고급 PCB의 베리드 비아: 더 높은 밀도, 더 나은 신호 무결성, 더 컴팩트한 설계 구현

최신 스마트폰 메인보드가 어떻게 신용카드만 한 기판에 수천 개의 연결을 담아낼 수 있는지 궁금하신 적이 있으십니까? 그 답의 상당 부분은 베리드 비아에 있습니다. 베리드 비아는 기판 내부에만 존재해 어느 쪽 표면에서도 보이지 않는 인터커넥트입니다. 가장 많은 일을 조용히 해내면서, 부품과 미세 배선이 들어갈 자리를 비워 줍니다. 일상적으로 쓰이는 2층 설계 대부분에는 일반 스루홀 비아로 충분합니다.

하지만 고밀도 인터커넥트(HDI) 수준, 고밀도 BGA, 고속 버스, 좁은 폼 팩터에 이르면 베리드 비아는 더 이상 사치가 아니라 필수가 됩니다. 베리드 비아는 층수, 배선 채널, 신호 무결성을 바라보는 관점을 한꺼번에 바꿔 놓습니다. 이 가이드에서는 베리드 비아의 정의, 베리드 비아·블라인드 비아·스루홀 비아의 차이, 지켜야 할 설계 가이드라인, 그리고 순차 적층의 제조 공정을 살펴보겠습니다. 글을 다 읽고 나면 베리드 비아를 언제 사용해야 하는지, 그리고 그에 따라 복잡성이 얼마나 늘어나는지 판단하실 수 있을 것입니다.

베리드 비아의 이해와 PCB 기술에서의 위치

어떤 비아를 사용하기 전에는 먼저 그 비아가 스택업 안에서 물리적으로 어디에 위치하는지 제대로 이해해야 합니다. 블라인드 비아와 베리드 비아에 대한 혼동도 대부분 여기에서 시작됩니다.

정의 및 스루홀 비아·블라인드 비아와의 비교

베리드 비아는 다층 PCB의 어느 바깥층에도 닿지 않고, 두 개 이상의 내층 구리층을 연결하는 도금 구멍입니다. 바깥층에 완전히 가려져 기판을 적층하고 나면 보이지 않기 때문에 "베리드(묻힌)"라고 부릅니다.

다른 두 가지 대표적인 구조와 비교해 보겠습니다. 스루홀 비아는 기판 전체를 위에서 아래까지 관통하며, 가장 쉽고 경제적으로 만들 수 있습니다. 블라인드 비아는 한쪽 면에서만 보이고 반대쪽 면에서는 보이지 않는 비아입니다.

아래 표는 설계 시 고려해야 할 실질적인 차이를 정리한 것입니다.

핵심 정리: 스루홀 비아는 지나가는 모든 층에서 공간을 차지하는 반면, 베리드 비아 홀은 실제로 연결하는 층만 지나갑니다. 바로 이 차이가 공간이 빠듯한 설계에서 베리드 비아를 강력한 도구로 만듭니다.

베리드 비아가 최신 고밀도 기판에 필수적인 이유

이러한 흐름을 이끄는 것은 최신 부품입니다. 미세 피치 BGA 패키지의 대형 FPGA나 SoC에는 볼이 수백 개에 이를 수 있고, 각 신호는 어디론가 빠져나가야 합니다. 이를 모두 스루홀 비아로 처리하면 공간이 바닥나 이스케이프 배선이 불가능해집니다.

베리드 비아는 기판 깊숙한 곳에서 인터커넥트를 처리하고, 바깥층은 패드와 짧은 팬아웃 트레이스에 쓰도록 해 이 문제를 해결합니다. 그래서 블라인드 비아와 베리드 비아는 HDI 구조의 기반이 됩니다. 점점 줄어드는 2D 공간을 두고 다툴 필요 없이 3D로 배선할 수 있게 해 주기 때문입니다. JLCPCB 같은 제조업체가 이러한 구조를 HDI 서비스의 일부로 제공하는 것도 이 때문입니다. 이러한 구조 없이는 고밀도·고핀 설계를 구현할 방법이 없습니다.

베리드 비아의 구조적·기능적 장점

베리드 비아 홀은 더 많은 트레이스를 넣을 수 있다는 것 외에도 여러 장점이 있습니다. 전기적 성능, 기판 크기, 나아가 전체 층수에도 영향을 미칩니다.

