PCB에서의 Via-in-Pad: 장점과 과제

인쇄 회로 기판(PCB) 설계에서 via-in-pad 기술은 특히 고밀도 상호 연결(HDI) 설계에서 널리 사용되는 기술입니다. 이 기술은 패키지 피치가 0.8mm 이하인 BGA에 적합하도록 설계되었습니다. 이는 부품의 표면 실장 패드 내에 비아를 직접 배치하는 방식으로, 여러 설계 및 성능상의 이점을 제공합니다. 예를 들어, 디커플링 커패시터를 IC 핀에 더 가깝게 배치하여 바이패싱 및 노이즈 성능을 개선할 수 있습니다. 올바르게 구현된 via-in-pad는 열 관리, RF 차폐, 전력 응용 분야와의 호환성을 보장합니다. 그러나 via-in-pad는 제조 과정에서 고유한 문제를 수반하며, 설계 및 생산 시 신중한 고려가 필요합니다. 이 문서에서는 PCB 설계에서 via-in-pad 사용 시의 장점, 도전 과제, 실질적인 고려사항에 대해 다룹니다.

비아는 다층 PCB에서 서로 다른 층 간에 전기 신호를 전달하는 데 사용됩니다. 신호를 핀에서 멀리 우회하여 일반적인 비아를 배치하는 대신, 비아를 패드 내에 직접 배치할 수 있습니다. 패드 내에 비아를 배치하는 방식은 공간을 절약하고 배선을 단순화하며, 열 관리와 기생 인덕턴스를 개선하는 데 기여합니다. 패드 내 비아는 일반적인 비아보다 더 높은 비용이 들 수 있습니다. 설계자는 PCB 제조업체의 설계 능력을 확인하고, 보드가 문제없이 제조될 수 있도록 PCB 설계 도구에서 필요한 모든 파일을 추출해야 합니다.

패드란 무엇이며 왜 Via-in-Pad를 사용하는가?

패드는 PCB에서 부품이 납땜되는 전도성 영역입니다. 패드는 부품과 보드 간의 신뢰할 수 있는 전기적 및 기계적 연결을 보장하는 데 매우 중요합니다. 일반적인 설계에서는 비아가 패드 외부에 배치되어 다른 PCB 층들을 연결합니다. 그러나 제한된 공간을 가진 HDI 설계에서는 비아를 패드 내에 배치하는 Via-in-Pad 방식이 공간 활용을 최적화하고 전기적 성능을 향상시키는 데 유리합니다.

Via-in-Pad는 특히 다음과 같은 경우에 유리합니다:

• 고밀도 설계
• BGA 패키지
• 고속 설계
• 열 관리

이 외에도 신호 무결성 향상 등 많은 장점이 있으며, 이에 대해서는 후속 섹션에서 더 자세히 다루겠습니다.

Via-in-Pad 설계 고려사항

Via-in-Pad를 구현하려면 제조 가능성과 신뢰성을 보장하기 위해 다음과 같은 설계 지침을 준수해야 합니다.

1. 비아 채우기 및 캡핑: 개방된 비아는 납땜이 구멍을 통해 흘러 패드에 납땜이 부족하게 되는 문제를 초래할 수 있습니다. 이를 방지하려면 비아를 에폭시로 채운 후 구리로 캡핑해야 합니다.
2. 패드 정의: 금속 정의 패드는 비아를 완전히 감싸 납땜 확산을 방지해야 하며, 솔더 마스크 정의 패드는 제한적으로 패드 내 비아 배치를 허용합니다.
3. 열 과 RF 고려사항: 전력 응용 분야에서는 패드 내 서멀(열) 비아가 열 방출을 개선합니다. RF 설계에서는 via-in-pad가 임피던스 불연속성을 최소화합니다.
4. 구리 두께: 기계적 및 열적 스트레스를 견디기 위해 비아 도금에 충분한 구리 두께를 확보해야 합니다.
5. 솔더 마스크: 적절한 솔더 마스크 처리는 납땜 브리징을 방지하고 안정적인 납땜 조인트를 보장합니다.

