HDI PCB와 기존 PCB의 주요 차이점

인쇄회로기판(PCB)은 전자 기기의 핵심 구성 요소입니다. 기술의 발전에 따라 고밀도 인터커넥트(HDI) PCB는 성능, 크기, 기능 면에서 기존 PCB를 능가하는 정교한 대안으로 자리 잡았습니다. HDI PCB는 이전에 여러 기판으로 구현되던 기능을 단일 기판에 통합할수 있어, 고층 구조나 고가의 라미네이트 기판에 특히 적합합니다.

HDI PCB는 일반적인 회로 기판과는 다른 제조 및 조립 공정을 필요로 합니다. 제조 비용이 더 높고, 설계가 더 까다로우며, 재작업과 수리가 더 복잡하고, 제조 공정상 제약이 따릅니다. 이 문서에서는 HDI PCB의 특징, 기존 PCB와의 차이점, 독창적인 기능, 응용 사례, 장점 및 설계 시 고려해야 할 요소를 다룹니다.

HDI 기술이란?

HDI PCB는 기존 PCB보다 단위 면적당 배선 밀도가 높은 고급 회로 기판입니다. 더 작은 비아(via), 더 얇은 배선 폭, 더 촘촘한 부품 배치를 통해 이러한 밀도를 구현합니다. 마이크로비아(Microvia), 블라인드 비아(Blind Via), 버리드 비아(Buried Via), 레이저 드릴링 홀과 같은 기술이 HDI PCB의 특징으로, 밀도 높은 연결성과 뛰어난 신호 무결성을 제공합니다.

HDI와 기존 PCB의 차이점

기존 PCB:

• 표준 기계식 드릴 비아를 사용하며, 크기가 커 기판 공간을 많이 차지합니다.
• 배선 폭과 간격이 상대적으로 크며(예: 6mil 이상), 복잡한 설계를 위해 더 많은 레이어가 필요합니다.

HDI PCB:

• 마이크로비아, 블라인드 비아, 버리드 비아를 사용해 공간 활용도를 높이고 기능성을 강화합니다.
• 배선 폭을 3-4mil 수준으로 줄여 더 컴팩트한 레이아웃 설계를 가능하게 합니다.
• 높은 연결 밀도를 통해 적은 레이어로도 기존 PCB와 동등하거나 더 나은 성능을 구현합니다.
• 소형화 및 경량화를 실현해 휴대용 전자 기기에 적합합니다.

HDI PCB의 추가적인 특징

HDI PCB는 다음과 같은 고급 제작 기술을 특징으로 합니다:

• 적층 및 계단식 마이크로비아: 레이어 간 신뢰도 높은 연결을 제공합니다.
• 레이저 드릴링: 정밀하고 직경이 작은 비아를 구현합니다.
• 고속 신호 무결성: 신호 손실 및 간섭(crosstalk)을 줄여 고주파 설계에 적합합니다.
• 고급 소재 사용: 낮은 손실의 라미네이트와 높은 유리 전이 온도(Tg)를 가진 기판을 사용하여 열 안정성을 보장합니다.

HDI PCB 설계 시 고려 사항

HDI PCB의 생산 과정은 다른 유형의 PCB와 다르며, 설계 및 제작 단계에서 아래의 사항들을 고려해야 합니다:

순차 적층: PCB 코어와 프리프레그(pre-preg) 층을 구리와 결합할 때 열과 압력을 가하여 다층 PCB를 제작합니다. 필요한 열과 압력 조건은 기판에 따라 달라집니다. HDI PCB는 이러한 적층 공정을 여러 차례 반복하여 드릴링 시 이동이나 파손을 방지합니다.

비아 충전 유형: 비아 충전 소재는 PCB의 용도와 요구 사항에 맞춰 선택해야 합니다. 일반적으로 사용하는 소재로는 전기화학 도금, 은 충전, 구리 충전, 전도성 에폭시, 비전도성 에폭시 등이 있으며, 가장 일반적으로 사용되는 것은 비전도성 에폭시입니다.

비아 인 패드(Via-in-Pad) 공정: 비아를 PCB 표면의 패드에 배치하는 공정으로, 비아를 도금한 후 충전 소재로 채우고 캡핑한 뒤 다시 도금합니다. 이 공정은 보통 10~12단계를 거치며, 고도의 전문 장비와 숙련된 기술자가 필요합니다.

레이저 드릴링 기술: HDI 설계에서는 레이저 마이크로비아가 필수적으로 사용되며, 직경 20마이크론 이하의 레이저로 금속과 유리를 정밀하게 절단하여 매우 작은 크기의 깨끗한 구멍을 만듭니다. 낮은 유전 상수의 유리와 같은 소재를 활용하면 구멍 크기를 더욱 줄일 수 있습니다.

HDI PCB가 기존 PCB보다 가지는 장점

1. 소형화: HDI PCB는 소형 경량 설계를 가능하게 하여 현대의 컴팩트한 전자 기기에 최적화되어 있습니다.
2. 향상된 신호 무결성: 더 짧아진 신호 경로로 인해 신호 지연, 노이즈, 손실이 감소합니다.
3. 높은 부품 밀도: 더 작은 면적에 더 많은 부품을 배치할 수 있어 기능성이 크게 향상됩니다.
4. 열 효율성: 고급 소재와 비아 구조를 통해 열 방출 성능이 개선됩니다.
5. 향상된 신뢰성: 마이크로비아가 기계적 스트레스를 줄이고 내구성을 높여줍니다.
6. 복잡한 설계에서의 비용 효율성: 성능을 유지하면서도 레이어 수를 줄임으로써 비용 절감이 가능합니다.

