고품질 HDI PCB 설계를 위한 3가지 필수 원칙

HDI(High Density Interconnection, 고밀도 상호연결)는 20세기 말부터 개발되기 시작한 인쇄회로기판 기술입니다. 기존 PCB는 기계식 드릴링을 사용하는데, 0.15mm 홀경에서 비용이 높고 드릴 공구의 영향으로 개선이 어렵다는 단점이 있습니다. 반면 HDI PCB는 레이저 드릴링을 채택해 도입 즉시 큰 인기를 끌었습니다. HDI 보드는 '레이저 보드'라고도 불리며, 홀경은 통상 3.0~6.0mil(0.076~0.152mm), 선폭은 3.0~4.0mil(0.076~0.10mm) 범위입니다. 이로 인해 패드 크기를 대폭 줄일 수 있어 단위 면적당 더 많은 배선이 가능해졌습니다. HDI 기술은 PCB 산업 발전을 견인하며 현재 다양한 기기에 광범위하게 적용되고 있습니다.

보드 설계 관점에서의 차이

일반 PCB와 비교할 때 HDI PCB의 본질적 차이는 관통 홀(through hole) 대신 블라인드 홀(blind hole)과 베리어드 홀(buried hole)을 이용해 상호연결을 구현한다는 점입니다. 또한 HDI 설계에는 더 미세한 선폭과 좁은 간격이 적용되어 배선 공간을 최대한 활용합니다. 따라서 HDI 설계 입문자는 부품 공간 배치, 블라인드/베리어드/관통 홀의 용도 전환, 신호선 공간 분배 방법을 익혀야 합니다. 하지만 무엇보다 먼저 HDI PCB 제조 공정의 공정 파라미터를 정확히 이해하는 것이 선결 과제입니다.

제조 공정

홀경(아페처)

관통 홀과 블라인드/베리어드 홀 설계 시 홀경 비율을 고려해야 합니다. 일반 PCB의 기계식 드릴링에서는 관통 홀경이 0.15mm 이상, 보드 두께 대 홀경 비율이 8:1 이상이어야 합니다(특수 경우 12:1 이상). 레이저 드릴링의 경우 레이저 홀경은 3~6mil 범위이며 4mil을 권장합니다. 도금 충전 홀의 깊이 대 홀경 비율은 최대 1:1입니다.

보드가 두꺼울수록 홀경은 작아집니다. 도금 공정에서 약액이 드릴 홀 깊숙이 침투하기 어렵습니다. 도금 장비가 진동이나 압력으로 약액을 홀 중심으로 밀어넣지만, 농도 기울기로 인해 중앙부 도금이 상대적으로 얇아져 드릴 홀 층에서 미세한 회로 단선이 발생할 수 있습니다. 전압 상승이나 가혹한 환경에서의 충격 시 결함이 심화돼 최종적으로 회로 단선과 보드 불량으로 이어집니다. 따라서 PCB 설계자는 제조사의 기술 역량을 사전에 충분히 파악해야 제조 난이도 상승, 스크랩률 증가, 제조 불가 사태를 방지할 수 있습니다.

스택업(적층 구조)

HDI PCB 층 쌓임은 블라인드 홀의 층 순서에 따라 분류됩니다. 대표적인 유형은 다음과 같습니다.

• 1-HDI(베리어드 홀 포함): 1-2 블라인드 홀, 6-5 블라인드 홀, 2-5 베리어드 홀, 1-6 관통 홀 구조
• 비스택 2-HDI(베리어드 홀 포함): 1-2, 2-3, 8-7, 7-6 블라인드 홀(비스택), 3-6 베리어드 홀, 1-8 관통 홀
• 스택이지만 레진 미충전 2-HDI: 1-2, 2-3, 8-7, 7-6 블라인드 홀(스택), 3-6 베리어드 홀, 1-8 관통 홀
• 스택 및 레진 충전 2-HDI: 1-2, 2-3(레진 충전), 8-7, 7-6(레진 충전) 블라인드 홀, 3-6 베리어드 홀, 1-8 관통 홀

적층 공정에서 압력과 열의 영향으로 보드에 잔류 응력이 남습니다. 스택업이 비대칭이면(양면 응력 분포 불균일) 단면 휨(warpage) 발생으로 수율이 급격히 떨어집니다. 따라서 설계자는 대칭 스택업을 채택하고 블라인드/베리어드 홀 분포를 고려해야 합니다.

공정 흐름

1-스택 4층 HDI와 2-스택 6층 HDI를 예로 들어 설명합니다.

