PCB 비아 종횡비 계산: 홀 직경과 도금 신뢰성

리플로우나 열 사이클 이후에야 간헐적인 오픈 불량이 나타난다면 PCB 비아의 도금 상태를 확인해야 합니다. 비아 종횡비(via aspect ratio)는 기판 두께 또는 비아 깊이와 드릴 직경의 관계를 나타내며, 깊고 좁은 홀을 얼마나 균일하게 도금할 수 있는지 판단하는 주요 지표입니다.

종횡비가 지나치게 크면 홀 중앙까지 도금액이 원활하게 공급되지 않아 동박이 얇아지거나 보이드와 배럴 균열이 생길 가능성이 커집니다. 이 글에서는 계산식, 스루홀과 마이크로비아의 일반 범위, 설계 방법과 제조 공정을 살펴봅니다.

PCB 제조에서 비아 종횡비가 의미하는 것

비아 종횡비 계산식

PCB 비아 종횡비는 기판 전체 두께 또는 비아 깊이를 도금 전 드릴 홀 직경으로 나눈 값입니다.

종횡비 = 기판 두께(또는 비아 깊이) / 도금 전 드릴 직경

두 값은 같은 단위를 사용합니다. 기계 드릴 비아는 완성 홀 직경이 아니라 도금 전 드릴 직경으로 계산합니다. 홀 벽에 구리가 도금되면 완성 홀은 도금 두께의 약 두 배만큼 작아집니다.

1. 표준 2층 PCB: 두께 1.6mm, 드릴 0.3mm이면 1.6 / 0.3 = 5.3:1입니다.
2. 소구경 비아를 사용한 4층 PCB: 두께 1.6mm, 드릴 0.2mm이면 8:1입니다. 일반 공정의 상단 범위에 가까워질 수 있습니다.
3. 두꺼운 다층 PCB: 두께 2.4mm, 드릴 0.2mm이면 12:1입니다. 표준 공정 범위를 넘을 수 있으므로 더 큰 드릴 또는 고종횡비 도금 공정을 제조사와 협의해야 합니다.

종횡비가 도금 품질과 신뢰성에 미치는 영향

종횡비가 커지면 홀 입구와 중앙의 전류 밀도 및 물질 전달 차이가 커집니다. 구리는 입구 부근에 더 빠르게 석출될 수 있고, 깊은 홀 중앙에는 새로운 도금액이 공급되기 어려워집니다.

• 홀 중앙 도금 박화: 배럴 중앙의 구리 두께가 얇아져 전기적·기계적 약점이 될 수 있습니다. 제품 등급별 최소 도금 두께는 적용 IPC-6012 판본과 구매 사양으로 확인합니다.
• 보이드와 개재물: 갇힌 기포나 소모된 용액 때문에 도금이 끊긴 영역이 생기면 전도성이 떨어지고 열 사이클 응력이 집중될 수 있습니다.
• 배럴 균열: 납땜과 사용 중 온도 변화로 적층판이 Z축 방향으로 팽창합니다. 중앙 도금이 얇으면 배럴에 균열이 생겨 초기 검사에서는 통과하고 현장에서 간헐적으로 실패할 수 있습니다.

비아 종횡비의 일반적인 설계 범위

스루홀, 블라인드 비아와 마이크로비아

아래 표는 업계에서 자주 언급되는 일반 범위입니다. 제조사의 장비와 도금 공정, 재료 및 신뢰성 등급에 따라 실제 한계는 달라집니다.

일반 스루홀에서는 8:1 이하가 제조성과 신뢰성의 균형을 맞추기 쉽습니다. 8:1~10:1은 구현할 수 있지만 공정 검토가 필요할 수 있고, 10:1을 넘으면 제조사 확인 없이 설계를 확정해서는 안 됩니다.

마이크로비아는 보통 깊이 0.05~0.15mm, 레이저 드릴 직경 0.1~0.15mm처럼 얕은 구조를 사용합니다. IPC-2226 관련 설계에서는 0.75:1 이하가 자주 권장되지만 적용 판본과 마이크로비아 구조를 확인해야 합니다.

허용 가능한 종횡비를 결정하는 요소

• 재료: 표준 FR-4, High-Tg FR-4, 폴리이미드와 Rogers 계열은 드릴 마모와 디스미어 조건이 서로 다릅니다.
• 기판 두께: 층수, 동박 중량과 임피던스 요구로 보드가 두꺼워지면 같은 드릴 직경에서도 종횡비가 커집니다.
• 드릴 방식: 기계 드릴은 소구경으로 갈수록 가공 난도가 높아집니다. 레이저는 0.075~0.15mm 수준의 마이크로비아에 사용하지만 일반적으로 한두 개 유전체층을 연결합니다.

비아 종횡비를 낮추는 설계 방법

홀 크기, 기판 두께와 배선 밀도의 균형

종횡비는 라우팅을 마친 뒤보다 스택업을 정할 때 관리하는 편이 효율적입니다.