Via-in-Pad가 부품 밀도를 높이는 이유

Via-in-Pad를 사용하는 주요 이유는 PCB 레이아웃에서 부품 밀도를 높이기 위함입니다. 그러나 이는 높은 비용을 수반합니다. Via-in-Pad를 적절히 사용하려면 비아를 채우고 도금 처리하여 SMD 부품을 위한 납땜 가능한 표면을 제공해야 합니다. 이러한 절차가 준수되는 한, Via-in-Pad는 조립 문제 없이 활용될 수 있습니다.

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Via-in-Pad를 사용한 고밀도 PCB 레이아웃에서는 부품 배치 밀도가 훨씬 더 높아질 수 있습니다. Via-in-Pad를 사용할 계획이라면 비아를 반드시 채워 납이 보드의 반대편으로 흘러들어가 조립 결함을 일으키지 않도록 해야 합니다. 이 기본적인 지침을 따르기만 하면, Via-in-Pad는 PCB 레이아웃에서 부품 밀도를 높이는 데 성공적으로 사용될 수 있습니다.

Via-in-Pad의 장점

이전 섹션에서 논의한 바와 같이, 패드에 비아를 사용하는 주요 이유 중 하나는 공간 절약입니다. 설계자가 비아를 패드 바로 아래에 배치하면 공간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 배선을 단순화할 수 있습니다(특히 BGA 패키지의 경우). 또한 PCB에 장착된 열원에 대해 열 방출을 크게 개선할 수 있습니다. 패드 내 비아는 설계자가 디커플링 커패시터를 구성 요소에 더 가깝게 배치하여 인덕턴스를 최소화합니다. 고속 설계 및 인터페이스에서는 이로 인해 신호 무결성이 향상됩니다. 보다 구체적으로, Via-in-Pad 기술의 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 공간 최적화: BGA 및 소형 부품을 위한 컴팩트한 레이아웃 구현 가능
• 신호 무결성 향상: 트레이스 길이를 줄여 신호 손실과 간섭 최소화
• 열 성능 개선: 패드 내 비아가 열 전도체 역할을 하여 열을 효율적으로 방출
• 배선 단순화: 추가 트레이스를 줄여 밀집된 설계에서 배선 작업을 용이하게 함
• 디커플링 커패시터 근접 배치: 커패시터를 구성 요소 핀에 더 가깝게 배치해 전력 전달 성능 개선

Via-in-Pad의 도전 과제와 단점

Via-in-Pad를 사용할 때 알아두어야 할 몇 가지 단점이 있습니다. 이러한 단점들을 사전에 숙지하는 것은 올바른 설계 선택을 내리는 데 도움이 됩니다. PCB 설계자들은 Via-in-Pad 설계를 선택하기 전에 반드시 이러한 사항들을 검토하는 것이 좋습니다. 비아가 정확히 배치되고 채워지지 않으면 표면에 돌출부가 발생할 수 있습니다. 이 표면의 불규칙성은 부품을 납땜하는 과정(특히 작은 부품이나 미세 접촉 부품)을 복잡하게 만들 수 있습니다. 따라서 패드 내 비아를 생성할 때 제조업체는 모든 표면 돌출부를 제거해야 합니다. 또한 적절한 제작 기술이 없다면, 패드 내 비아는 설계하고 구현하기 어렵습니다.

1. 제조 공정의 복잡성: 비아 채우기 및 평탄화와 같은 고급 공정이 필요하며, 이로 인해 제조 비용이 증가합니다.
2. 납땜 문제: 개방된 비아는 납이 구멍을 통해 흘러 약한 접합부를 형성할 수 있습니다.
3. 설계 제약: 잘못된 비아 배치는 톰스톤 현상(부품이 한쪽으로 기울어지는 문제)이나 납땜 페이스트 확산을 초래할 수 있습니다.
4. 열 팽창: 재료 간 열 팽창 계수가 일치하지 않으면 기계적 스트레스와 고장이 발생할 수 있습니다.

