마이크로비아(Microvia)와 HDI PCB 설계에서의 역할

작은 공간에 이렇게 많은 기능을 담아낼 수 있는 비결이 무엇인지 궁금하신 적이 있나요?

그 해답은 고밀도 인터커넥트(HDI) 설계 기법과 인쇄회로 설계에서 사용되는 마이크로비아(Microvia)에 있습니다. HDI PCB 기술은 현대 전자공학의 최첨단을 이루며, 소형화와 강력한 성능을 동시에 구현하는데 기여하고 있습니다. 이러한 구조는 이미 오랜 기간 사용되어 왔지만, 단일 회로 기판에서 다기능을 요구하는 다양한 시스템에서 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 설계 과정에서 크기를 분석한 결과, 모든 구성 요소를 인쇄회로기판에 배치하기 위해 6밀(밀 = 1/1000인치) 이하의 선폭이 필요하다고 판단된다면, 해당 설계는 층간 연결을 지원하기 위해 마이크로비아가 필요할 만큼 높은 밀도를 가지고 있다고 볼 수 있습니다. 이 글에서는 마이크로비아의 정의, HDI 설계에서의 중요성, 그리고 첨단 PCB 제조 기술에서 제공하는 이점들을 다룹니다.

마이크로비아(Microvia)란 무엇인가?

마이크로비아는 전자 회로에서 절연층을 관통하여 전기적 연결을 제공하기 위해 도체-절연체-도체로 이루어진 다층 구조에 드릴링된 작은 홀입니다. 마이크로비아의 직경은 일반적으로 150마이크로미터 이하이며, 200μm 이하로 내려갈수록 공정 비용이 급격히 증가합니다. 전통적인 비아는 PCB의 여러 층을 관통하지만, 마이크로비아는 레이저 드릴링 방식을 사용하며 주로 인접한 두 층 간의 연결에 제한됩니다. 150μm 이하의 직경을 가진 마이크로비아의 레이저 드릴링은 기존 기계 드릴링을 대체하고 있으며, 현재 시장의 약 94%를 차지하고 있습니다. 마이크로비아는 다음 세 가지 유형으로 분류됩니다:

• 블라인드 비아(Blind Via)
• 베리드 비아(Buried Via)
• 스택드 또는 스태거드 마이크로비아(Stacked or Staggered Microvia)

이들에 대한 자세한 설명은 아래에서 다루겠습니다.

HDI PCB 설계에서 마이크로비아(Microvia)의 역할

Microvia는 HDI PCB 설계에서 필수적인 구성 요소로, 불필요한 공간을 차지하지 않으면서 연결 밀도를 높이는 데 기여합니다. 이 기능은 스마트폰, 웨어러블 기기, 첨단 자동차 시스템과 같이 크기 제한이 중요한 현대 전자 장치에서 매우 중요한 역할을 합니다.

1. 공간 최적화: 마이크로비아는 부품을 더욱 가까이 배치할 수 있도록 하여, PCB의 전체 크기를 줄이면서도 기능성을 유지합니다.
2. 신호 무결성 향상: 마이크로비아의 짧은 길이는 신호 손실을 줄이고 고주파 및 고속 응용 제품에 적합합니다.
3. 열 관리: 마이크로비아는 설계에 통합되어 효율적인 열 분산을 지원하며, 고출력 장치의 신뢰성을 보장합니다.

마이크로비아(Microvia)의 제조 방법

마이크로비아는 얼마나 작을까요? 대부분의 설계자들은 마이크로비아를 직경이 약 150µm(6밀) 이하인 비아로 정의합니다. 비아의 크기에 따라 기계적으로 드릴링 후 도금(각 층을 적층 및 압착)하거나 고출력 레이저를 사용해 형성할 수 있습니다. 레이저 방식은 높은 처리량 덕분에 대량 PCB 제조에서 선호되며, 기술이 지속적으로 발전하고 있습니다. 최근 레이저 드릴링 기술의 발전으로 마이크로비아 크기를 15µm까지 줄이는 것이 가능해졌습니다. 제조 공정은 크게 다음 두 단계로 나뉩니다:

1. 비아 드릴링 및 세척
2. 비아 도금

마이크로비아 제조는 구조적 안정성과 신뢰성을 보장하기 위해 정밀한 드릴링, 세척 및 도금 과정을 필요로 합니다. 일반적으로 스퍼터링, 전해 도금, 무전해 구리 도금과 같은 방식이 사용되며, 이는 비아 내부의 공극, 움푹 들어간 부분, 돌기와 같은 결함을 제거하여 구조적 결함을 방지하는 것을 목표로 합니다. 레이저로 드릴링된 마이크로비아는 드릴 마모와 크기 제한이 있는 기계적 드릴링에 비해 결함이 적습니다.

