고밀도 PCB 스택업과 일반 PCB 스택업 비교

고밀도 인쇄회로기판(PCB)은 일반 PCB와는 다릅니다. 그 차이가 무엇인지 알고 계신가요? 레이어 수가 많고 트레이스 밀도가 높은 PCB를 HDI라고 합니다. HDI는 소형 프로토타입이나 취미용으로는 잘 사용되지 않고, 보다 전문적인 애플리케이션에 사용되기 때문에 흔히 접하기는 어렵습니다. 복잡한 스택업을 가진 HDI 보드의 가장 좋은 예시 중 하나로 여러분이 보셨거나 가지고 계실 수도 있는 것은 바로 PC의 마더보드입니다. 적절한 스택업을 갖춘 다층 PCB인 HDI가 등장하면서 상황이 완전히 달라집니다. 이 글에서는 HDI와 일반 PCB 보드에서 사용되는 스택업/레이어에 대해 살펴보겠습니다.

1.    PCB 스택업이란 무엇인가요?

PCB 스택업이란 보드의 레이어와 소재를 순서대로 배열한 것을 말합니다. 일반적으로 구리 신호 레이어, 유전체 레이어(프리프레그 및 코어), 내부 그라운드 또는 전원 평면, 기계적 두께 사양이 포함됩니다. 모든 레이어가 라우팅을 위한 것은 아니며, 일부는 보드에 더 나은 신호 또는 전원 무결성을 제공하기 위한 것입니다. 스택업은 다음과 같은 요소를 결정합니다:

• 트레이스의 제어된 임피던스 특성
• 크로스토크 및 리턴 경로
• 전원 분배(평면 연속성)
• 열 성능 및 기계적 강성
• 제조 복잡도 및 비용

정확한 스택업 설계는 고속 회로, RF 시스템, 전원 분배, 열 관리에서 매우 중요합니다. 스택업 최적화가 미흡하면 일반적으로 신호 반사, EMI 문제, 열 응력, 제조 결함이 발생할 수 있습니다.

2.    PCB를 고밀도로 만드는 요소는 무엇인가요?

HDI PCB는 다음과 같은 첨단 요소를 통해 라우팅 밀도를 높이고 전기적 성능을 향상시킵니다:

마이크로비아: 패드에 레이저로 드릴링되는 아주 작은 비아로, 큰 공간을 차지하지 않으면서 인접한 레이어를 연결합니다. 이러한 비아는 스루홀이 아니라 한 레이어에서 다른 레이어로 신호를 전달하기 위한 것입니다.

미세 트레이스 및 간격: 이러한 PCB 설계에서는 평균보다 좁은 트레이스 및 간격 폭을 확인할 수 있으며, 종종 4mil 미만까지 내려가기도 합니다. 여러 레이어와 프리프레그로 인해 임피던스를 그에 맞게 계산해야 하므로, 구체적인 사항은 제조업체에 문의하시기 바랍니다.

더 얇은 코어 및 프리프레그: 더 짧은 비아 종횡비와 더 나은 임피던스 제어를 가능하게 합니다. 레이어 수는 8층 보드부터 최대 24층까지 늘어날 수 있습니다. 이 정도의 레이어 수에서는 신호 저하 문제로 인해 표준 FR4가 일반적으로 사용되지 않습니다.

순차 적층: 순차적으로 적층된 스택을 통해 마이크로비아를 엇갈리게 배치할 수 있는 마이크로비아 스택 구성이 가능합니다. 또한 여러 레이어에 걸친 복잡한 구조의 라우팅을 크게 단순화합니다.

마이크로비아가 많고 공간이 절약될수록 지연 시간이 줄어들고 리턴 경로 관리가 우수해지며, 이로 인해 HDI는 스마트폰, 웨어러블, RF 모듈, 소형 컴퓨터와 같은 기기에 매우 적합합니다.