바깥층 간섭을 피한 공간 최적화

첫 번째 장점은 제자리가 따로 있다는 것입니다. 베리드 비아는 표면에 전혀 드러나지 않으므로, 바깥층의 부품 패드, 솔더 마스크 개구부, 표면 트레이스와 절대 간섭하지 않습니다. 바깥층을 도심의 금싸라기 땅이라고 생각해 보십시오. 그 위에 스루홀을 뚫는 것은 땅을 낭비하는 일입니다. PCB 베리드 비아를 사용하면 표면은 꼭 그곳에 있어야 하는 것들을 위해 남겨 둘 수 있습니다.

• 중요한 고속 트레이스를 위해 바깥층 배선 채널을 따로 늘릴 필요가 없습니다.
• 비아가 패드 배열을 끊지 않아 부품 배치가 깔끔해집니다.
• 같은 크기에 더 많은 연결을 넣을 수 있습니다.
• 고밀도 피치 BGA와 QFN의 팬아웃이 향상됩니다.

신호 경로 개선과 기생 효과 감소

베리드 비아는 전기적으로도 도움이 됩니다. 짧고 간결한 인터커넥트는 스택업 전체를 관통하는 스루홀 배럴보다 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 작습니다. 스루홀 비아에서 남는 배럴 부분을 "비아 스터브"라고 하며, 이것이 고주파에서 반사와 삽입 손실의 원인이라는 것은 잘 알려진 사실입니다.

필요한 층에만 닿는 베리드 비아는 이 스터브를 완전히 없애 더 깨끗한 신호 경로를 제공합니다. 그 결과 고속 네트의 임피던스 불연속이 줄고, 인접 층 신호 간 크로스토크가 줄며, 비아가 기준 플레인 가까이에 있다면 리턴 경로 제어도 좋아져 신호 무결성이 향상됩니다.

층수 감소와 소형 폼 팩터 지원

이는 많은 설계자가 잘 모르는 장점 중 하나입니다. 베리드 비아를 사용하면 기판에 필요한 전체 층수를 줄일 수 있는 경우가 있습니다. 모든 인터커넥트가 모든 층을 지나갈 필요가 없어지면 배선 자유도가 높아져, 신호층을 두 개까지 줄일 수도 있습니다. 층수가 줄면 개별 비아 비용은 더 들더라도 기판이 더 가볍고 얇아지며, 전체 비용도 낮아지는 경우가 많습니다. 소형 IoT 모듈과 웨어러블에서는 이러한 절충이 블라인드 비아와 베리드 비아 채택 여부를 가르는 결정적인 요인이 되기도 합니다.

베리드 비아 설계 규칙과 모범 사례

베리드 비아는 계획을 잘 세우면 큰 도움이 되지만, 스택업 설계가 부실하면 골칫거리가 됩니다. 몇 가지 규칙만 철저히 지키면 설계를 제조 가능하게 만들고 높은 수율을 확보할 수 있습니다.

종횡비 한계, 깊이 제어, 배치 가이드라인

가장 중요한 수치는 비아 깊이와 드릴 지름의 비율인 종횡비입니다. 안정적인 도금을 위해 이 비율을 제조업체가 허용하는 범위 안으로 유지해야 하며, 기계식으로 드릴링한 베리드 비아의 경우 보통 8:1~10:1입니다.

비아 지름에 비해 비아가 너무 깊으면 도금액이 원활하게 흐르지 못해 배럴이 고르지 않게 도금되고, 그 결과 개방 회로와 보이드가 생깁니다. 배치와 크기에 관한 규칙은 다음과 같습니다.

1. 스팬에 맞는 지름 결정: HDI에서는 0.15 mm(6 mil) 이하의 베리드 비아 지름이 흔히 쓰이지만, 베리드 비아가 지나가는 층수에 맞는지 확인하십시오.
2. 배럴이 완전하고 고르게 도금되도록 종횡비 기준을 지키십시오.
3. 바깥층 SMT 패드에는 비아를 배치하지 마십시오. 솔더 플럭스가 갇히는 흔한 신뢰성 문제의 원인이 됩니다.
4. 비아를 연결 층 쌍별로 묶어 정리해, 제조업체가 하나의 서브 코어에서 함께 드릴링할 수 있도록 하십시오.