마이크로비아(Microvia) 제조 공정의 주요 단계

1.기판 준비:

PCB 기판을 청소하고 처리하여 최적의 접착력을 보장합니다.

2.드릴링:

레이저 드릴링을 사용하여 정밀한 Microvia를 생성하며, 몇 마이크로미터의 직경으로 고밀도 인터커넥트를 지원합니다.

3.디스미어링(Desmearing):

드릴링 과정에서 발생한 잔여 물질을 제거하여 깨끗한 전도 경로를 확보합니다.

4.금속화(Metallization):

일반적으로 무전해 도금을 통해 얇은 구리층을 증착하여 층간 전기적 연결을 형성합니다.

5.품질 관리:

고급 재료와 최적화된 드릴링 매개변수를 사용하여 불완전한 드릴링이나 접착 불량과 같은 결함을 방지합니다.

PCB 설계에서의 다양한 마이크로비아(Microvia) 유형

1.블라인드 마이크로비아:

블라인드 마이크로비아는 표면층에서 시작하여 한 층 아래에서 끝나는 구조입니다. 경우에 따라 표면층에서 두 층 아래까지 연결될 수도 있습니다. 두 층 이상을 연결해야 하는 경우, 신뢰성을 높이기 위해 스택드 마이크로비아 또는 스태거드 마이크로비아를 사용하는 것이 더 적합합니다. 블라인드 마이크로비아는 충전(필드)되거나 비충전(언필드) 상태일 수 있습니다.

2.베리드 마이크로비아:

베리드 Microvia는 블라인드 마이크로비아와 기본적인 구조는 비슷하지만, 내부층 간의 연결만 담당하며 PCB의 표면에는 닿지 않습니다. 블라인드 마이크로비아와 마찬가지로, 신뢰성과 제작 용이성을 위해 종횡비(aspect ratio)를 낮게 유지하며 단일 층 간 연결로 제한하는 것이 가장 바람직합니다. 이러한 비아는 구리 도금을 통해 충전되며, 순수 구리를 사용한 도금 방식이나 에폭시+구리 레진 방식으로 채워져 강력한 연결을 제공합니다. 특히 도금 과정에서 공극이 없는 구조를 만들어 신뢰성을 극대화해야 합니다.

3.스택드 및 스태거드 마이크로비아:

많은 수의 베리드 및 블라인드 Microvia를 설계에 통합하는 것은 다소 까다로울 수 있지만, 낮은 종횡비를 가진 층별 형성 방식은 스택형 응용에서 매우 유용합니다. 스택드 Microvia는 단순히 베리드 비아를 여러 층에 걸쳐 쌓거나, 블라인드 Microvia를 베리드 마이크로비아 위에 쌓아 올린 구조입니다. 이는 HDI PCB에서 여러 층을 연결하기 위한 표준 방식으로 사용됩니다. 스택 내부의 베리드 마이크로비아는 전도성 페이스트로 채워지고 도금 처리되어 강력한 접촉을 보장하며, 다음 비아가 추가될 때 안정적으로 결합될 수 있도록 설계됩니다.

마이크로비아(Microvia)의 장점

마이크로비아는 PCB 설계에서 열-기계적 신뢰성과 공간 효율성을 대폭 향상시키는 중요한 이점을 제공합니다. 작은 크기 덕분에 소형화가 가능하며, 더 큰 스루홀(through-hole)을 대체함으로써 보드 공간을 절약할 수 있습니다. 마이크로비아는 HDI 보드에서 신호 무결성을 개선하며, 트레이스 길이를 단축하고 고속 회로에서의 방사를 최소화합니다. 레이저 드릴링 기술은 제작 결함을 줄여 전체적인 신뢰성을 높이는 데 기여합니다. 또한, 마이크로비아는 RF 및 EMC 성능을 향상시키며, 고밀도 PCB 응용을 위한 강력한 솔루션을 제공합니다. 주요 장점을 요약하면 다음과 같습니다:

1.소형화:

마이크로비아의 작은 크기는 컴팩트한 설계를 가능하게 하며, 더 많은 기능성을 추가할 수 있습니다.

2.향상된 전기적 성능:

마이크로비아는 유도성과 정전 용량 문제를 줄여 고속 회로에 적합합니다.

3.레이어 스태킹의 유연성:

마이크로비아는 다중 적층 공정을 가능하게 하여 복잡한 설계 요구를 충족시킬 수 있습니다.

4.개선된 신뢰성:

레이저 드릴링된 마이크로비아는 높은 정밀도를 제공하며 결함 발생 가능성을 줄입니다.