1-스택 4층 HDI

일반 PCB 공정과 유사하나 드릴링 순서가 다릅니다. 먼저 2-3층 베리어드 홀 기계 드릴링 → 1-4층 관통 홀 → 1-2, 4-3 블라인드 홀 순으로 진행됩니다. 설계 요건만으로 2-3층 변환 없이 1-3홀이나 4-2홀을 직접 뚫으면 제조 난이도 급증, 비용 상승, 스크랩률 증가로 이어집니다. 관통 홀 방식 선택 시 현 공정 기술과 제조 요건을 반드시 고려해야 합니다.

2-스택 6층 HDI

공정 순서: 3-4층 베리어드 홀 기계 드릴링 → 2-5층 베리어드 홀 → 2-3, 5-4층 블라인드 홀 → 1-6층 관통 홀 → 1-2, 6-5층 블라인드 홀. 블라인드 홀에는 레이저 드릴링을 사용하며, 고온으로 홀 벽이 탄화돼 코크 버튼(coke button)이 생성되고 2층 구리가 산화됩니다. 따라서 레이저 드릴링 후 도금 전 전처리(pre-operation)가 필수입니다. 블라인드 홀경이 작아 코크 버튼 제거가 어렵고, 2-HDI의 경우 전문적인 블라인드 홀 도금 충전이 필요해 비용이 크게 상승합니다. 또한 2-스택 공정은 정합 포인트(counterpoint)가 다수 필요해 누적 정합 오차와 스크랩률이 상승하므로, 극히 고성능 제품이 아니면 2-HDI는 권장하지 않습니다.

레이아웃

HDI 보드는 부품 실장 밀도가 매우 높아 추후 실장성, 납땜성, 유지보수성을 확보해야 합니다. 부품 간 간격은 다음 표를 기준으로 정합니다.

HDI 상의 부품	간격
일반 SOP 및 타 부품 핀	>40mil
BGA 및 타 부품 핀	>80mil
일반 부품 핀	>20mil

표의 값은 일반 납땜 요구를 충족하는 최소값입니다. 실제 양산 시 실장성과 유지보수성을 고려해 공간 허용 범위 내에서 최대한 넓게 확보하는 것이 좋습니다.

기타 레이아웃 고려사항:

• RF/아날로그/AD-DA/디지털 영역을 공간적으로 엄격히 분리하고, 동일 면이든 다른 면이든 간격을 최대한 벌립니다.
• 동일 모듈의 부품은 동일 면에 배치해 드릴링이나 층 전환 면적을 최소화합니다. 핵심 회로를 먼저 정하고 신호 중요도에 따라 핵심 부품 주변에 배치합니다.
• 고전력 신호는 타 신호와 멀리 떨어뜨려 배치합니다.

배선(트랙)

배선 시 최소 선폭, 안전 간격 관리, 배선 균일성을 고려해야 합니다. 간격이 너무 좁으면 내층 건식 필름 공정에서 필름 클리핑(clipping)이 발생해 잔여 필름이 단락을 유발합니다. 선폭이 너무 좁으면 필름 흡착력이 약해 오픈 회로 발생 원인이 됩니다. 회로 불균일은 구리 두께 분포와 레진 흐름 속도 차이를 초래하므로 배선과 구리 분포의 균일성에 유의해야 합니다.

기타 배선 고려사항:

• 톱/보텀 레이어 부품은 격리 효과가 좋으므로 내층 신호 간 크로스토크를 줄입니다.
• RF 및 아날로그 영역의 중요 신호는 각 신호 주변에 짧은 그라운드 리플로 경로를 확보합니다.
• 중요 신호 배선 영역에는 물리적 연결 간섭이 없는 블라인드 홀을 추가하지 않습니다(단, 그라운드 넷 소속 블라인드 홀은 허용).
• 배선 공간이 한정돼 있으므로 중요 신호와 임피던스 요구 신호의 배선 공간을 최우선 확보합니다.
• 전류 용량 충족 전제하에 단일 블록 구리 깔기(monoblock pavement)는 피하여 타 신호 간섭을 줄입니다.
• 신호 품질 최우선 시 블라인드 홀을 패드에 직접 뚫을 수 있습니다. BGA 영역에서는 블라인드 홀과 패드를 접선(tangent) 배치해 BGA 납땜 영향을 피합니다.
• 블라인드/베리어드 홀은 관통 홀보다 연속성 면에서 불리하므로, 임피던스 요구 신호는 패드-블라인드 홀, 블라인드 홀-베리어드 홀 간 리드 길이를 최소화하고 신호의 상하 면을 온전하게 유지합니다.

결론적으로 HDI 보드 설계 시 복잡한 제조성을 사전에 철저히 고려해야 합니다. 일반 PCB 공정 파라미터는 대부분의 설계자에게 익숙하지만, HDI 입문자는 주문 제작 PCB 제조사의 HDI 사양을 숙지해 프로젝트 성공을 담보해야 합니다.

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