블라인드 마이크로비아 구리 충전 최적화로 PCB 성능 향상

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비아(Via)는 적층된 패드들을 전기적으로 연결하는 구멍으로, 인쇄 회로 기판(PCB)의 필수 요소입니다. 스마트폰 등 전자 기기가 대중화되고 소형화됨에 따라, 기판에 더 작은 비아를 배치하는 능력이 점점 더 중요해지고 있습니다.

PCB 층 간 신호를 안정적으로 전달하기 위해 기판에 구리층을 추가할 수 있지만, 비아를 구리로 채우면 추가적인 용량을 확보할 수 있습니다.

구리 충전 블라인드 마이크로비아는 고밀도 상호 연결(HDI) 기판을 구현하고 신뢰성 있는 신호 전송을 제공합니다. 이 기술에는 과제도 있지만, 많은 이점이 있습니다. 자세한 내용과 유용성을 확인해 보세요.

마이크로비아란?

IPC는 마이크로비아를 "최대 종횡비 1:1의 블라인드 구조(도금 후)… 타겟 랜드에서 종료하거나 관통하며, 캡처 랜드 포일에서 타겟 랜드까지 측정한 총 깊이(X)가 0.25mm[0.00984인치] 이하인 것"으로 정의합니다.

2013년 정의 변경 전에는 직경 0.15mm(0.006인치) 미만의 비아 홀을 마이크로비아로 정의했습니다. 시간이 지나면서 이 크기가 보편화되었고, 직경 기준으로 정의를 계속 업데이트해야 하는 상황에 직면했습니다.

마이크로비아 홀 드릴링에는 레이저가 사용되며, 최근 레이저 드릴링 기술 발전으로 15µm 크기의 마이크로비아 제작이 가능해졌습니다. 레이저는 한 번에 한 층만 드릴링할 수 있지만, 여러 층을 별도로 드릴링한 후 적층하여 스루 마이크로비아를 제작할 수 있습니다.

레이저 드릴링은 드릴링된 구멍에 잔여 물질이 남지 않으므로, 일반 비아에 비해 제조 결함 발생 확률이 낮습니다. 다만, 도금 및 솔더 리플로우 문제는 일반 비아와 동일하게 발생할 수 있습니다.

마이크로비아의 작은 크기는 고밀도 상호 연결(HDI) PCB에 필수적이며, 통신 및 컴퓨팅 기기 등 전자 제품이 고성능화되면서 소형화되는 오늘날 매우 중요합니다.

블라인드 및 베리드 비아란?

마이크로비아는 블라인드 또는 베리드 타입일 수 있습니다. 블라인드 마이크로비아는 PCB 외층과 하나 이상의 내층을 연결하며, 보드 전체를 관통하지 않습니다. 외층 상단과 도달한 내층을 연결합니다. 블라인드 비아는 배선 밀도를 높이는 데 유용하며, 외층에서 내층으로 신호 트레이스를 라우팅할 때 가장 짧은 경로가 됩니다.

베리드 마이크로비아는 두 개 이상의 내층을 연결하며 외층까지 도달하지 않습니다. 외관상으로는 보이지 않습니다. 제조사는 주로 연속 적층 공정으로 제작합니다.

구리 충전 비아란?

구리 충전 비아는 순수 구리 또는 구리가 함유된 에폭시 수지로 채워진 비아입니다. 이 구리 충전은 비아의 전도성을 향상시켜 보드 양면 간 신호 전달을 더 효과적으로 만듭니다. 표준 비아, 마이크로비아, 블라인드 비아, 베리드 비아 등 다양한 비아에 구리 충전이 가능합니다.

비아는 금, 은, 전도성 에폭시, 비전도성 에폭시, 전기화학적 도금 등 다른 재료로도 채울 수 있습니다. 가장 일반적인 비아 충전재는 비전도성 에폭시지만, 구리 충전은 특정 애플리케이션에 이상적인 이점을 제공합니다.

구리 충전 블라인드 마이크로비아의 장점

블라인드 또는 베리드 마이크로비아 사용은 다음과 같은 이유로 유익합니다.

공간 절약

마이크로비아의 주요 장점은 공간 절약으로, 궁극적으로 비용 절감으로 이어집니다. 비아가 차지하는 공간이 클수록 더 큰 기판이 필요하고 프로젝트 비용이 증가합니다.

마이크로비아는 HDI PCB의 핵심 요소로, 스루 비아, 베리드 비아, 블라인드 비아, 코어리스 구조, 패시브 기판 구조, 레이어 쌍을 이용한 대체 코어리스 구조 등이 특징입니다. 크기와 무게가 작을 뿐 아니라, 부품 간 거리 단축과 트랜지스터 수 증가로 전기적 성능도 향상됩니다.

