맹점 및 매립 비아란 무엇이며 어떻게 사용되나요?

제가 이전에 작성한 여러 기사들과 다른 많은 출판된 문서들에서 언급했듯이, 구성 요소 리드 피치는 점점 더 미세해지고 있으며, 작은 형태의 장치들이 오늘날 개발되는 제품들(휴대폰)에서 큰 비중을 차지하게 되었습니다.

이러한 혼잡한 PCB 양면에 구성 요소를 어떻게 연결할지는 제품 개발 팀이 고려해야 할 첫 번째 요소 중 하나입니다. 일반적으로 이 연결 과정은 맹물리아와 매장물리아를 사용하여 수행됩니다. 이 글에서는 사용되는 다양한 종류의 물리아, 그들의 응용 및 이점, 그리고 단점에 대해 설명할 것입니다.

일부 기본 사항과 기원의 역사—맹물리아

먼저, 비아의 기원과 사용 방법에 대해 알아보는 것이 유용합니다. 비아는 PCB의 한쪽 면에서 다른 면이나 내부 층으로 신호를 전달할 수 있게 하는 드릴로 뚫고 도금한 구멍입니다. 비아는 구성 요소의 리드를 신호 트레이스나 평면에 연결하거나 신호가 신호 층을 변경할 수 있게 하는 데 사용될 수 있습니다. 비아가 PCB를 완전히 관통할 때는 스루 홀 비아 또는 스루 비아라고 합니다. 그림 1은 다양한 유형의 비아를 보여줍니다.

그림 1. 다양한 유형의 비아

블라인드 비아

비아가 PCB의 한쪽 면에서 시작하여 완전히 관통하지 않는 경우, 이를 블라인드 비아라고 합니다. 블라인드 비아의 네 가지 유형은 다음과 같습니다.

• 사진 정의 블라인드 비아.
• 순차적 라미네이션 블라인드 비아.
• 제어 깊이 블라인드 비아.
• 레이저 드릴 블라인드 비아.

아래에서 이러한 유형들에 대해 자세히 설명합니다

사진 정의 맹물림 비아: 사진 정의 비아는 사진 감광성 수지의 시트를 코어에 적층하여 만듭니다(이 코어는 전력 평면뿐만 아니라 일부 매립 신호 층을 포함할 수 있는 적층된 층으로 구성됩니다). 사진 감광성 재료의 층은 구멍이 생성될 영역을 덮는 패턴으로 덮여 있으며, PCB에 남아 있는 재료가 경화되도록 하는 파장의 빛에 노출됩니다. 이어서, PCB는 구멍 속의 재료를 제거하는 식각 용액에 담겨집니다. 이는 다음 층으로의 경로를 만듭니다. 식각 과정 후에는 구멍과 PCB의 외부 표면에 구리를 도금하여 PCB의 외층을 생성합니다. 이 작업은 보통 PCB의 양면에서 동시에 수행되며, 양면에 각각 한 층을 추가합니다.

사진 정의 비아는 다층 유기 BGA(볼 그리드 어레이) 패키지와 휴대폰 PCB를 생성하는 데 일반적으로 사용됩니다. 이를 사용하는 장점은 수천 개의 맹물림 비아를 생성하는 비용이 단 하나를 생성하는 비용과 같다는 것입니다. 소수의 맹물림 비아만 필요할 때, 그 사용은 비용적인 단점이 됩니다.

순차적 적층 블라인드 비아: 순차적 적층 블라인드 비아는 매우 얇은 적층판을 이용하여 양면 PCB를 만드는 데 필요한 모든 과정을 거쳐 생성됩니다. 적층판은 드릴링, 도금, 식각 과정을 거쳐 보드의 2번째 층을 형성할 측면의 특징을 정의합니다. 다른 측면은 단단한 구리 시트로 남겨져 최종 PCB의 1번째 층을 형성하게 됩니다. 이 서브어셈블리는 PCB의 다른 모든 층과 함께 적층됩니다. 결과적으로 결합된 적층은 다층 PCB의 외부 층을 생성하는 데 필요한 모든 과정을 거치게 됩니다. 순차적 적층 블라인드 비아는 초기 휴대전화 PCB 제작에 많이 사용되었습니다. 드릴링, 식각, 도금 작업을 통해 매우 얇은 적층판을 처리하는 과정에서 발생하는 추가 공정 단계와 수율 손실로 인해 블라인드 비아를 형성하는 가장 비싼 방법입니다. 따라서, 블라인드 비아가 필요할 때 마지막 수단으로 고려되어야 합니다.