3.    일반 PCB 스택업 설명

전통적인 설계 및 제조에서 볼 수 있는 표준 PCB 스택업에는 다음이 포함됩니다:

• 보드 전체 두께를 관통하는 스루홀 비아
• 표준 제조 공차에 맞는 더 넓은 트레이스 및 간격
• 1~6층의 레이어 수(스루홀 비아를 사용하는 더 큰 보드도 이 범주에 포함됨)
• 표준 유전체 두께를 가진 FR-4 기판

이러한 보드는 매우 견고하고 경제적이며 제조업체의 지원도 탄탄합니다. 저속에서 중속의 디지털 회로, 전력 전자 장치, 다양한 산업용 애플리케이션에서 선호되는 선택지입니다.

4.    HDI와 일반 PCB 스택업의 주요 차이점

5.    고밀도 PCB 스택업의 장점

HDI의 여러 장점 중, 고밀도 PCB 스택업이 제공하는 대표적인 이점은 소형화 가능성입니다. 이러한 장점 덕분에 높은 기능성을 유지하면서도 더 컴팩트한 기기를 개발할 수 있습니다. 또한 HDI에서는 인터커넥트와 제어된 임피던스 경로가 더 짧기 때문에 신호 무결성도 향상됩니다. 크로스토크 및 신호 반사와 같은 문제도 줄어듭니다. 마이크로비아는 밀집된 BGA(볼 그리드 어레이) 패키지 및 기타 미세 피치 부품 주변으로 라우팅할 수 있어 레이아웃 유연성도 향상시킵니다.

대부분의 실제 상황에서는 표준 PCB 스택업이, 특히 비용 측면에서 유리합니다. 표준 보드를 제작하고 테스트하는 것은 가격 면에서 다른 옵션보다 훨씬 더 비용 효율적입니다. 또한 이러한 보드는 다양한 제어 시스템 및 기타 산업용 전자 장치에 완벽하게 적합합니다.

6.    엔지니어와 학생을 위한 설계 시 고려 사항

HDI와 일반 PCB를 비교할 때는 다음 사항을 고려해야 합니다:

신호 속도 및 무결성: HDI는 1GHz 이상에서 동작하거나 데이터 전송 속도가 높은 설계에 더 적합합니다.

보드 크기: 크기가 중요한 설계에서는 HDI가 선호됩니다.

열적 요구 사항: 두꺼운 구리를 사용하는 일반 PCB가 전력 소모가 큰 설계에 실제로 더 유리합니다.

비용 대 생산량: 대량 생산되는 소비자 가전에는 HDI가 적합하며, 프로토타입이나 산업용 보드에는 일반 PCB가 적합합니다.

수리 용이성: HDI 보드는 리워크(재작업)가 어려운 편이므로, 테스트 용이성을 고려하여 설계해야 합니다.

결론

고밀도 PCB 스택업과 표준 PCB 스택업 중 어느 것을 선택할지는 밀도와 성능, 비용, 제조 용이성 사이의 균형을 맞추는 문제입니다. HDI는 소형화와 신호 성능 면에서 타의 추종을 불허합니다. 반면, 일반 PCB는 다양한 용도에서 실용적이고 견고하며 경제적입니다. 몇 가지 예시는 다음과 같습니다:

스마트폰 및 태블릿: BGA 및 고속 버스의 다층 라우팅을 위해 HDI에 의존합니다.

IoT 및 RF 모듈: 좁은 공간에서 짧고 임피던스가 제어된 RF 경로의 이점을 누립니다.

산업용 전자 장치: 전력 관리 및 내구성 있는 제어 시스템을 위해 계속해서 일반 스택업을 사용합니다.

학생과 엔지니어에게 매우 중요하고 유용한 점은, 보드 스택업 설계가 신호 속도, 냉각, 각종 단위, 비용 지출을 포함하여 해당 프로젝트에 맞게 맞춤화되어야 한다는 것입니다. 안정적인 성능과 실용성을 갖춘 신뢰할 수 있는 설계를 개발하기 위해서는 제조업체의 초기 의견을 반영하는 것이 중요합니다.