비아 인 패드(VIP) 기술: 첨단 PCB 제조에서의 밀도 및 신뢰성 향상

비아 인 패드(Via in Pad)는 이름 그대로, 비아를 짧은 트레이스로 옆으로 빼서 라우팅하는 대신 부품의 솔더링 패드 안에 직접 배치하는 방식입니다. 개념 자체는 단순해 보이지만, 이는 PCB 설계 철학에서 중요한 진화를 의미하며, 오늘날의 고밀도 인터커넥트(HDI) 보드에는 필수적인 요소가 되었습니다.

전통적인 PCB 설계에서는 비아를 항상 부품 패드 영역 바깥에 배치하고 짧은 팬아웃 트레이스로 연결했습니다. 이 방식은 공간이 충분할 때는 잘 작동합니다. 하지만 부품 패키지가 소형화되면서, 예를 들어 BGA 피치가 1.27mm에서 0.4mm 이하로 줄어들면서 패드 사이에 외부 비아로 이스케이프 트레이스를 라우팅할 공간이 충분하지 않게 되었습니다. PCB 비아 인 패드 기법은 팬아웃을 완전히 없애고 비아를 패드 안에 직접 배치함으로써 이 문제를 해결하며, 귀중한 라우팅 공간을 확보할 수 있게 해줍니다.

비아 인 패드 기술의 발전 과정은 HDI 제조 역량의 발전과 밀접하게 맞물려 있습니다. 초기 구현 방식은 패드에 단순한 스루홀 비아를 배치하는 것에 그쳤으며(솔더 위킹 문제를 자주 유발), 현대의 인 패드 비아 솔루션은 충전 및 캡핑된 마이크로비아를 사용하여 상단 부품에 완전히 평평하고 솔더링 가능한 표면을 제공합니다.

공간 절약과 신호 성능을 위한 핵심 장점

비아 인 패드의 장점은 단순한 공간 절약을 훨씬 뛰어넘습니다. 물론 공간 절약만으로도 그 인기를 정당화하기에 충분하지만 말입니다.

1) 라우팅 밀도가 극적으로 향상됩니다. BGA 볼 바로 아래에 비아를 배치하면 소중한 표면 라우팅 채널을 소모하지 않고도 내부 행에서 신호를 이스케이프시킬 수 있습니다. 전통적인 팬아웃 방식으로는 4층 이상의 라우팅 레이어가 필요했던 0.5mm 피치 BGA도 비아 인 패드를 사용하면 단 2층만으로 충분할 수 있으며, 이를 통해 스택업과 전체 보드 비용을 줄일 수 있습니다.

2) 신호 무결성 또한 크게 향상됩니다. 신호 경로가 짧아지면 기생 인덕턴스와 커패시턴스가 줄어듭니다. 고속 설계에서는 팬아웃 스터브를 제거함으로써 반사를 유발하고 신호 품질을 저하시킬 수 있는 잠재적인 임피던스 불연속점을 없앨 수 있습니다. 패드 인 비아 방식은 부품과 내부 레이어 사이에서 가능한 가장 짧은 전기적 경로를 제공합니다.

3) 열 성능 또한 향상됩니다. 서멀 패드 내의 충전 비아는 내부 그라운드 또는 전원 평면과의 직접적인 구리 연결을 만들어, 전력 부품 및 고전류 IC의 방열 성능을 크게 향상시킵니다. 이는 자동차 및 전력 전자 애플리케이션에서 특히 유용합니다.

비아 인 패드 플레이티드 오버(VIPPO)를 사용해야 하는 시점과 이유

BGA, 미세 피치, 열이 중요한 애플리케이션에서의 이상적인 활용 시나리오

비아 인 패드 플레이티드 오버(VIPPO)는 비아 인 패드 기술의 표준 구현 방식이라 할 수 있습니다. 이 공정은 비아를 드릴링한 후, 전도성 또는 비전도성 소재로 충전하고, 충전 부위 위에 구리를 도금한 다음, 표면을 평탄화하여 매끄럽고 평평한 패드를 만드는 과정을 거칩니다. 이를 통해 부품이 마치 일반 솔리드 패드와 구분되지 않는 표면 위에 실장될 수 있습니다.

VIPPO에 이상적인 시나리오로는 피치가 0.8mm 이하이며 내부 행 신호가 전통적인 도그본 팬아웃 방식으로는 이스케이프할 수 없는 BGA 이스케이프 라우팅이 있습니다. 또한 노출된 서멀 패드를 가진 QFN 및 DFN 패키지에서도 필수적이며, 이 경우 충전 비아가 내부 평면으로의 중요한 열 경로를 제공합니다. 3GHz 이상의 고주파 애플리케이션은 스터브 효과 제거의 이점을 얻으며, 보드 공간이 절대적으로 부족한 모든 설계에서는 밀도 향상의 혜택을 누릴 수 있습니다.