제어 깊이 드릴링 눈먼 비아: 그림 1에서 볼 수 있듯이, 제어 깊이 눈먼 비아는 관통 홀 비아와 같은 방식으로 생성됩니다. 여기서, 드릴은 PCB를 부분적으로만 관통하도록 설정됩니다. 아트워크의 디자이너는 2번 레이어에 패드를 배치하고, 드릴이 그 패드를 관통하도록 합니다. 드릴된 구멍 아래에 드릴된 구멍과 접촉할 수 있는 특징이 없도록 주의를 기울입니다. 구리는 관통 홀 비아에 구리가 도금되는 것과 동시에 드릴된 구멍에도 도금됩니다.

제어 깊이 비아는 추가 장비나 공정 단계가 필요하지 않기 때문에 눈먼 비아 중에서 가장 저렴한 유형입니다. 이러한 비아의 한계는 기계 드릴로 생성할 수 있을 만큼 구멍이 커야 하며, 그 아래 영역은 드릴된 구멍에 의해 우연히 접촉될 수 있는 회로로부터 비워져 있어야 합니다.

레이저 드릴링 눈먼 비아: 이들은 PCB의 모든 레이어가 적층된 후 및 외부 레이어가 에칭되고 도금되기 전에 생성됩니다. 레이저는 외부 레이어의 구리뿐만 아니라 1번과 2번 레이어 사이의 절연 재료를 제거하는 데 사용됩니다. 이 과정에서 사용되는 레이저에는 두 가지 유형이 있습니다:

• CO₂ 레이저
• 엑시머 레이저

CO₂ 레이저는 가장 강력한 레이저로, 따라서 구멍을 빠르게 뚫을 수 있는 능력이 있습니다. 이 레이저의 문제점은 빛의 파장이 1층의 구리를 제거하지 않는다는 것입니다. 결과적으로, 레이저 드릴링 단계는 구리에 있는 구멍을 에칭하는 에칭 단계에 의해 선행되어야 합니다. 추가적인 처리 단계를 만들 뿐만 아니라, 필요한 포토이미징 단계는 포토마스크 마스크가 레이저 사용 시점에 보이지 않는 2층의 패드와 정렬되어야 한다는 정렬 문제를 수반합니다.

엑시머 레이저는 구리와 그 아래의 유전체 재료를 관통하여 한 단계로 맹점(via)을 형성할 수 있습니다. 이 유형의 레이저는 구리 층을 사전에 드릴링할 필요가 없고 추가적인 작업도 필요하지 않기 때문에 레이저 드릴링 맹점에 대한 선택의 레이저가 되었습니다. 레이저가 구리와 유전체를 모두 관통할 수 있기 때문에, 외부 층 구리와 그 아래의 유전체를 관통하면서도 2층의 구리 패드를 절단하지 않도록 설정할 때 주의가 필요합니다.

그림 2는 원하지 않는 재료를 모두 제거하면서도 2층의 패드를 관통하지 않은 레이저 드릴링 홀을 보여줍니다.

맹점의 전기적 이점

신호선에서의 비아는 도금된 관통홀의 배럴과 그것이 통과하는 평면에 의해 생성된 기생 커패시턴스로 고통받습니다. 이 기생 커패시턴스는 주로 PCB를 통과하는 실린더인 도금된 관통홀의 외부 면적에 의한 함수입니다. 이 면적은 드릴의 직경과 PCB의 두께에 의해 결정됩니다. 오늘날의 높은 데이터 전송률로 인해, 이 기생 커패시턴스는 신호를 성공적으로 사용할 수 있는 범위를 넘어서 저하시킬 수 있습니다. 따라서, 이 기생 커패시턴스를 줄이는 방법이 있어야 합니다. 블라인드 비아는 비아의 길이를 단축하고 그 직경을 줄여 이를 수행합니다. 결과적으로, 블라인드 비아는 4.8 Gb/s 이상으로 작동하는 신호선을 연결하는 좋은 방법입니다.

