두께를 관통하여 모든 층을 연결할 수도 있고, 보드 일부만 관통하여 몇 개의 층만 연결할 수도 있습니다. 비아의 크기와 형상은 적용 분야 및 설계 요구 사항에 따라 달라집니다. 비아는 원형 또는 비원형일 수 있으며, 직경은 수 mil에서 수백 mil까지 다양합니다.

비아 배치도 PCB 설계에서 매우 중요합니다. 비아는 신호를 방해하거나 전기적 노이즈를 유발할 수 있으므로 일반적으로 핵심 부품이나 트레이스가 없는 영역에 배치합니다. 또한 비아의 위치는 보드의 열 성능에도 영향을 미칠 수 있으므로, 배치 시 설계의 열 요구 사항을 고려해야 합니다.

PCB 비아 종류

PCB 설계에는 고유한 특성과 적용 분야를 지닌 여러 비아 유형이 있습니다. 다음은 PCB 설계에서 가장 일반적으로 사용되는 비아 유형입니다.

1. 관통 비아:

관통 비아는 PCB 설계에서 가장 일반적인 비아 유형입니다. 기판 전체 두께를 관통하여 모든 층을 연결하는 홀입니다. 관통 비아는 일반적으로 대전류 연결 또는 보드의 기계적 지지에 사용됩니다. 또한 층 사이에 견고하고 연속적인 연결이 필요한 애플리케이션에 유용합니다.

2. 블라인드 비아:

블라인드 비아는 보드의 최외층과 하나 이상의 내부 층을 연결하지만, 보드 전체 두께를 관통하지는 않는 홀입니다. 블라인드 비아는 공간이 제한된 고밀도 PCB 설계에 주로 사용됩니다. 귀중한 보드 공간을 차지하는 관통 비아 없이 외층과 내층을 연결할 수 있습니다.

3. 매립 비아:

매립 비아는 보드의 두 개 이상의 내부 층을 연결하지만 최외층까지 연결되지는 않는 홀입니다. 매립 비아는 보드 내부 층 사이에 많은 연결이 필요한 고밀도 PCB 설계에 유용합니다. 보드 크기를 늘리지 않고 더 많은 연결을 구현할 수 있는 공간 절약형 솔루션입니다.

4. 비아-인-패드:

비아-인-패드는 부품 패드 바로 아래에 배치되는 홀입니다. 비아-인-패드 기술은 공간이 매우 제한적인 고밀도 PCB 설계에 유용합니다. 비아-인-패드는 부품과 보드 사이를 더 직접적으로 연결하여 트레이스 길이를 줄이고 신호 품질을 개선합니다. 또한 조립 공정 중 비아가 도전성 재료로 채워지므로 솔더 브리징 위험도 줄일 수 있습니다.

5. 마이크로비아:

마이크로비아는 일반적으로 직경이 6 mil 미만인 소구경 비아입니다. 마이크로비아는 공간이 제한되고 많은 연결이 필요한 고밀도 PCB 설계에 유용합니다. 또한 신호 무결성이 중요한 고주파 애플리케이션에도 적합합니다.

6. 스택 비아:

스택 비아는 두 개 이상의 홀을 서로 위에 쌓아 가공하여 만든 비아입니다. 스택 비아는 층 사이에 많은 연결이 필요한 고밀도 PCB 설계에 유용합니다. 보드 크기를 늘리지 않고 더 많은 연결을 구현할 수 있는 공간 절약형 솔루션입니다.

7. 비아 텐팅:

비아 텐팅은 오염 물질이나 수분의 유입을 막기 위해 솔더 마스크 또는 에폭시와 같은 비전도성 재료로 비아를 덮는 공정입니다. 비아 텐팅은 부식 또는 보드 손상 위험이 있는 열악한 환경에서 유용합니다. 또한 보드의 외관을 개선하고 우발적인 단락 위험을 줄입니다.

PCB 비아 설계 시 고려 사항

PCB를 설계할 때는 비아의 설계와 배치를 고려하는 것이 중요합니다. 비아가 잘못 설계되거나 배치되면 보드의 성능과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. 다음은 PCB 비아 설계 시 중요한 고려 사항입니다.

1. 비아 종횡비 계산기:

비아의 종횡비는 비아 깊이와 직경의 비율입니다. 종횡비는 비아의 전류 전도 능력과 도금 두께에 영향을 미칩니다. 종횡비가 높은 비아는 더 긴 도금 사이클이 필요할 수 있으며, 그 결과 도금층이 두꺼워질 수 있습니다. 종횡비가 낮은 비아는 도금층이 더 얇을 수 있어 비아의 전도성에 영향을 줄 수 있습니다. 비아 종횡비 계산기는 특정 설계에 적합한 종횡비를 결정하는 데 도움이 됩니다.

2. mil 단위의 표준 비아 크기:

표준 비아 크기는 일반적으로 mil 단위로 측정되며 PCB 두께와 제조업체의 제조 역량에 따라 달라집니다. 표준 비아 크기는 보드의 제조 비용, 수율 및 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. 비아 크기를 선택할 때는 제조업체의 역량을 고려하고, 설계 요구 사항에 맞는 크기인지 확인해야 합니다.

3. PCB 애뉼러 링 계산기:

애뉼러 링(annular ring)은 비아를 둘러싼 구리 링입니다. 애뉼러 링의 크기는 비아의 신뢰성과 성능을 결정하는 중요한 요소입니다. 애뉼러 링이 작으면 비아와 구리 패드 사이의 연결이 약해져 전도성과 신뢰성이 낮아질 수 있습니다. 애뉼러 링이 크면 제조 비용이 증가하고 보드 밀도가 낮아질 수 있습니다. PCB 애뉼러 링 계산기는 특정 설계에 적합한 애뉼러 링 크기를 결정하는 데 도움이 됩니다.