프로 팁: 모든 비아 인 패드가 VIPPO일 필요는 없습니다. 프로토타입 제작이나 덜 중요한 애플리케이션에서는 텐팅 또는 플러그 처리된 비아 인 패드로도 충분할 수 있습니다. 완전한 VIPPO는 평탄도가 반드시 필요한 미세 피치 BGA와 열이 중요한 패드에만 사용하시기 바랍니다.

전통적인 비아 배치 방식과의 비교

전통적인 비아 배치 방식은 "도그본(dog-bone)" 패턴을 사용합니다. 즉, 부품 패드에서 패드 사이의 여유 공간에 배치된 비아까지 짧은 트레이스로 라우팅하는 방식입니다. 이 방식은 단순하고 잘 알려져 있으며 특별한 제조 공정이 필요하지 않습니다. 다만 라우팅 공간을 소모하고, 트레이스 길이가 늘어나 인덕턴스가 증가하며, 매우 미세한 피치에서는 물리적으로 불가능해집니다.

비아 인 패드는 이러한 타협점을 없애주지만, 제조 복잡도와 비용은 증가합니다. 충전, 도금, 평탄화 단계는 전용 장비가 필요한 추가 공정 단계입니다. 트레이드오프는 간단합니다. 설계가 라우팅 혼잡이나 신호 무결성 문제 없이 전통적인 팬아웃 방식을 사용할 수 있다면, 비용을 절감하기 위해 도그본 방식을 사용하십시오. 밀도의 한계를 넘어서거나 신호 마진의 마지막 1dB까지 쫓아야 하는 상황이라면, 비아 인 패드는 투자할 만한 가치가 있습니다.

성공적인 비아 인 패드 구현을 위한 설계 모범 사례

패드 크기, 홀 직경, 충전재 가이드라인

패드 내 비아 생성은 기본적으로 스키매틱 및 레이아웃 툴에서 시작됩니다. 마이크로비아(레이저 드릴링) 패드 적용 시, 패드 홀 직경(일반적으로 0.25~0.35mm)과 패드 직경(일반적으로 0.25mm)이 사용됩니다. 일반적인 홀 직경 범위는 0.075~0.15mm입니다. 마이크로비아를 패드에 적용하는 경우, 패드 홀 직경은 0.25~0.35mm, 패드 직경은 0.25~0.35mm입니다.

충전재는 작업의 성격에 따라 선택하는 사항입니다. 구리 페이스트나 전해 도금 구리와 같은 전도성 충전재는 열적·전기적으로 가장 전도성이 뛰어나므로, 전원 패드 아래의 서멀 비아에 사용됩니다. 가볍고 저렴한 비전도성 충전재(에폭시 기반)는 열전도성이 크게 중요하지 않은 신호 비아에 사용할 수 있습니다. 두 가지 방식 모두 구리 도금 및 평탄화 처리가 필요합니다. 가장 중요한 규칙은 비아 홀, 환형 링을 지지하고 부품을 덮기에 충분한 솔더 페이스트를 허용할 만큼 패드가 충분히 커야 한다는 것입니다. 패드 면적을 과도하게 차지하는 비아는 솔더 조인트 신뢰성을 떨어뜨립니다.

스택업 계획 및 임피던스 제어 통합

비아 인 패드 설계는 스택업과 직접적으로 상호 작용합니다. 패드 적용에 사용되는 마이크로비아는 일반적으로 하나 또는 두 개의 레이어만을 관통하므로, 스택업에서는 목표 라우팅 레이어를 부품 레이어와 인접하게 배치해야 합니다. 순차 적층(1+N+1 또는 2+N+2 구성) 방식의 HDI 스택업은 바로 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계됩니다.

패드 내 비아가 있으면 임피던스 제어가 더 미묘해집니다. 비아 자체가 신호 경로에 작은 커패시티브 불연속점을 발생시키기 때문입니다. 10Gbps 이상의 설계에서는 임피던스 프로파일이 목표치를 충족하는지 확인하기 위해 비아 구조에 대한 3D 전자기 시뮬레이션이 필요할 수 있습니다. 중간 속도에서는 이러한 불연속성이 팬아웃 스터브 제거로 얻는 개선 효과에 비해 일반적으로 무시할 수 있는 수준입니다.