블라인드 비아의 단점

PCB가 적층된 후에 시추되는 블라인드 비아(광정의, 제어 깊이, 레이저)를 사용하는 데는 여러 가지 단점이 있습니다. 첫 번째 제한은 구멍의 깊이 대비 지름입니다. 블라인드 비아는 PCB 표면의 눈에 보이지 않는 구멍입니다. 구멍의 깊이가 지름에 비해 깊은 경우, 구리가 구멍 바닥과 측면에 침착되도록 도금 화학물질을 이 구멍에 넣는 것이 어려울 수 있습니다. 도금이 성공적으로 이루어지도록 하기 위해서는 구멍의 지름이 깊이만큼 커야 합니다. 이는 1:1 또는 그 이하의 종횡비로 정의됩니다. 많은 제조업체들은 제대로 된 도금을 보장하기 위해 구멍 깊이의 1.5배가 되는 지름이 필요합니다. 대부분의 경우, 이는 PCB의 2층 아래로 블라인드 비아를 시추하는 것을 배제합니다. 개발 엔지니어는

2

그림 3

에 표시된 것과 같은 0.5mm 피치 구성 요소의 모든 핀을 1층이나 2층에서 연결할 수 있어야 합니다.이 그림에서 보여진 부품으로는 불가능했기 때문에, 많은 핀들이 PCB 내부의 더 깊은 층으로 드릴을 통한 관통 홀 연결을 허용하기 위해 부품 아래에서 팬 아웃되었습니다.

블라인드 비아를 사용하는 데 있어 두 번째 제한 사항은 의도한 층에서 드릴링을 멈출 수 있는 능력입니다. 레이저 드릴을 사용할 때, 1층의 구리와 그 아래의 유전체 재료를 관통해야 하지만 2층에 있는 구리 연결 패드를 관통해서는 안 됩니다. 이는 레이저 빔이 신중하게 보정되어야 함을 의미합니다. 제어 깊이 드릴링이 사용될 때, 드릴은 연결이 이루어지는 층 아래의 층에 있는 구리에 닿기 전에 멈춰야 합니다.

블라인드 비아와 관련된 세 번째 문제는 블라인드 비아가 배치된 패드에 구성 요소를 납땜하는 것과 관련이 있습니다. 구멍으로 인해 잠재적인 신뢰성 문제가 발생할 수 있습니다. (우리 책의 제1권 47참조에서 이 문제를 설명합니다). 납땜 페이스트가 패드에 적용될 때, 블라인드 비아 안의 공기는 BGA 바로 아래 구멍 아래에 갇힙니다. 이 작은 공기 방울은 PCB가 다양한 작동 온도를 거치면서 오픈 회로가 발생할 정도로 접합을 약화시킵니다. 이 문제를 해결하는 두 가지 방법이 있습니다:

1. 구멍을 도금된 구리로 완전히 채우십시오. 그림 4와 같이 보입니다.

2. 패드 옆쪽에 맹물빼기를 드릴로 뚫으십시오.

그림 4. 구리로 채워진 표면 빼기와 쌓인 맹물빼기

그림 4에서, 세 개의 맹물빼기가 서로 위에 쌓여 있습니다. 아래쪽 빼기는 PCB의 다른 모든 빼기와 함께 형성되었습니다. 윗쪽 두 개의 빼기는 아래에서 논의된 빌드업 과정을 사용하여 형성되었습니다. 각 빼기는 그림 1과 같이 형성되었습니다. 맹물빼기와 모든 다른 빼기에 도금한 후, 패널은 새로운 저항층이 노출된 패턴으로 도금 저항 작업을 통해 다시 보내졌습니다. 여기서는 오직 맹물빼기만이 노출되었습니다. 그런 다음 구리가 맹물빼기에 도금되어 공극을 완전히 채울 때까지 진행되었습니다. 이 작업은 종종 버튼 도금으로 불립니다. 모든 맹물빼기가 구리로 채워지도록 하기 위해, 도금 작업은 구리가 표면 위로 솟아오를 때까지 진행됩니다. 도금 과정이 완료된 후, 도금 저항은 제거되고 PCB의 전체 표면이 구리를 평평하게 하기 위해 사포질됩니다. 도금 과정에서의 이러한 추가 단계들은 완성된 PCB의 비용을 증가시킵니다. 그림 4는 맹물빼기 작업이 서로 위에 세 번 수행된 것을 보여줍니다.

