PCB 비아 설계 가이드: 홀 크기·종횡비·슬롯 설계 기준

완성도 높은 PCB를 설계하려면 참신한 아이디어뿐만 아니라 PCB 홀 가공을 포함한 제조 공정 전반을 충분히 이해해야 합니다. PCB 설계의 핵심 단계 중 하나인 PCB 비아 설계는 기판 성능과 제조 효율에 모두 중요한 영향을 미칩니다.

PCB 비아 크기는 자유롭게 정할 수 있을까요?

이 질문에 답하기 전에 PCB 홀은 어떻게 가공되는지부터 살펴보겠습니다.

1. 원자재 절단: PCB 제조업체는 자동 절단기를 사용하여 대형 동박 적층판을 생산에 필요한 규격의 기판으로 절단합니다. 절단 전 동박 적층판은 아래와 같은 형태입니다.

2. PCB 홀 가공: CNC 드릴링 장비는 동박 적층판의 지정된 위치에 홀을 정밀하게 가공합니다. 드릴 비트가 원형이므로 드릴링으로 가공한 홀은 원형이 됩니다. 사각형 홀이나 슬롯을 가공하더라도 날카로운 90도 안쪽 모서리는 구현할 수 없으며 모서리에 라운드가 남습니다.

예를 들어 원형 탁구공을 직각 모서리에 놓으면 공의 곡면과 모서리 사이에 틈이 생깁니다. 이 틈은 이른바 모서리의 R, 즉 라운드로 이해할 수 있습니다. 마찬가지로 원형 공구로 홀을 가공하면 날카로운 직각 모서리를 만들 수 없습니다.

JLCPCB는 PCB 홀 가공에 기계식 드릴링을 사용합니다. 현재 2층 및 다층 PCB의 드릴 직경 범위는 0.15~6.30 mm입니다. 최소 도금 슬롯 폭은 2층 기판에서 0.50 mm, 다층 기판에서 0.35 mm이며, 최소 비도금 슬롯 폭은 1.0 mm입니다.

따라서 PCB를 설계할 때 비아 크기를 임의로 지정할 수는 없습니다.

PCB 비아의 소구경 홀 설계 시 주요 고려 사항

어느 정도 크기부터 소구경 홀로 볼 수 있을까요? 일반적으로 0.3 mm보다 작은 홀을 소구경 홀로 분류합니다. 비아가 작아질수록 가공이 어려워지며, 특히 제조 공정의 한계에 가까워질수록 난도가 높아집니다. 이와 관련된 대표적인 용어가 종횡비(aspect ratio)입니다.

- 종횡비: 기판 두께를 비아 홀 직경으로 나눈 비율입니다. 종횡비가 클수록 가공 난도가 높아집니다. 같은 기판 두께라면 비아가 작을수록 제조가 더 어렵다는 뜻입니다.

1. 전기 도금의 어려움: 비아 직경이 작아질수록 전기 도금 과정에서 홀 벽에 구리를 균일하게 석출하기가 어려워집니다. 이에 따라 미도금이나 도금 불량으로 인한 비도통 홀의 발생 위험이 커질 수 있습니다.

JLCPCB는 PCB 품질 검사를 위해 4선식 저저항 검사를 사용하여 홀 벽의 동도금 상태를 확인합니다. 이 방식은 일반적인 저항 측정보다 작은 저항을 정밀하게 측정할 수 있어 불량 홀을 식별하는 데 도움이 됩니다.

2. 낮은 가공 효율: 소형 드릴 비트는 유효 길이가 짧아 한 번에 적층하여 가공할 수 있는 기판 수가 줄어듭니다. 이는 생산 효율에 직접적인 영향을 줍니다. 작은 홀을 가공할 때는 드릴 파손을 방지하기 위해 이송 속도를 낮추고 회전 속도를 높여야 합니다. 이 과정은 가공 시간을 늘릴 뿐만 아니라 드릴 비트의 마모도 촉진합니다.

따라서 공간이 제한된 경우에만 소구경 홀을 고려하고, 가능하면 0.3 mm보다 큰 비아 홀을 설계하는 것이 가공 효율과 비용 측면에서 유리합니다.

3. 외경 설계 문제: 관통홀이나 납땜용 홀을 설계할 때는 내경과 외경을 모두 고려해야 합니다. 두 값은 PCB 제조 가능성에 직접적인 영향을 미칩니다.

현재 JLCPCB의 2층 및 다층 PCB 최소 비아 홀 크기와 비아 직경은 각각 0.15 mm와 0.25 mm이며, 권장 최소 비아 홀 크기는 0.20 mm입니다. JLCPCB는 최대 32층 PCB 제작을 지원합니다. 다층 PCB의 일반적인 최소 트레이스 폭/간격은 0.09/0.09 mm이며, BGA 팬아웃 영역에서는 3 mil(0.0762 mm)까지 허용됩니다. 또한 6~20층 기판에는 수지 충전 후 동박으로 캡핑하는 비아인패드(POFV) 공정을 적용할 수 있습니다. 이 공정을 사용하면 패드에 비아를 직접 배치하여 패드 표면을 평탄하게 만들고 배선 공간을 확보할 수 있습니다.