일반적인 실수를 피하기 위한 DFM 규칙

비아 인 패드 설계에서 흔히 발생하는 실수로는, 패드에 비해 지나치게 큰 비아 홀을 사용하는 것(최소 환형 링 요구 사항 위반), 제작 노트에 충전 및 캡핑된 비아를 명시하지 않는 것, 솔더마스크 개구 조정을 고려하지 않고 패드에 비아를 배치하는 것, 그리고 제조업체가 실제로 요구되는 비아-패드 정합 공차를 충족할 수 있는지 확인하지 않는 것 등이 있습니다.

비아 인 패드 요구 사항은 항상 제작 도면에 명확하게 전달해야 합니다. 충전재 종류(전도성 vs. 비전도성), 캡 도금 요구 사항, 평탄도 공차, 반대쪽 면에 딤플이 허용되는지 여부를 명시하십시오. 제작 노트가 모호하면 제조업체가 임의로 판단하게 되고, 이러한 임의 판단은 문제로 이어집니다.

프로 팁: 비아 인 패드가 어떻게 구성되기를 원하는지 정확히 보여주는 단면도를 제작 노트에 포함하십시오. 제조업체와 소통할 때는 그림 한 장이 천 마디 말보다 효과적입니다.

비아 인 패드 구조의 정밀 제조

레이저 드릴링, 전도성 충전, 평탄화 공정

이러한 인 패드 구조를 설계할 때는 여러 단계를 거치는 정밀한 공정이 필요합니다. 마이크로비아의 경우, UV 또는 CO2 레이저로 블라인드 홀을 드릴링하며, 정확도는 놀라울 정도로 높아 일반적으로 ±25㎛ 이내로 유지됩니다. 레이저 설정을 정확하게 조정해야 하며, 그렇지 않으면 캡처 레이어의 패드를 손상시키는 불량한 홀이 생길 수 있습니다.  

드릴링이 끝나면 몇 가지 방식 중 하나로 비아를 충전합니다. 가장 널리 사용되는 방식은 전도성 또는 비전도성 페이스트를 사용한 스크린 프린팅이며, 특히 블라인드 마이크로비아에서 많이 쓰입니다. 최근에는 우수한 전도성과 신뢰성으로 인해 전해 구리 충전 방식도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 비아 충전이 끝나면 세라믹 또는 다이아몬드 연마 휠로 표면을 연마하여 캡이 나머지 구리 표면과 동일한 높이가 되도록 합니다. 마지막으로 충전된 비아 위에 구리 캡을 도금하여 패드와 일체화시킵니다. 최종 결과물은 전기적으로나 기계적으로나 솔리드 패드처럼 보이고 동작하는 구조입니다.

구리 도금 및 보이드 없는 충전 기술

비아 인 패드 구조 제조에서 가장 큰 문제는 보이드(공극) 제거입니다. 갇혀 있던 공기나 가스 방울은 리플로우 솔더링 중 터져 나와 솔더볼, 블로우홀, 부실한 접합부를 형성할 수 있으며, 비아의 열전도성을 저하시킵니다. 현재 제조업체들은 진공 보조 충전, 페이스트 유변학 제어, 다단계 스크린 프린팅을 활용하여 보이드를 최소화합니다. 또한 X선 스캔과 단면 절단을 통해 충전 품질을 검증합니다. 실제로 전해 구리 충전 방식은 페이스트 방식보다 보이드가 적어, 높은 신뢰성이 요구되는 애플리케이션에서 점점 더 선호되고 있습니다.

신뢰성 보증을 위한 첨단 검사

비아 인 패드 품질 검사는 표준 PCB 검사 범위를 넘어섭니다. X선은 육안으로 확인할 수 없는 숨겨진 공동, 미완성된 충전, 정합 오류를 보여줍니다. 이후 샘플 쿠폰에 대한 미세 단면 검사를 진행하여 충전 품질, 캡 두께, 전반적인 구조를 확인합니다.

평탄도는 프로파일로메트리 또는 광학 검사를 통해 확인되며, 비아 캡이 충분히 평평한지, 일반적으로 패드의 딤플 또는 범프가 10mil(0.2mm)을 넘지 않는지 확인합니다. 이러한 모든 검사를 통해 모든 비아 인 패드가 조립 공정은 물론 제품의 전체 수명 동안 견딜 수 있도록 보장합니다.