1. 제조사의 권장 비아부터 선택합니다. JLCPCB는 현재 2층 및 다층 FR-4의 최소 드릴을 0.15mm로 안내하지만 0.2mm를 권장합니다. 0.3mm 미만은 소구경 홀로 분류되는 경우가 많습니다.
2. 기판 두께를 초기에 검토합니다. 6층 스택업을 1.6mm 대신 1.2mm로 구성할 수 있다면 0.2mm 비아의 비율은 8:1에서 6:1로 낮아집니다.
3. 배선이 허용하는 가장 큰 드릴을 사용합니다. 0.3mm 드릴과 0.6mm 패드는 도금 및 애뉼러 링 여유를 확보하기 쉽습니다. 0.2mm 이하 홀은 BGA 팬아웃 등 필요한 위치에 제한해 사용합니다.

블라인드·매립 비아를 사용할 때

블라인드 비아와 매립 비아는 전체 기판이 아닌 일부 레이어만 연결하므로 깊이를 줄여 종횡비 문제를 완화할 수 있습니다. 블라인드 비아는 외층과 내층을, 매립 비아는 외부에 노출되지 않은 내층끼리 연결합니다.

대신 순차 적층 횟수와 제조비, 리드타임 및 설계 복잡도가 증가합니다. 레이어 쌍을 정확히 지정하고 EDA 도구의 비아 스팬과 스택업을 일치시켜야 합니다. 현재 JLCPCB 한국어 리지드 PCB 능력 페이지에는 블라인드·매립 비아가 지원되지 않는 것으로 표시되므로 주문 시점의 최신 서비스 범위를 반드시 확인하세요.

고종횡비 비아의 제조 과제와 공정

드릴, 디스미어와 도금 균일도

드릴 정밀도: 드릴 편심, 마모, 스핀들 런아웃과 엔트리·백업 재료는 홀 위치와 벽면 품질에 영향을 줍니다. 0.3mm 미만의 소구경 홀은 공구 교체와 가공 조건을 더 엄격히 관리해야 합니다.

디스미어와 에치백: 드릴 후 내층 동박에 묻은 수지 스미어를 제거합니다. 제거가 불완전하면 도금 구리가 내층 동박이 아니라 수지 위에 형성되어 접속이 약해질 수 있습니다.

전해 도금: 구리 두께가 홀 입구와 중앙에서 균일하도록 전류, 용액과 교반을 관리합니다.

고종횡비 도금을 위한 공정

10:1을 넘는 구조에는 표준 직류 도금보다 PPR(Pulse Periodic Reverse) 같은 펄스 도금, 고 throwing power 전해액과 강화된 용액 순환을 사용할 수 있습니다. PPR은 도금과 역펄스를 반복해 홀 내부의 용액 교환을 돕고, 전해액 첨가제와 패널 진동 또는 노즐 순환은 중앙부 물질 전달을 개선합니다. 적용 가능한 비율은 제조 라인 검증 결과에 따라 달라집니다.

JLCPCB 비아 설계 시 확인할 현재 제조 능력

드릴과 도금 관련 항목

• 층수: 현재 한국어 능력 페이지는 리지드 PCB 1~32층을 안내합니다.
• 드릴 직경: 2층 및 다층 FR-4는 0.15~6.3mm이며 0.2mm 이상을 권장합니다.
• 최소 비아 홀/패드 직경: 0.15mm / 0.25mm이며 홀보다 패드 직경을 최소 0.1mm, 권장 0.15mm 크게 설계합니다.
• 홀 위치 공차: 현재 페이지의 표준 안내값은 ±0.05mm입니다.
• 평균 도금 홀 두께: 현재 안내값은 18μm입니다.
• 기판 두께: 0.4~4.5mm 범위가 안내되며 레이어 수에 따라 가능한 조합이 달라집니다.

위 사양은 변경될 수 있으며 고종횡비, 소구경 또는 특수 재료 조합은 주문 전에 최신 PCB 제조 능력과 DFM 검토 결과를 확인해야 합니다. Via-in-Pad는 지원 레이어와 홀 직경, 충진 방식이 별도로 지정됩니다.

시제품에서 양산까지 확인할 항목

• 표준 스택업 활용: 검증된 층수와 두께 조합을 사용하면 제조 조건을 예측하기 쉽습니다.
• 공정 추세 관리: 배럴 두께 분포와 보이드 발생률을 관찰해 도금 공정의 변화를 확인합니다.
• 동일 사양 유지: 시제품과 양산의 재료, 스택업, 홀 및 검사 요구를 동일하게 관리합니다.

가격과 제작 기간은 주문 사양과 시점에 따라 달라집니다. 종횡비 한계에 가까운 설계는 소량 시제품과 단면 분석용 쿠폰으로 도금 상태를 확인한 뒤 양산으로 전환하는 것이 좋습니다.

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PCB 비아 종횡비 FAQ