PCB 설계: 측면 비율이란 무엇이며 왜 중요한가요?

PCB에서 비아(via)는 비아의 크기와 PCB에 사용된 재료와 관련하여 신뢰성 문제를 일으킬 수 있습니다. PCB에 비아를 배치할 때, 드릴 크기와 PCB 내부로의 깊이가 비아의 종횡비(aspect ratio)를 정의합니다. 이 매개변수는 비아의 신뢰성을 결정하는 중요한 요소입니다. 다양한 종횡비를 가진 비아를 신뢰성 있게 제작할 수 있는 능력은 여러 요소에 따라 달라집니다. 예를 들어, 일부 제조업체는 가속 스트레스 테스트에서 신뢰성을 입증할 수 있는 매우 높은 종횡비의 비아를 제작할 수 있다고 견적을 제시할 것입니다.

PCB에서 사용하는 비아의 종횡비는 보드에 신뢰성 있게 제작할 수 있는 드릴 크기에 따라 달라집니다. 목표 종횡비를 가진 비아를 설계할 때 고려해야 할 몇 가지 실용적인 제약 사항과 경험칙이 있습니다. 이 글에서는 기계적으로 드릴링된 비아와 마이크로비아 모두에 대해 이러한 점들을 살펴보겠습니다.

PCB 설계에서 비아 종횡비란 무엇인가요?

PCB의 비아에 대한 종횡비는 매우 간단한 수학적 정의를 가지고 있습니다. 비아의 종횡비는 비아를 제조하는 데 사용된 드릴 깊이와 드릴 지름의 비율입니다:

AR = (드릴 깊이)/(드릴 지름)

표준 두께의 PCB에서 두께가 62 mils 또는 1.57 mm인 경우, 기계적으로 드릴링된 관통 홀 비아의 최대 종횡비는 10:1입니다. 이는 PCB 제작에 일반적으로 사용되는 최소 드릴 직경이 6 mils이며, 이 값과 표준 두께가 최대 10:1 비율을 제공하기 때문입니다. 6 mil 직경 드릴의 도구 소모가 더 큰 드릴보다 빠르기 때문에, 6 mil 비아의 높은 비용은 더 큰 드릴 직경을 사용함으로써 극복되며, 이는 더 작은 종횡비를 제공합니다.

저는 일반적으로 BGA 풋프린트나 고핀 밀도 커넥터 풋프린트가 더 작은 드릴 직경을 사용하도록 요구하지 않는 한, 낮은 범위에서 10 mil 직경 드릴을 사용합니다. 다시 말해, 대부분의 PCB를 설계할 때 최대 6:1 종횡비를 기대할 수 있습니다.

PCB 비아 종횡비와 신뢰성

이제 전형적인 종횡비 값을 정의했으니, 비아의 종횡비가 신뢰성에 어떤 영향을 미치는지 알아보겠습니다.

이는 HDI PCB에서 사용되는 레이저 드릴링 홀과 기계적으로 드릴링된 홀 사이의 신뢰성 차이와 부분적으로 관련이 있는 중요한 질문입니다. 드릴링된 도금 구조의 신뢰성을 주로 보장하기 위한 경험적 규칙으로, 종횡비에 대한 전형적인 제한은 다음과 같습니다:

• 스루홀 비아: 12:1 이하
• 레이저로 뚫은 블라인드/베리드 비아: 1:1 이하

물론, 이것들은 단지 경험칙에 불과하며 모든 경험칙은 깨질 수 있습니다. 약 2mm 두께의 보드에서 7mil 드릴로 뚫은 약 12:1 스루홀 비아의 경우가 전형적일 수 있습니다. 매우 높은 종횡비를 가진 스루홀 비아를 보기 시작하는 경우는 일반적이지 않은 PCB에서 더 두꺼운 두께를 가진 경우가 많으며, 이런 경우에는 스루홀용 허용 드릴 크기에 대해 제작업체와 상의하는 것이 필요합니다.

그럼에도 불구하고, 2021년에 Summit Interconnect와 함께 투어를 한 적이 있는데, 그들의 프로세스 엔지니어링 매니저는 6mil 드릴로 높은 종횡비 비아를 신뢰성 있게 제작할 수 있으며 그 신뢰성을 입증할 수 있다고 언급했습니다. 여기서 제작업체의 전문성과 신뢰성을 입증할 수 있는 능력은 매우 중요하며, 특히 보드가 비표준일 경우, 이른 시기에 그들과 연락하는 것이 강조됩니다.