스택업, 임피던스, 비아 스태킹과의 통합

베리드 비아의 성능은 그것이 놓인 스택업을 넘어설 수 없습니다. 각 베리드 비아는 특정 층 쌍 사이를 연결하며, 이는 기판의 적층 단계에 영향을 주므로 미리 지정해야 합니다. 베리드 비아는 보통 짝수 개의 구리층을 가로질러 드릴링하며, 프레스한 적층체의 균형을 유지하기 위해 대칭 서브 코어에 배치합니다. 블라인드 비아 아래에 베리드 비아를 두어 연속으로 연결하는 경우에는, 위쪽 비아가 평평하고 단단한 면에 안착할 수 있도록 베리드 비아를 구리로 충전하고 평탄화해야 하는 경우가 많습니다. 이것이 임피던스 목표와 충돌하지 않는지도 확인하십시오. 비아 전환 과정에서 기준 플레인이 바뀌는데 리턴 경로를 신경 쓰지 않으면, 제어 임피던스 네트가 흐트러질 수 있습니다.

순차 빌드업을 위한 블라인드 비아와의 조율

고급 HDI에서는 베리드 비아와 블라인드 비아를 함께 사용합니다. 베리드 비아는 내층과 코어 사이의 깊은 연결에, 블라인드 비아는 빌드업 과정에서 내층과 바깥층 사이의 연결에 사용됩니다.

PCB 스택업 방식으로 본 블라인드·베리드 비아의 개념은 다음과 같습니다. 먼저 내부의 베리드 코어를 만든 다음, 블라인드 비아가 들어간 바깥층을 그 위에 한 층씩 차례로 쌓습니다. 두 종류의 연결 경로를 나중에 덧붙이듯 처리하지 말고 처음부터 함께 계획하면, 깔끔하고 배선하기 쉬우며 비용 효율적인 순차 빌드업을 구현할 수 있습니다.

제조를 위한 베리드 비아 설계 요구 사항

이러한 파라미터는 레이아웃을 확정하기 전에 PCB 제조업체와 함께 검토해야 합니다. 초기 DFM 검토를 통해 스택업, 드릴링, 정합 문제를 비용이 큰 재설계로 이어지기 전에 찾아낼 수 있습니다.

JLCPCB의 베리드 비아 HDI 제조 역량

JLCPCB의 HDI PCB 제조는 고밀도 설계를 위한 블라인드 비아 및 베리드 비아 구조를 지원합니다. HDI 역량에는 레이저 드릴링 마이크로비아, 다차 HDI 구조, 순차 적층, 그리고 블라인드 비아와 베리드 비아 전용 충전 및 도금 공정이 포함됩니다.

신뢰할 수 있는 베리드 비아를 위한 제조 고려 사항

베리드 비아가 어떻게 제조되는지 알면, 제조 공정을 예상치 못한 문제 없이 통과하는 기판을 설계할 수 있습니다.

순차 적층과 정밀 드릴링 기술

한 번 적층한 뒤 드릴링하는 단순한 기판과 달리, 베리드 비아에는 순차 적층이 필요합니다. 먼저 내부 코어를 독립된 얇은 기판처럼 가공한 다음, 적층체 안에 접합합니다.

대략적인 공정 흐름은 다음과 같습니다.

1. 베리드 비아를 넣을 내층 코어에 이미징과 에칭을 진행합니다.
2. 해당 코어에 베리드 비아 홀을 정확한 깊이 제어 드릴링 또는 코어 관통 드릴링으로 가공합니다.
3. 베리드 비아 배럴을 구리로 도금해 전기적 연결을 만듭니다.
4. 위에 비아 온 비아 스택을 올릴 경우, 비아를 충전하고 평탄화합니다.
5. 완성된 코어 위에 적층판과 프리프레그를 올립니다.
6. 빌드업한 적층체에 나머지 스루홀 또는 블라인드 비아를 드릴링하고 도금합니다.

베리드 비아는 바깥층이 생기기도 전에 드릴링되므로, 바깥층은 보이지 않는 구멍에 맞춰 정렬해야 합니다. 그래서 층간 정합이 핵심입니다.

도금, 충전, 검사의 과제

베리드 비아는 한 번 도금하면 리워크할 수 없어 실수를 용납하지 않습니다. 배럴 안의 보이드, 얇은 부분, 갇힌 공극은 바깥층을 프레스하는 순간 영구적으로 봉인됩니다. 제조업체는 내부 보이드를 없애기 위해 도금된 배럴을 전도성 또는 비전도성 에폭시나 전해 도금 구리로 충전 또는 플러깅하고, 평평하게 캡핑합니다. 검사도 까다롭습니다. 품질 관리는 실제 생산 홀이 아니라, 대표 샘플의 도금 두께와 충전 상태를 단면 쿠폰과 X선으로 확인하는 방식에 의존합니다.

HDI 제조의 비용과 복잡성 요인

적층 사이클이 하나 늘어날 때마다 비용, 시간, 수율 리스크가 커집니다. 베리드 비아는 일반 다층 기판보다 최소 한 번 이상의 추가 프레스, 드릴, 도금 공정이 필요하며, 그래서 비용표에서 가장 위에 자리합니다.