환형 링(annular ring)이 너무 작으면 가공 장비의 편차로 인해 드릴링 위치와 필름 패턴의 정렬이 어긋나면서 홀이 중심에서 벗어날 수 있습니다.

이러한 정렬 오차는 패드의 유효 면적을 줄이고 제조 불량 가능성을 높이며, 심한 경우 전기적 연결 불량으로 이어질 수 있습니다. 따라서 제조 공차를 고려하여 적절한 환형 링 크기를 설계해야 PCB의 품질과 신뢰성을 확보할 수 있습니다.

PCB 슬롯 홀 설계 시 고려 사항

소구경 홀뿐 아니라 슬롯 설계도 주의 깊게 검토해야 합니다. 슬롯은 일부 특수 패키지에 필요한 설계 요소입니다. 슬롯을 설계할 때는 다음 두 가지 사항을 확인하십시오.

1. 짧은 슬롯: 짧은 슬롯은 PCB 드릴링에서 가공하기 까다로운 구조입니다. 일반적으로 슬롯 길이가 폭의 2배보다 짧으면 짧은 슬롯으로 분류합니다. 슬롯 길이가 폭의 2배보다 짧은 경우 시작점과 끝점을 드릴링할 때 드릴 비트의 일부는 기판에 걸리고 다른 일부는 허공에 놓일 수 있습니다. 이때 불균일한 힘이 발생하여 슬롯 위치가 어긋나거나 길이가 짧아질 수 있습니다. 따라서 슬롯의 권장 길이 대 폭 비율은 길이/폭 ≥ 2.5이며, 허용 한계는 길이/폭 ≥ 2입니다.

2. 긴 슬롯: 긴 슬롯, 특히 길이가 5 mm를 넘는 슬롯에 열풍 솔더 레벨링(HASL)을 적용할 때는 슬롯 홀 한쪽의 환형 폭을 0.4 mm 이상으로 설계하는 것이 좋으며, 절대 최소값은 0.3 mm입니다. 이 기준을 확보하기 어렵다면 무전해 니켈 침지 금도금(ENIG) 공정을 고려할 수 있습니다. 환형 폭이 지나치게 작으면 HASL 공정 중 접착력이 부족해져 열응력에 따른 도금층 박리나 파열이 발생할 수 있습니다. 한쪽에만 동박 링이 있는 슬롯도 이러한 문제에 취약합니다.

슬롯을 조밀하게 배치하면 드릴링 과정에서 기판의 유리 섬유 구조가 손상되어 HASL 공정 중 도금층 박리나 파열이 발생할 수 있습니다. 이러한 특수 설계에는 ENIG 공정을 고려하는 것이 좋습니다.

PCB 비아와 스루홀 부품용 홀의 차이

PCB의 홀은 용도에 따라 비아(Via)와 부품 홀(Pad)로 구분할 수 있습니다. PCB 비아는 층간 연결에 사용하고, PCB 스루홀 부품용 홀은 부품 리드를 삽입하고 납땜하는 데 사용합니다. 두 홀은 기능과 가공 요구 사항이 다르므로 속성을 혼용해서는 안 됩니다.

- 비아(Via): 주로 PCB 층 사이의 신호를 연결하는 데 사용하며, 일반적으로 솔더 마스크로 덮는 텐팅 처리를 적용할 수 있습니다.

- 스루홀 부품용 홀(Pad): 일반적으로 부품을 삽입하고 납땜하기 위한 도금 관통홀(PTH)로 설계합니다.

비아와 부품 홀의 속성이 혼용되는 경우는 다음 두 가지입니다.

1. 도금 관통홀에 비아 속성을 잘못 사용한 경우: 부품용 도금 관통홀을 비아로 잘못 설정하면 솔더 마스크가 홀을 덮거나 막아 부품을 제대로 삽입하지 못할 수 있습니다.

2. 부품 홀을 비아로 잘못 설정한 경우: 부품 홀을 비아로 잘못 설정한 상태에서 주문 시 비아 텐팅을 지정하면, 부품 홀의 노출 동박까지 솔더 마스크로 덮여 납땜 품질에 영향을 줄 수 있습니다.

요약

1. PCB 설계에서 비아 크기를 임의로 지정할 수는 없습니다.

2. 일반적으로 0.3 mm보다 작은 홀은 소구경 홀로 분류합니다. 홀이 작을수록 전기 도금이 어려워지고 가공 효율이 낮아지며 정렬 문제가 발생할 가능성이 커집니다.

3. 짧은 슬롯은 가공하기 어렵습니다. 권장 길이 대 폭 비율은 ≥ 2.5이며, 허용 한계는 ≥ 2입니다.

4. 긴 슬롯에 HASL을 적용할 때는 슬롯 홀 한쪽의 환형 폭을 0.4 mm 이상으로 설계하는 것이 좋으며, 절대 최소값은 0.3 mm입니다. 공간 제약으로 이 기준을 충족하기 어렵다면 ENIG 공정을 고려하십시오.

5. PCB 비아와 스루홀 부품용 홀의 속성을 혼용하지 마십시오.