마이크로비아(Microvia) 설계를 위한 고려사항

PCB에서 마이크로비아를 설계할 때는 여러 가지 요소를 고려해야 합니다. 신뢰할 수 있는 도금이 가능한 홀을 설계하려면, 마이크로비아의 종횡비(aspect ratio, 비아 깊이 대 직경 비율)가 1:1을 초과하지 않는 것이 이상적입니다. 종횡비가 더 크더라도 드릴링은 가능하지만, 이는 도금 결함을 초래할 가능성이 높습니다. 다음은 설계 시 유의해야 할 주요 고려사항입니다:

1.드릴링 기술:

레이저 드릴링은 정밀성과 반복성이 뛰어나 마이크로비아 생성에 가장 적합한 기술입니다.

2.종횡비:

종횡비는 이상적으로 1:1로 유지되어야 구조적 안정성과 제조 용이성을 확보할 수 있습니다.

3.구리 도금:

Microvia의 적절한 도금은 전기적 연결성과 신뢰성을 유지하는 데 필수적입니다.

4.레이어 스택업(Layer Stackup):

특히 스택드 또는 스태거드 마이크로비아의 경우, 기계적 스트레스를 방지하기 위해 레이어 배열을 신중하게 계획해야 합니다.

여러 레이어에 마이크로비아를 배치할 경우, 각 비아가 위치한 레이어마다 추가적인 적층 과정이 필요합니다. 사용하지 않는 홀은 비전도성 충전물로 채우거나 도금 처리할 수 있습니다. 마이크로비아는 그 크기가 작기 때문에 반드시 충전이 필요하지 않을 수도 있습니다. 도금에는 특수 화학 공정을 통해 제작된 구리가 사용되며, 이를 통해 설계자는 더 많은 유연성을 확보할 수 있습니다.

구리 충전 및 비충전 마이크로비아(Microvia)란 무엇인가?

마이크로비아는 구리로 충전되거나 비충전 상태일 수 있습니다. 특히 베리드 ****마이크로비아의 경우, 비아 홀 내부를 구리로 채우는 것이 중요하며, 이는 스택 구조가 포함된 경우 더욱 필수적입니다. 만약 내부에 공극이 남아 있다면, 비아 벽을 따라 높은 응력 집중이 발생할 수 있습니다. 이러한 응력은 리플로우(reflow) 과정이나 실제 사용 중에 비아의 조기 균열을 초래할 가능성이 있습니다. 블라인드 마이크로비아는 초기에는 비충전 상태로 남겨두는 경우가 많았지만, 오늘날에는 패드 내부에서 사용될 경우 반드시 충전해야 합니다.

마이크로비아 도금 공정은 일반적으로 순수 구리 또는 구리-에폭시 레진을 사용합니다. 이 공정은 컨포멀 도금(conformal plating)으로 시작하며, 펄스 도금을 통해 마이크로비아 내부를 고체 구리로 완전히 채웁니다. 이러한 과정은 공극 발생 위험을 효과적으로 줄입니다. 그러나 첨가제를 사용하지 않고 도금을 진행할 경우, 마이크로비아 내부에 공극이 발생할 가능성이 높아집니다. 구리로 완전히 충전되었더라도 첨가제를 사용하지 않으면, 특히 비아 벽과 표면을 따라 구리 분포가 불균일해질 수 있습니다. 컨포멀 도금은 이러한 불균일한 구리 증착 문제를 악화시킬 수 있으며, 결과적으로 공극을 초래할 가능성이 있습니다.

전통적인 비아와의 비교

전통적인 비아는 효과적이지만, 마이크로비아가 제공하는 정밀성과 공간 절약 효과를 따라갈 수 없습니다. 전통적인 비아는 크기가 더 크기 때문에 HDI 응용에 적합하지 않으며, 부품 배치가 제한되고 신호 손실이 증가하는 단점이 있습니다. 반면, 마이크로비아는 소형화와 고성능이 요구되는 HDI PCB 설계의 요구를 충족하도록 설계되었습니다.

결론

마이크로비아는 PCB 설계자들에게 높은 신뢰성과 설계 유연성을 제공합니다. 이를 통해 고객은 다중 레이어를 연결할 때 안정성을 확보할 수 있습니다. 인쇄회로기판 제작에 적합한 재료를 선택할 때, 마이크로비아 드릴링 공정에 적합한 특정 재료들이 사용됩니다. 마이크로비아는 HDI PCB 설계의 핵심 요소로, 첨단 전자 장치에서 요구되는 소형화와 고성능을 가능하게 합니다.

마이크로비아는 공간 최적화, 신호 무결성 향상, 열 관리 등 여러 방면에서 현대 PCB 제조에서 필수적인 역할을 합니다. 앞으로 마이크로비아는 전자 장치 설계에서 더 중요한 역할을 맡게 될 것입니다. 기술의 발전과 함께 전자 장치가 일상생활에 더욱 깊이 통합됨에 따라, 마이크로비아는 이러한 첨단 요구를 충족하기 위한 필수 기술이 될 것입니다. 마이크로비아 기술의 지속적인 발전은 전자 설계에서 새로운 가능성을 열어가며, 혁신과 기능성을 한층 더 높일 것입니다.