JLCPCB가 비아 인 패드에 통달한 방법

마이크로비아 및 충전 정밀도를 위한 최첨단 장비

JLCPCB의  생산 라인은 업계를 선도하는 위치 정확도로 최소 0.075mm 직경의 마이크로비아를 생산할 수 있는 첨단 UV 및 CO2 레이저 드릴링 시스템을 갖추고 있습니다. 여기에 자동화된 비아 충전 및 정밀 평탄화 장비가 결합되어, 다양한 보드 설계 전반에 걸쳐 신뢰할 수 있는 비아 인 패드 구조를 구현할 수 있습니다.

프로토타이핑부터 양산까지 통합된 역량

BGA 이스케이프 라우팅이 제대로 작동하는지 확인하기 위한 소량의 프로토타입 보드든, 매달 5만 장의 양산 패널을 준비하는 경우든, 모든 주문에 동일하게 엄격한 공정 관리를 적용합니다. 프로토타입에서 양산으로의 전환이 매우 매끄럽기 때문에, 검증된 설계가 별도의 재검증 과정 없이 곧바로 양산으로 이어지며, 일정에 차질을 줄 수 있는 예상치 못한 공정 재검증 문제도 발생하지 않습니다.  

고수율의 신뢰할 수 있는 VIP PCB 공급 경험

저희는 스마트폰, 통신 장비, 자동차, 산업용 분야에 이르기까지 수천 건의 비아 인 패드 프로젝트를 진행해 왔습니다. 이러한 풍부한 경험을 바탕으로, 엔지니어링 팀은 초미세 피치 BGA 이스케이프부터 고전류 서멀 비아 배열에 이르기까지 여러분이 마주할 수 있는 비아 인 패드 관련 문제의 대부분을 이미 해결하고 극복해 왔습니다. 설계 파일을 업로드하시고, 생산 공정이 시작되기 전에 DFM 시스템이 발생 가능한 문제를 미리 알려드리도록 하시면 됩니다.

자주 묻는 질문(FAQ)

Q. 비아 인 패드란 정확히 무엇이며, 왜 필요한가요?

비아 인 패드는 외부 비아로 라우팅하는 대신 부품의 솔더링 패드 안에 비아를 직접 배치하는 방식입니다. 부품 피치가 너무 미세하여 전통적인 팬아웃 방식을 사용할 수 없거나, 최대 라우팅 밀도가 필요한 경우에 이 기술이 필요합니다.

Q. 비아 인 패드 플레이티드 오버(VIPPO)는 표준 비아보다 비용이 더 드나요?

네, 그렇습니다. VIPPO는 비아 충전, 평탄화, 캡 도금 등 추가적인 제조 공정이 필요합니다. 추가 비용은 제조업체마다 다르지만, 일반적으로 기본 보드 가격에 15~30% 정도가 추가됩니다. 설계 밀도나 신호 성능 요구 사항이 이를 필요로 할 경우 이러한 비용 부담은 충분히 타당합니다.

Q. 스루홀 비아로도 비아 인 패드를 사용할 수 있나요, 아니면 마이크로비아만 가능한가요?

둘 다 가능하지만, 비아 인 패드 애플리케이션에는 마이크로비아(1~2개 레이어를 관통하는 블라인드 비아)가 더 선호됩니다. 스루홀 비아는 완전히 충전하기가 더 어렵고, 더 큰 솔더 위킹 통로를 만드는 경향이 있습니다. 패드에 스루홀 비아가 반드시 필요한 경우에는 제작 노트에 플러그 및 캡핑 처리된 비아임을 명시하시기 바랍니다.

Q. 패드 내 비아가 제대로 충전되지 않으면 어떻게 되나요?

충전되지 않았거나 부분적으로만 충전된 패드 내 비아는 리플로우 과정에서 솔더 위킹을 유발할 수 있습니다. 이 경우 솔더가 패드 위에서 제대로 접합부를 형성하지 못하고 비아 아래로 흘러 내려갑니다. 이는 불충분한 솔더 접합, 간헐적인 연결 불량, 장기적인 신뢰성 문제로 이어질 수 있습니다. 항상 충전 요구 사항을 명확하게 명시하시기 바랍니다.

Q. 비아 인 패드 구조는 얼마나 작게 제작할 수 있나요?

현대의 레이저 드릴링 기술은 첨단 HDI 애플리케이션을 위해 최소 0.05mm 직경의 마이크로비아까지 제작할 수 있습니다. JLCPCB에서 실제로 구현하는 비아 인 패드는 일반적으로 0.1mm~0.15mm 직경의 마이크로비아를 사용하며, 이에 대응하는 패드 크기는 0.25mm~0.35mm입니다.