HDI 기술은 설계자가 원 PCB의 양면에 더 많은 부품을 배치할 수 있도록 합니다. 비아 인 패드(Via-in-Pad)와 블라인드 비아 기술을 포함한 다양한 비아 공정을 통해 설계자는 더 작은 부품을 더 가깝게 배치할 수 있는 PCB 공간을 확보할 수 있습니다. 부품 크기와 피치(pitch)의 감소는 더 작은 기하학적 구조에서 더 많은 입출력(I/O)을 가능하게 하며, 신호 전달 속도를 높이고 신호 손실 및 교차 지연(crossing delay)을 크게 줄입니다.

HDI PCB의 레이어 적층 구조

HDI PCB는 성능 최적화를 위해 다음과 같은 고급 적층 구조를 사용합니다:

• 1-N-1 적층: 코어 층 양면에 단일 HDI 레이어를 배치한 구조로, 비교적 간단한 설계에 적합합니다.
• 2-N-2 적층: 코어 층 양면에 두 개의 HDI 레이어를 배치한 구조로, 더 높은 설계 복잡성을 처리할 수 있습니다.
• 모든 레이어 HDI(Any-Layer HDI): 비아를 통해 모든 레이어를 연결할 수 있어 고성능 응용 분야에 최적화된 설계 유연성을 제공합니다.

HDI PCB의 비아 유형

비아는 HDI PCB에서 레이어 간 신호를 전달하기 위해 사용하는 작은 전도성 구멍입니다. HDI PCB에서 주로 사용되는 비아 유형은 다음과 같습니다:

• 관통 비아(Through-Hole Via): PCB의 상단에서 하단까지 이어지는 전형적인 비아.
• 블라인드 비아(Blind Via): PCB의 표면 레이어와 내부 레이어를 연결하는 비아.
• 버리드 비아(Buried Via): 두 내부 레이어를 연결하는 비아로, 표면에는 드러나지 않습니다.
• 마이크로비아(Microvia): 관통 비아보다 크기가 훨씬 작으며, HDI PCB에서 다층 연결을 구현하면서도 기판 크기를 최소화할수 있습니다.

HDI PCB 소재 선택

HDI(고밀도 인터커넥트) PCB의 설계와 제조에서 소재와 그 구성은 매우 중요한 역할을 합니다. HDI 인터커넥트 설계는 유리 강화 절연재(glass reinforced dielectric materials)와 관련된 잠재적인 문제를 이해하는 것을 포함합니다.

• 구리 클래드 라미네이트(CCL): 구리 클래드 라미네이트 소재는 경화된 절연재(C-stage)에 구리 포일을 한쪽 또는 양쪽에 라미네이트 처리한 것입니다. 일반적으로 FR4, FR-5, PTFE 등의 종류로 분류됩니다. 일반적인 응용에서는 단면 클래드 라미네이트를 사용하며, 구리 클래드는 외부 레이어 역할을 하고 C-stage는 하위 복합체에 결합됩니다.
• 수지 코팅 구리(RCC): 수지 코팅 구리는 구리 포일에 절연 수지를 코팅한 것으로, 하위 복합체에 직접 접합할 수 있습니다. 이 소재는 습윤 가공 여부에 따라 구분됩니다. 비습윤 가공용 코팅 구리 소재에서는 플라즈마 또는 레이저 드릴링 기술을 사용해 마이크로비아를 제작합니다.
• 프리프레그(PP): 프리프레그는 일반적으로 B-Stage, 접합 시트 또는 간단히 Preg라고도 하며, 수지로 함침된 유리섬유 직물로 구성됩니다. 프리프레그 코팅 작업 중에 수지는 부분적으로 경화되며 완전히 단단해지지 않습니다. PCB 적층 공정에서 가열 단계 동안, 프리프레그의 수지가 흐르면서 PCB 코어와 구리 포일 또는 다른 소재를 접합하고 결합합니다.

HDI PCB의 과제

• 제조 복잡성: 레이저 드릴링 및 정밀 도금과 같은 고급 공정을 필요로 합니다.
• 높은 비용: 전문 장비와 고급 소재의 사용으로 인해 초기 제조 비용이 더 높습니다.
• 설계 전문성: HDI PCB의 규칙과 제약 사항을 이해하고 이를 설계에 반영할 수 있는 숙련된 설계자가 요구됩니다.

결론

HDI PCB는 컴팩트하면서도 고성능 설계를 가능하게 하여 현대 전자기기의 발전에 중요한 역할을 하고 있습니다. 기존 PCB와 비교할 때, HDI 기술은 크기, 속도, 신뢰성 면에서 독보적인 장점을 제공합니다. 비록 제조 과정이 더 복잡하고 초기 비용이 높을 수 있지만, 특히 첨단 기술을 요구하는 산업에서는 이러한 단점을 뛰어넘는 가치를 제공합니다.

HDI PCB와 기존 PCB 중 어떤 것을 선택할지는 프로젝트의 복잡성, 크기, 성능 요구사항에 따라 결정됩니다. 소형화와 고속 성능에 대한 수요가 증가함에 따라, HDI PCB는 전자 설계 혁신의 새로운 표준으로 자리 잡고 있습니다.