마이크로비아 설계: 스택업, 신뢰성, 비아 필링

설계자들이 어떻게 그토록 작은 공간에 그토록 많은 기능을 담아내는지 궁금하셨던 적이 있으신가요? 그 답은 바로 인쇄회로 설계에서의 HDI 설계 기법과 마이크로비아에 있습니다. 고밀도 인터커넥트(HDI) PCB 기술은 현대 전자 제품의 최전선에 있으며, 컴팩트하면서도 강력한 기기를 가능하게 합니다. 이러한 구조는 오래전부터 존재해 왔지만, 하나의 회로기판에서 여러 기능을 요구하는 다양한 시스템에서 점점 더 흔하게 사용되고 있습니다.

치수 검토를 진행한 결과, 인쇄회로기판에 모든 부품을 배치하기 위해 6밀 이하의 트레이스가 필요하다는 결론에 도달하셨을 수도 있습니다. 본 글에서는 마이크로비아가 무엇인지, HDI 설계에서 왜 중요한지, 그리고 첨단 PCB 제조에 어떤 이점을 가져다주는지 살펴봅니다.

마이크로비아란 무엇인가?

마이크로비아는 전자 회로에서 절연체를 통한 전기적 연결을 제공하기 위해 도체-절연체-도체 다층 구조에 뚫는 블라인드 홀입니다. 홀 직경과 깊이 사이의 최대 종횡비는 1:1이며, 표면에서 목표 패드 또는 플레인까지 측정했을 때 전체 깊이는 0.25mm를 넘지 않습니다. 일반적으로 NCAB에서는 표면과 기준 패드 사이의 유전체 두께를 60~80μm로 간주합니다. 마이크로비아의 직경 치수는  80~100마이크론 범위입니다. 일반적인 비율은 0.6:1에서 1:1 사이입니다.

PCB의 여러 레이어를 관통하는 기존 비아와 달리, 마이크로비아는 레이저로 드릴링되며 일반적으로 인접한 두 레이어만 연결하도록 제한됩니다. 직경 150μm 미만의 마이크로비아에 대한 레이저 드릴링은 기계식 드릴링을 대체하고 있으며, 현재 시장의 약 94%를 차지하고 있습니다. 마이크로비아는 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다:

• 블라인드 비아
• 매립 비아
• 스택형 또는 스태거드 마이크로비아

아래 별도 섹션에서 이에 대해 더 자세히 알아보겠습니다.

기존 비아와의 비교:

기존 비아는 정밀도와 공간 절약 측면에서 부족합니다. 크기가 크기 때문에 HDI 애플리케이션에는 덜 적합하며, 이는 미세 피치 부품 배치를 제한하고 신호 손실을 증가시킵니다. 반면 마이크로비아는 HDI PCB의 소형화 및 고성능 요구에 맞춰 설계되었습니다.

HDI PCB 설계에서 마이크로비아의 역할

마이크로비아는 HDI PCB의 필수적인 요소로, 추가 공간을 차지하지 않으면서도 인터커넥트 밀도를 높여줍니다. 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. 공간 최적화: 마이크로비아는 부품을 더 가까이 배치할 수 있게 하여 PCB 전체 크기를 줄여줍니다.

2. 향상된 신호 무결성: 짧은 길이로 인해 신호 손실과 원치 않는 기생 성분이 줄어들어, 마이크로비아는 고주파 애플리케이션에 이상적입니다.

3. 열 관리: 마이크로비아는 효율적인 방열을 위해 설계에 통합될 수 있어 고전력 기기의 신뢰성을 보장합니다.

마이크로비아는 어떻게 제작되는가?