마이크로비아는 비아 인 패드(VIP) 활용에도 효과적입니다. VIP는 표면 실장 기술(SMT) 패드 내에 연결을 생성하여 공간을 절약합니다. 일반 비아는 SMT 패드 내에 들어가기엔 너무 클 수 있지만, 마이크로비아는 제조 문제 없이 패드 내에 배치 가능합니다.

블라인드 및 베리드 마이크로비아는 일반 블라인드/베리드 비아보다 제조가 용이합니다. 일반 비아는 제조가 까다롭지만, 마이크로비아는 이미 층별로 제작되므로 블라인드/베리드 공정(층별 작업 필요)에 적합합니다.

마이크로비아는 볼 그리드 어레이(BGA) 팬아웃에도 유용합니다. 마이크로비아 VIP는 미세 피치 BGA 패드 내에 쉽게 들어맞습니다. 팬아웃 채널에서는 표면 공간을 절약하면서도 출력을 보드의 다른 부분으로 라우팅하기 위해 많은 층이 필요한데, 마이크로비아는 이스케이프 경로 폭을 늘려 BGA 팬아웃에 필요한 층 수를 줄여줍니다.

EMI 감소

마이크로비아는 전자기 간섭(EMI) 감소에도 기여합니다. EMI는 전자기장이 전기 회로에 영향을 주어 전자 기기 작동을 방해하는 현상입니다. EMI 위험이 낮아 고주파 또는 고속 애플리케이션 회로에 특히 유용합니다.

고속 회로는 비아에서 신호 방사 및 반사 문제를 겪습니다. 비아 크기를 줄이면 방사 가능성을 낮춰 EMI를 감소시킵니다. 고속 회로에서 스텁(한쪽 끝만 연결된 전송선/도파관)도 EMI 원인인데, 스텁은 신호를 도체로 반사하여 원본 신호를 감쇠 또는 상쇄시킵니다. 마이크로비아는 층별로 제작되므로 스텁이 발생하지 않습니다.

마이크로파 및 밀리미터파 스트라이프라인 도체 등 고주파 전송선은 신호 분리를 위해 비아가 필요하지만, 일반 비아는 고주파 스트라이프라인에 사용하기엔 EMI가 너무 큽니다. 반면 마이크로비아는 EMI가 매우 적어 신호 무결성을 저하시키지 않습니다. 고주파 회로 사용이 증가하면서 EMI 우려도 커지고 있습니다.

비아를 구리로 채우면 열 및 전기 전도성 측면에서 추가 이점을 얻습니다.

열 및 전기 전도성

비아를 구리로 채우면 열전도율이 증가하여 열을 보드에서 멀리 보냅니다. 이로 인해 수명이 연장되고 결함 위험이 낮아집니다. 열이 보드 여러 곳으로 퍼지는 대신 구리를 통해 반대편으로 이동하여 부품을 보호합니다. 구리의 열전도율은 비아 충전재로도 쓰이는 금보다 높습니다.

전기 전도성도 금보다 높습니다. 비아 내 구리의 전도성 덕분에 전류가 PCB 과부하 없이 깊은 층으로 흐를 수 있습니다. 이 특성은 고전압 애플리케이션과 보드 양면 간 강한 전류 흐름이 필요한 경우에 이상적입니다.

구리 충전 블라인드 마이크로비아 관련 과제

마이크로비아 제조에는 특정 과제가 따르며, 이는 도금 및 내층 구리 근처에서 발생하는 상호 연결 결함(ICD)으로 이어질 수 있습니다. ICD는 신뢰성 문제, 개방 회로, 고온에서의 간헐적 문제, 회로 고장을 유발합니다. 제조 후 테스트에서는 정상으로 나타나지만 조립 또는 사용 중 문제가 드러나 검출이 어렵습니다. 이러한 결함을 주의 깊게 살피고 보드를 신중하게 제조해야 합니다.

이물질 기반 ICD

일반적인 ICD 유형으로, 드릴링 공정에서 발생한 이물질이 상호 연결 구멍에 남아 내층 구리에 박히는 경우입니다. 마이크로비아 홀 드릴링에 사용되는 레이저는 다른 드릴링 공정보다 이물질 발생이 훨씬 적어, 이물질 기반 ICD 위험이 낮습니다. 그래도 제조사는 구리 충전 전 모든 구멍이 이물질, 잔여물, 드릴 스미어, 유리 섬유, 무기 충전재 등에서 자유로운지 확인해야 합니다.

다양한 비아 유형에서 이물질 기반 ICD가 증가 추세인데, 저 DK/저 DF 소재 사용 증가 때문일 수 있습니다. 이 소재들은 여러 면에서 비용 효율적이지만, 일반 FR-4 에폭시 소재보다 이물질이 많이 발생하고 화학 세척에 더 강합니다.