4. 비아 도금 두께:

비아의 도금 두께는 전도성과 신뢰성에 영향을 미칩니다. 도금층이 두꺼우면 비아 전도성이 개선될 수 있지만 제조 비용이 증가하고 보드 밀도가 낮아질 수도 있습니다. 도금층이 얇으면 제조 비용을 줄이고 보드 밀도를 높일 수 있지만 비아의 전도성과 신뢰성에 영향을 줄 수 있습니다. 비아를 설계할 때는 도금 두께를 고려하고, 적용 분야에 적합한지 확인해야 합니다.

5. PCB 레이아웃의 스텁이란?

스텁(stub)은 비아에 연결된 추가 트레이스 길이입니다. 스텁은 신호 반사를 일으키고 신호 무결성을 방해하여 성능과 신뢰성을 낮출 수 있습니다. 스텁 길이를 최소화하고 가능한 한 짧게 유지하는 것이 중요합니다. 또한 스텁의 임피던스를 고려하여 트레이스의 임피던스와 일치하도록 해야 합니다.

비아-인-패드(Via-in-Pad) 설계란?

비아-인-패드 기술은 고밀도 PCB 설계에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 비아-인-패드 기술에서는 비아를 부품 패드 바로 아래에 배치하여 부품과 보드 사이를 더 직접적으로 연결합니다. 이 기술은 신호 품질 향상, 트레이스 길이 단축 및 솔더 브리징 위험 감소 등 여러 장점을 제공합니다.

JLCPCB 비아-인-패드란?

JLCPCB 비아-인-패드는 6~20층 PCB에서 무료 POFV(Plated Over Filled Via)로 업그레이드되었으며, 향후 모든 고층수 보드의 기본 무료 옵션으로 계속 제공됩니다. 이는 샘플 주문이든 배치 주문이든 해당 비용이 더 이상 총가격에 추가되지 않아, 모든 사용자가 JLCPCB의 고급 제조 기술의 이점을 누릴 수 있음을 의미합니다.

비아-인-패드의 장점

비아-인-패드 기술은 제조 과정에서 패드에 작은 홀을 가공하고 도전성 재료로 채우는 방식입니다. 이 공정은 별도 비아가 필요하지 않아 보드 크기를 줄이고 밀도를 높입니다. 또한 트레이스 길이를 줄여 신호 품질을 개선하고 간섭 및 노이즈 위험을 낮춥니다. 더불어 제조 과정에서 비아를 도전성 재료로 채우므로 솔더 브리징 위험도 줄일 수 있습니다.

JLCPCB는 고밀도 PCB 설계를 위한 무료 비아-인-패드 기술을 제공하는 PCB 제조업체입니다.

JLCPCB 비아-인-패드 설계 시 고려 사항:

JLCPCB의 비아-인-패드 기술을 사용할 때는 다음 사항을 고려해야 합니다.

A. 최소 비아 크기:

JLCPCB는 비아-인-패드 기술에 최소 0.2mm의 비아 크기를 권장합니다. 이 크기는 비아가 부품의 납땜 공정을 방해하지 않으며 충분한 전도성을 제공하도록 합니다.

B. 최소 애뉼러 링 크기:

JLCPCB는 비아-인-패드 기술에 최소 0.1mm의 애뉼러 링 크기를 권장합니다. 이 크기는 비아에 충분한 구리 피복을 제공하여 우수한 전도성과 신뢰성을 확보합니다.

C. 비아 충진:

JLCPCB는 제조 과정에서 도전성 페이스트를 사용하여 비아를 충진합니다. 도전성 페이스트는 우수한 전도성을 제공하고 부품이나 보드에 부정적인 영향을 주지 않도록 신중히 선택됩니다.

D. 부품 이격 거리:

비아-인-패드 기술을 사용할 때는 비아가 부품 배치나 작동을 방해하지 않도록 부품 이격 거리를 고려해야 합니다. JLCPCB는 비아와 부품 패드 사이에 최소 0.1mm의 이격 거리를 권장합니다.

E. 솔더 마스크:

JLCPCB는 솔더 마스크 개구부가 페이스트가 인접 패드로 넘치지 않도록 부품 패드보다 약간 크게 설계될 것을 권장합니다.

F. 비아-인-패드의 제한 사항:

JLCPCB의 비아-인-패드 기술에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 이 기술은 패드가 큰 부품이나 많은 양의 솔더 페이스트가 필요한 부품에는 적합하지 않습니다. 또한 높은 신뢰성이나 높은 전류가 필요한 애플리케이션에는 비아-인-패드 기술이 적합하지 않을 수 있습니다.

결론:

PCB 설계에 적합한 비아를 선택하는 일은 보드의 성능, 신뢰성 및 제조 비용에 영향을 미칠 수 있는 중요한 결정입니다. 비아를 선택할 때는 애플리케이션의 구체적인 요구 사항, PCB 제조업체의 역량 및 업계 표준과 모범 사례를 고려해야 합니다.

PCB 제조업체와 긴밀히 협력하고 모범 사례 및 업계 표준을 따르면, 선택한 비아가 특정 애플리케이션에 맞게 최적화되고 신뢰성 있는 작동을 제공하도록 할 수 있습니다.