종종 고려되지 않는 또 다른 요소는 비아 홀의 도금 두께입니다. 일반적으로 이는 대략 1 mil 정도일 수 있지만, 제조업체에게 도금을 더 두껍게 해달라고 요청할 수도 있습니다. 더 두꺼운 구리로 된 비아 벽은 더 신뢰성이 높기 때문에, 도금이 두꺼울 때 더 높은 종횡비를 기대할 수 있다는 것이 놀랍지 않아야 합니다.

이는 레이저로 드릴링되었든 기계적으로 드릴링되었든, 맹목적이거나 매장된 비아를 사용할 때도 마찬가지입니다. 실제로, 레이저로 드릴링된 비아의 경우, 특히 적층될 것이라면, 더 높은 층 수에서는 절연체 두께가 줄어들기 때문에 낮은 종횡비가 더 흔해집니다.

레이저로 드릴링된 마이크로비아와 더 큰 PCB 종횡비

마이크로비아는 드릴링된 구멍의 크기와 순차적 적층에서 구리 랩 도금의 품질에 따라 더 큰 종횡비를 가질 수도 있습니다. 관통 홀 비아의 경우, IPC 신뢰성 표준은 또한 6:1에서 8:1 사이의 비아 종횡비를 명시합니다. 8:1의 비아 종횡비는 PCB 제조업체들 사이에서 어느 정도 필요한 능력으로 간주됩니다. IPC-T-50M에 따르면, 레이저로 드릴링된 마이크로비아는 최대 1:1의 종횡비를 가져야 합니다.

이는 몇 가지 가능한 방법으로 나타날 수 있습니다:

• 스킵 비아 사용하여 두 개 이상의 레이어를 연결하기
• HDI 빌드업 레이어에서 더 두꺼운 유전체 사용하기
• 더 두꺼운 레이어에 작은 지름의 비아를 증착하는 새로운 공정

마이크로비아의 적층은 단일 고비율 비아를 사용하는 것과 반드시 같지 않습니다. 적층의 신뢰성은 개별 비아의 비율과 적층 내 비아의 수에 따라 달라집니다. 요즘, HDI 제조업체들은 ELIC 레이어 적층을 구축할 수 있는 전문 지식을 가지고 있으며, 이는 PCB 적층 전체에 맹목적/매장된 마이크로비아를 적층할 수 있습니다. 고층수 PCB를 가지고 있고, 미세 피치 BGA를 사용하며, 마이크로비아 적층 방식을 선택한다면, 제조업체에 연락하여 적층에 있는 마이크로비아의 적절한 비율을 결정하여 신뢰성을 보장해야 합니다.

PCB 비아 도금의 도전

비아를 드릴링할 때는 회로에 깊이를 추가하고 제작 필수 요소를 추가하는 복잡성을 이해해야 합니다. PCB 비아의 비율은 내부를 도금하는 난이도에 영향을 미칩니다. 도금 용액을 사용하여 비아 내부에 구리가 증착됩니다. 도금 용액은 모세관 작용을 통해 비아 홀로 완전히 침투하여 내부를 완전히 도금할 수 있어야 합니다.

마이크로필라 플레이팅에 관련된 물리학과 화학은 매우 흥미롭습니다. 모세관 작용 동안, 표면 장력이 도금 용액을 비아 안으로 끌어당기고, 구리가 벽을 따라 증착하기 시작합니다. 용액의 표면에서 형성되는 맨니스커스 때문에, 구리 전구체가 비아의 더 깊은 부분에서 용액으로부터 빠르게 소모됩니다. 결과적으로, 비아 배럴의 내부 부분은 비아의 가장자리보다 더 얇은 도금을 가질 수 있습니다.

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HDI 보드 위의 작은 지름의 비아

PCB 비아의 종횡비가 더 크면, 비아 벽에 증착된 구리가 더 얇아질 위험이 있으며, 이러한 비아의 중심은 열 스트레스 하에서 균열이 발생하기 쉽습니다. 이는 도금 용액의 점도를 조정함으로써 해결될 수 있지만, 더 실용적인 접근 방식은 높은 종횡비 비아에 대해 전기도금 공정에서 적절한 스로잉 강도를 설정하는 것입니다. 이는 비아의 구조적 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 열 스트레스에 대한 신뢰성도 개선합니다.

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