구리 결합 불량 ICD

또 다른 흔한 ICD는 구리 결합 불량입니다. 조립 또는 사용 중 높은 응력, 약한 구리 밴드, 또는 이 둘의 조합으로 발생합니다. 구리 결합 불량 ICD 발생 시 구리 연결이 물리적으로 끊어집니다. 구리 결합이 약할수록 적은 응력에도 끊어집니다.

구리 결합 불량 ICD 증가 추세는 더 두꺼운 PCB와 높은 무연 납땜 온도 사용 증가, 큰 홀 크기, 웨이브 솔더링 등과 관련 있을 수 있습니다. 마이크로비아뿐만 아니라 일반 비아에서도 발생합니다.

보이드 및 신뢰성

마이크로비아 구리 도금 공정에서 흔히 발생하는 문제는 불완전한 충전, 딤플, 보이드입니다. 이러한 결함은 신뢰성 문제를 야기합니다. 메릴랜드 대학 연구진의 연구에 따르면, 불완전한 구리 충전은 마이크로비아의 응력 수준을 높여 피로 수명(파단 전 견딜 수 있는 응력 사이클 수)을 감소시킵니다.

보이드가 마이크로비아 신뢰성에 미치는 영향은 보이드 크기, 모양, 위치 등 특성에 따라 다릅니다. 예를 들어 작고 구형의 보이드는 피로 수명을 약간 증가시키지만, 극심한 보이드 조건은 수명을 크게 단축시킵니다.

블라인드 마이크로비아 구리 충전 공정

마이크로비아 홀 드릴링 후, 제조사는 순수 구리 또는 구리 함유 에폭시 수지를 주입하여 내층 회로와 PCB 표면을 연결합니다. 이 구리를 통해 부품이나 커넥터를 보드 표면에 배치하고 회로가 층 간 연결되도록 합니다.

블라인드 마이크로비아 작업 시 첨가제 없이 홀을 채우면 보이드가 형성되기 쉽습니다. 제조사는 비아가 닫힐 때까지 구리를 증착하지만, 첨가제 없이 증착하면 비아 내부보다 표면에 더 많은 구리가 증착되어 보이드가 생길 수 있습니다.

특정 유기 첨가제는 표면 증착을 억제하고 블라인드 마이크로비아 내 도금을 증가시켜 순응성 증착을 유도합니다. 순응성 도금은 블라인드 마이크로비아의 종횡비를 높여 용액 및 물질 이동을 제한하며, 때로는 중앙에 심(seam)이 있는 마이크로비아가 생성되기도 합니다.

바텀업(bottom-up) 공법으로도 블라인드 마이크로비아를 구리로 채울 수 있습니다. 이는 캡처 패드에 구리를 우선 증착하는 방식으로, 이상적으로는 낮은 딤플과 최소한의 표면 도금 구리를 만듭니다.

비아 홀에 구리를 채울 때 비아 내 구리층이 균일하고 외부 층이 너무 두껍지 않게 하는 것이 중요합니다. 과도한 구리는 PCB에 불필요한 무게를 더하고 트레이스에 구리가 너무 많아지게 하여 결함, 사양 미달, 비용 증가를 초래할 수 있습니다. 이는 일반 비아보다 마이크로비아에서 더 중요합니다. 설계 사양이 더 엄격하기 때문입니다.

블라인드 마이크로비아 충전 시 순수 구리를 쓸지, 에폭시 수지와 구리를 쓸지 결정하는 것도 중요합니다. 순수 구리 사용은 전통적 방식이지만 보이드 형성 원인이 될 수 있고, 오염 물질이 구리 내에 갇힐 수 있습니다. 충전 상단에 리세스(recess)를 남기면 이러한 문제를 예방할 수 있습니다.

스루 홀 충전 방식 중 하나는 본질적으로 두 개의 블라인드 마이크로비아를 만드는 것입니다. 먼저 순응성 도금을 한 후 어그레시브 펄스 도금으로 전환하여, 홀 벽면에 각각 구리 삼각형이 있는 X자 형태를 만듭니다. 이 형태는 PCB 양쪽에 각각 하나씩, 본질적으로 두 개의 블라인드 마이크로비아를 형성합니다. 다음 단계에서 이 BMV들을 완전히 채웁니다.

최근 새로운 구리 전해질 개발 등의 발전으로 결함과 과도한 구리 없이 블라인드 마이크로비아를 채우기가 쉬워졌습니다. 블라인드 마이크로비아 충전용 전해질은 보통 고농도 구리, 저농도 황산, 염화 이온을 포함합니다. 피복 특성 제어용 유기 전해질 첨가제로는 스타터, 그레인 리파이너, 레벨러가 일반적으로 사용됩니다.

밀레니엄 서키츠 리미티드의 구리 충전 블라인드 마이크로비아

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