추가 툴링, 더 엄격한 정합 공차, 늘어난 검사 때문에 베리드 비아 설계는 같은 크기의 스루홀 전용 설계 기판보다 제조 비용이 약 3~4배 듭니다. 바로 이때 제조업체의 DFM 검토가 유용합니다. JLCPCB의 HDI DFM 검사 같은 서비스를 초기에 이용하면, 종횡비나 층 범위가 제조 불가능한지 비용이 큰 재제작으로 이어지기 전에 확인할 수 있습니다.

실제 응용 분야와 성능 향상

그렇다면 베리드 비아는 어디에 쓰일까요? 밀도, 속도, 크기 요구 사항이 스루홀 구조의 한계를 넘어서는 모든 곳입니다.

고속 컴퓨팅 및 통신 장비

서버, 네트워크 스위치, 5G 무선 장치는 멀티 기가비트 버스로 구동되며, 이런 시스템에서 스터브와 긴 배럴은 적입니다. 베리드 비아는 기판 내층에서 깨끗하고 짧은 연결을 제공해 DDR, PCIe, 고속 SerDes 연결의 아이 마진을 유지합니다. 이러한 시스템에서 블라인드 비아와 베리드 비아를 사용하면 오늘날의 프로세서와 스위치 패브릭에 있는 엄청난 수의 핀을 처리하면서도 삽입 손실을 낮게 유지할 수 있습니다. 이러한 성능 향상은 곧 더 높은 데이터 전송 속도와 더 높은 신뢰성으로 이어집니다.

신뢰성이 요구되는 의료 및 항공우주 기기

체내 이식형 의료 전자기기와 항공우주용 항공 전자 장비를 설계할 때는 크기와 신뢰성이 매우 중요합니다. 베리드 비아는 제대로 도금하고 충전하면 주변 층에 의해 기계적으로 보호되는 견고한 인터커넥트가 됩니다.

• 여유 공간이 거의 없는 초소형 의료기기
• 진동과 열 사이클에 노출되는 항공 전자 및 위성 모듈
• IPC Class 3까지의 고신뢰성 요구, 단면 검사를 통한 무결성 검증

비아가 묻혀 있어 표면 스트레스와 취급 중 손상으로부터 보호되므로, 눈에 잘 띄지 않지만 유용한 신뢰성 이점을 제공합니다.

소비자용 웨어러블과 소형 IoT 모듈

베리드 비아의 효과가 가장 두드러지는 곳은 스마트워치, 히어러블, 피트니스 밴드, 초소형 IoT 센서입니다. 이러한 제품에는 가능한 한 가장 작은 기판과 가장 높은 기능 밀도가 필요합니다. PCB 베리드 비아는 설계자가 사용하는 수직 인터커넥트로, 스루홀 배선으로는 10층이 필요했을 기판을 4층 또는 6층 HDI 기판으로 바꿔 줍니다. 그 결과 배터리와 외함을 더 작게, 무게를 더 가볍게 만들 수 있으며, 이는 소비자가 중요하게 여기는 요소입니다. 블라인드 비아와 베리드 비아를 지원하는 HDI 서비스 덕분에, 웨어러블 시제품을 양산으로 이어 가려는 메이커도 이러한 소형 스택업을 활용할 수 있습니다.

베리드 비아에 대해 자주 묻는 질문

결론:

오늘날 베리드 비아는 단순히 숨겨진 비아가 아니라, 최신 HDI PCB 설계에서 소형 레이아웃을 구현하고, 신호 무결성을 높이며, 배선 밀도를 끌어올리는 핵심 요소입니다. 필요한 내층만 연결해 표면 면적을 절약하고, 불필요한 비아 스터브를 줄이며, 컴퓨팅, 통신, 항공우주, 의료 전자기기, 웨어러블 기기의 고속 요구 사항을 충족합니다.

순차 적층으로 인한 제조 복잡성과 비용이 일부 설계에서는 단점이 될 수 있지만, 특히 고급 설계에서는 베리드 비아의 성능과 공간 절약 효과가 이를 상쇄하고도 남는 경우가 많습니다. 베리드 비아 PCB 기술을 이해하고, 검증된 설계 규칙을 따르며, 좋은 제조업체와 협력하면, 오늘날 차세대 전자 제품의 성능 요구 사항을 충족하는 신뢰성 높고 제조 가능한 다층 기판을 설계할 수 있습니다.