버블 문제에 대한 대안적 접근 방법은 구성 요소의 옆쪽에 맹물빈을 뚫는 것입니다(이 방법은 우리의 제1권 책의 참조문헌 47에서도 설명되어 있습니다). 이 접근 방법은 추가적인 공정 단계를 요구하지 않습니다. 다만, 제품 개발자가 패드의 옆쪽에 맹물빈을 위한 공간을 추가할 수 있도록 허용해야 합니다. 그림 5는 중앙의 옆쪽으로 뚫린 비아의 예를 보여줍니다.

그림 5. 오프셋 레이저로 뚫린 맹물빈

이는 앞서 언급한 버블이 솔더 볼의 중앙이 아닌 옆쪽에서 형성되기 때문에 버블 문제를 완화합니다. 참고: 솔더 볼 바로 아래에 있지 않은 공기 방울은 문제를 일으키지 않습니다.

그림 4에 표시된 것처럼 서로 위아래로 두 층에 비아를 만들어야 할 필요가 있고, 비아를 구리로 가득 채우는 추가 단계를 거치고 싶지 않은 경우, 대안적 접근 방법이 있습니다. 이 경우, 첫 번째 비아에 의해 형성된 공동 위에 오지 않도록 두 번째 비아를 첫 번째 것의 옆쪽에 배치합니다.

문제가 된 맹물빈

위에서 언급했듯이, 맹점(via)이 잘못될 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다. 위에서 문제는 설계 중인 제품에 잘못된 유형의 via를 선택하거나, via를 전체 보드 디자인에 잘못 통합하거나, via가 올바르게 제조되지 않은 결과일 수 있습니다. via가 잘못될 수 있는 또 다른 방법은 라미네이트에 사용되는 유리 천의 연결과 관련이 있습니다. 그림 6-8은 이러한 유형의 나쁜 via의 예입니다. 모두 라미네이트 내의 유리 천의 직조 스타일의 비균일성, 즉 기계적으로 펼쳐지지 않은 유리로 인해 나빴습니다. 기계적으로 펼쳐진 유리에 대한 주제를 이전 블로그에서 논의했습니다.

그림 6. 나쁜 맹점 예제 1

그림 7. 나쁜 맹점 예제 2

그림 8. 나쁜 맹점 예제 3

매립 Via

PCB의 두 내부 층 사이를 지나지만 어느 쪽 표면에도 닿지 않는 경우, 이를 매립 비아(buried via)라고 합니다. 흔한 오류는 블라인드 비아(blind via)를 마이크로비아(microvia)라고 부르는 것입니다. IPC에 따르면, 마이크로비아는 지름이 8 mils 이하인 비아로, PCB를 완전히 관통하든 하지 않든 상관없습니다. 매립 비아는 그림 1에서 보여지는 것처럼 어떤 두 층 사이를 지날 수도 있고 그림 9에서 보여지는 것처럼 여러 층을 관통할 수도 있습니다.

그림 9. 매립 비아

어느 경우든, 매립 비아는 그림 10에서 설명된 과정을 통해 관련된 내부 층 세트를 처리함으로써 형성됩니다. 이것은 외부에 추가 층을 빌드업 과정을 사용하여 추가하여 완성된 PCB를 만드는 데 관련된 모든 단계입니다. 이것은 분명히 단순한 다층 처리보다 더 비용이 많이 드는 과정입니다. 많은 고핀수 디바이스에서 사용되는 BGA 기판이 이 방식으로 만들어지며, 휴대폰도 마찬가지입니다.

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