실용적인 응용 사례

Via-in-Pad는 BGA 패키지 구성 요소와 함께 자주 사용됩니다. BGA에서 다른 비아를 배치할 공간이 거의 없기 때문입니다. BGA의 납땜 볼 크기와 인접한 핀 간의 간격은 밀리미터의 아주 작은 크기일 수 있으며, 이는 표면 배선을 매우 복잡하게 만듭니다. 각 핀에서 아주 좁은 트레이스 폭을 가진 트랙을 그려 적절한 위치에 비아를 만들 수 있습니다.

하지만 이것이 최선의 접근 방식은 아닙니다. BGA 패키지의 구성 요소 핀은 매트릭스 형태로 체계적으로 배열되며, 각 핀은 작은 납땜 볼을 가지고 있습니다. Dual-in-Line(DIL) 패키지와 같은 다른 일반적인 패키지와 비교할 때, BGA는 더 높은 패킹 효율성과 내구성을 제공합니다. 대안으로, 모든 핀을 우회시켜 멀리 비아를 만드는 대신, 비아를 BGA 패드 바로 아래에 배치하여 구성 요소의 핀이 전달하는 신호를 필요한 PCB 층으로 전달할 수 있습니다. 이와 같은 설계를 적용하는 장치에는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 스마트폰 및 웨어러블 기기: 컴팩트한 설계가 중요한 경우
• 고주파 RF 회로: 신호 저하를 최소화해야 하는 경우
• 전력 전자: 향상된 열 방출 성능이 필요한 경우
• 의료 기기: 신뢰성과 공간 효율성이 중요한 경우

Via in Pad vs 일반적 비아

많은 산업에서 인쇄 회로 기판(PCB)을 사용하는 사람들에게 일반적인 비아와 Via-in-Pad(VIP) 설정 사이에서의 선택은 여전히 불확실한 문제로 남아 있습니다. 일부는 올바른 선택이 중요한지, VIP를 시도할 가치가 있는지, 그리고 VIP가 향후 모든 인쇄 회로 기판의 기준이 될 것인지에 대해 의문을 가질 수 있습니다.

일반적인 비아와 Via-in-Pad를 사용하는 PCB 중 어느 것을 선택해야 할지 확신이 서지 않는다면, Millennium Circuits Limited가 도움을 줄 수 있습니다. 우리는 전 세계적으로 인쇄 회로 기판 공급의 전문가이며, PCB 설계에 대해 거의 모든 것을 알고 있는 전문가들이 있습니다. 우리는 비아 배치를 포함한 PCB 설계의 모든 측면에 대해 잘 아는 재능 있는 설계자, 제조업체, 엔지니어들과 함께 일하고 있습니다.

JLCPCB의 Via-in-Pad 서비스

JLCPCB는 선도적인 PCB 제조업체로, 현대 설계 요구 사항에 맞춘 고급 Via-in-Pad 서비스를 제공합니다. 이들의 서비스에는 비아 채우, 캡핑, 도금이 포함되어 있으며, 이를 통해 납땜 흘러내림을 최소화하고 신뢰할 수 있는 접합을 보장합니다. 첨단 제조 공정을 통해 JLCPCB는 HDI 설계에 대해 비용 효율적인 솔루션을 제공하며, 설계자가 Via-in-Pad를 높은 정밀도와 효율성으로 구현할 수 있도록 지원합니다. 6-20층 PCB 설계에서 Via-in-Pad에 대한 자세한 내용은 블로그를 확인하세요.

링크 : **https://jlcpcb.com/blog/Free-Via-in-Pad-on-6-20-Layer-PCBs-with-POFV**

결론

Via-in-Pad는 현대 PCB 설계를 위한 강력한 기술로, 공간 효율성, 향상된 전기 성능, 개선된 열 관리 등 여러 장점을 제공합니다. 그러나 이 기술은 제조와 설계 과정에서 도전 과제를 동반하며, 이를 해결하기 위해 신중한 계획과 신뢰할 수 있는 PCB 제조업체와의 협력이 필요합니다. 장점과 한계를 잘 이해함으로써 설계자는 Via-in-Pad를 활용하여 고성능, 신뢰성 높은 PCB 설계를 달성할 수 있습니다. 올바른 설계 관행과 첨단 제조 지원을 통해 Via-in-Pad는 PCB 기술 발전에 중요한 역할을 계속할 것입니다.