마이크로비아는 정확히 얼마나 작을까요? 대부분의 설계자에게 물어보면, 직경이 약 150μm(6밀) 미만인 비아를 마이크로비아로 간주한다고 답할 것입니다. 비아의 크기에 따라 기계적으로 드릴링하고 도금한 다음(각 레이어를 적층 및 압착) 형성하거나, 고출력 레이저로 형성할 수 있습니다. 후자의 공정은 지속적으로 개선되고 있으며, 높은 처리량 덕분에 대량 PCB 제조에서 선호됩니다. 레이저 드릴링 기술의 새로운 발전으로 마이크로비아 크기는 최소 15μm까지 줄어들고 있습니다. 제작에서의 두 가지 주요 공정은 다음과 같습니다:

1- 비아 드릴링 및 세정

2- 비아 도금

마이크로비아 제작에는 정밀한 드릴링, 세정, 도금 공정이 포함됩니다. 일반적인 도금 방법으로는 스퍼터링, 전해 증착, 무전해 구리 도금 등이 있습니다. 이는  스트레스 하에서 비아의 내구성을 저하시킬 수 있는 보이드와 범프 같은 결함을 제거하는 것을 목표로 합니다. 레이저로 드릴링한 마이크로비아는 드릴 마모와 크기 제약의 영향을 받는 기계식 드릴링 비아보다 결함이 적게 나타납니다.

마이크로비아 제조 공정의 주요 단계:

1. 기판 준비: 최적의 접착력을 확보하기 위해 PCB 기판 영역을 세정하고 처리합니다.

2. 드릴링: 정밀한 마이크로비아 형성을 위해 레이저 드릴링을 사용하며, 직경 몇 마이크로미터에 불과한 고밀도 인터커넥트도 지원합니다.

3. 디스미어링: 드릴링으로 발생한 잔여 물질을 제거하여 깨끗한 도전 경로를 확보합니다.

4. 금속화: 레이어 간 전기적 연결을 형성하기 위해 일반적으로 무전해 도금을 통해 얇은 구리층을 증착합니다.

5. 품질 관리: 불완전한 드릴링이나 접착 불량과 같은 결함을 방지하기 위해 첨단 소재와 최적화된 드릴링 파라미터를 사용합니다.

PCB 설계에서의 다양한 마이크로비아 유형:

마이크로비아의 장점

마이크로비아는 향상된 열-기계적 신뢰성과 공간 효율성을 비롯해 PCB 설계에 상당한 이점을 제공합니다. 작은 크기 덕분에 소형화가 가능해 컴팩트한 기기에 이상적이며, 더 큰 관통홀에 대한 필요성을 줄여 보드 공간을 절약합니다. 마이크로비아는 트레이스 길이를 줄이고 고속 회로에서의 방사를 최소화하여 HDI 보드의 신호 무결성을 개선합니다. 레이저 드릴링은 제작 결함을 줄여 전반적인 신뢰성을 높입니다. 또한 마이크로비아는 RF 및 EMC 성능을 향상시켜, 설계자에게 첨단 고밀도 PCB 애플리케이션을 위한 견고한 솔루션을 제공합니다. 주요 장점을 요약하면 다음과 같습니다:

소형화: 마이크로비아의 작은 크기는 더 많은 기능을 갖춘 컴팩트한 설계를 가능하게 합니다.

향상된 전기적 성능: 마이크로비아는 인덕턴스와 커패시턴스 문제를 최소화하여 고속 회로에 이상적입니다.

레이어 스태킹의 유연성: 마이크로비아는 복잡한 설계에 필수적인 다중 적층 공정과 같은 고급 스택업을 가능하게 합니다.

향상된 신뢰성: 레이저로 드릴링한 마이크로비아는 정밀도가 높아 결함 발생 위험을 줄여줍니다.

마이크로비아 설계 시 고려 사항:

PCB용 마이크로비아 드릴링에는 몇 가지 고려해야 할 측면이 있습니다. 회로기판을 설계할 때, 신뢰성 있게 도금할 수 있는 홀을 원한다면 마이크로비아의 종횡비가 1:1을 넘지 않도록 유의해야 합니다. 더 큰 비율로 드릴링하는 것도 가능하지만, 도금 결함이 발생할 가능성이 높아 신뢰성이 떨어집니다. 기타 설계 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 드릴링 기술: 레이저 드릴링은 정밀성과 재현성 덕분에 마이크로비아 형성에 선호되는 방법입니다.
• 종횡비: 종횡비(비아 깊이 대 직경)는 구조적 안정성과 제조 용이성을 확보하기 위해 이상적으로 1:1이어야 합니다.
• 구리 도금: 마이크로비아의 적절한 도금은 전기적 연결성과 신뢰성을 유지하는 데 필수적입니다.
• 레이어 스택업: 특히 스택형 또는 스태거드 마이크로비아의 경우, 기계적 응력을 방지하기 위해 레이어 배치를 적절히 계획하는 것이 중요합니다.

여러 레이어에 배치할 때, 비아가 형성되는 각 레이어는 추가적인 적층 단계가 필요합니다. 사용하지 않는 홀은 원하는 경우 비전도성으로 채우거나 도금하여 막을 수 있습니다. 마이크로비아는 매우 작기 때문에 채울 필요가 없을 수도 있습니다. 도금에는 구리가 사용되며, 이 공정을 위해 전용 배스와 화학 처리가 만들어집니다. 이 공정을 활용하면 제조사는 설계 과정에서 더 큰 유연성을 확보할 수 있습니다.

구리 충전 비아와 비충전 비아란?

마이크로비아는 구리로 충전하거나 충전하지 않을 수 있습니다. 매립 마이크로비아의 경우, 특히 스태킹이 이루어질 예정이라면 비아 홀을 구리로 채우는 것이 중요합니다. 비아 도금 내부에 보이드가 남아 있으면 비아 벽을 따라 높은 응력 집중이 발생하여 리플로우 중이나 동작 중에 조기 균열이 발생할 수 있습니다. 블라인드 마이크로비아는 충전하지 않고 남겨둘 수 있으며, 이는 마이크로비아 제작 및 적용 초창기에 일반적이었습니다. 블라인드 마이크로비아를 인패드로 사용할 경우에는 표준 공정으로 충전해야 합니다.

마이크로비아의 도금 공정에는 일반적으로 순수 구리 또는 구리-에폭시 수지가 사용됩니다. 컨포멀 도금으로 시작하여, 이어서 펄스 도금을 통해 마이크로비아가 고체 구리로 채워지도록 하여 보이드 발생 위험을 줄입니다. 첨가제 없이 도금하면 마이크로비아 내부에 보이드가 형성되는 경우가 많습니다. 첨가제를 사용하지 않으면 구리로 완전히 채워지더라도 특히 벽면과 표면을 따라 분포가 고르지 않을 수 있습니다. 컨포멀 도금은 구리 증착의 불균일성을 더욱 악화시켜 잠재적인 보이드를 유발할 수 있습니다.

결론:

마이크로비아는 여러 레이어를 연결할 때 신뢰성을 확보할 수 있게 하면서, PCB 설계자에게 제작 공정의 유연성을 제공합니다. 인쇄회로기판용 소재를 선택할 때는 마이크로비아 드릴링 공정에 더 적합한 소재가 있습니다. 마이크로비아는 최첨단 전자기기에 필요한 소형화와 성능을 가능하게 하는 HDI PCB 설계의 핵심 요소입니다.

마이크로비아는 PCB 제작의 첨단 방식이며, 보드에 마이크로비아가 필요하지 않다면 비용 절감을 위해 표준 비아를 사용하는 것이 당연히 더 나을 것입니다. 하지만 설계가 밀집되어 있어 추가 공간이 필요하다면, 마이크로비아 사용이 도움이 될지 검토해 보십시오. 언제나 그렇듯, 마이크로비아를 사용한 PCB를 설계하기 전에 먼저 위탁 제조사와 함께 그들의 제작 역량을 확인하는 것이 좋습니다.