HDI란 무엇일까요? 설계 기본 사항 및 HDI PCB 제조 공정

기술 업계가 발전함에 따라 더 작은 패키지에 더 많은 기능을 담을 필요성도 커졌습니다. 고밀도 상호 연결(HDI) 기술을 사용하여 설계된 PCB는 보다 작은 공간에 더 많은 부품이 포함되므로 크기가 작아집니다. HDI PCB는 블라인드, 매립 비아 및 마이크로 비아, 비아 인 패드(Via in Pads) 및 매우 얇은 트레이스를 사용하여 보다 작은 면적에 더 많은 부품을 포함합니다. HDI의 설계의 기본 원리를 알아보고, 강력한 PCB 보드 보드 설계 제작 시에 Altium Designer^®가 어떤 도움을 주는지 살펴보겠습니다.

고밀도 상호 연결(HDI) 인쇄 회로의 설계 및 제조는 연구원들이 PCB의 비아 크기를 줄이는 방법을 연구하기 시작한 1980년에 시작되었습니다. 최초의 생산 구축 또는 순차 인쇄 기판은 1984년에 등장했습니다. 그 이후로 설계자와 컴포넌트 제조업체는 항상 단일 칩과 단일 기판에 더 많은 기능을 탑재할 수 있는 방법을 모색하고 있습니다. 오늘날 HDI 기판의 설계 및 제작은 IPC-2315, IPC-2226, IPC-4104 및 IPC-6016 표준으로 체계화되어 있습니다.

HDI PCB 기판 설계를 계획할 때 극복해야 할 몇 가지 설계 및 제조 관련 문제가 있습니다. HDI PCB 설계 시 발생할 수 있는 문제의 간략한 목록은 다음과 같습니다.

• 제한적인 기판 작업 공간 영역
• 보다 작아진 부품과 더욱 촘촘해진 배선 간격
• PCB 스택업 양쪽에 위치한 부품의 수 증가
• 더 긴 배선 경로로 더 긴 신호 비행 시간 생성
• 기판 완성에 더 많은 배선 경로 필요

규칙 기반 설계 엔진에 구축된 올바른 레이아웃 및 라우팅 도구를 사용하면 PCB 설계의 일반적인 규칙을 위반하고 상호 연결 밀도가 매우 높은 강력한 PCB를 만들 수 있습니다. HDI PCB 기판 설계용으로 제작된 고급 PCB 설계 소프트웨어를 사용하면 고밀도 PCB 라우팅 및 미세 피치 컴포넌트에 대한 작업이 쉬워집니다. Altium Designer의 세계적 수준의 설계 기능을 사용하여 새로운 HDI 기판 설계 및 HDI 제조 프로세스 계획을 생성할 수 있습니다.

HDI PCB 기판 설계와 제조의 차이점은 무엇인가요?

HDI 제조 프로세스는 기존의 PCB 제조 프로세스에 비해 간단하면서도 중요한 차이점이 몇 가지 있습니다. 한 가지 중요한 사실은 제작업체의 제약이 곧 설계 자유도에 대한 제약으로 작용하며, 기판 라우팅 방법도 제한한다는 것입니다. 그럼에도 불구하고 설계 소프트웨어는 더 얇은 트레이스, 더 작은 비아, 더 많은 레이어와 더 작은 컴포넌트를 수용할 수 있지만, DFM(제조를 위한 설계) 요구 사항에 부응하려면 설계 소프트웨어에서 자동화를 활용해야 합니다. 정확한 DFM 요구 사항은 기판 제작에 사용되는 제조 프로세스 및 재료에 따라 다릅니다. DFM 요구 사항은 안정성 요구 사항 고려 시에도 중요합니다.

재료를 선택하려면 다음 질문을 고려해야 합니다.

• 유전체 사용 화학 반응이 코어 기판 재료에 사용되는 현재의 화학 반응과 호환됩니까?
• 유전체의 도금 구리 접착력이 허용 가능한 수준입니까? (많은 OEM(주문자 상표 부착 제조업체)은 구리 35.6µm(1oz) 당 1.08kgm/cm(6lb./in.) 이상의 값을 원합니다.)
• 유전체가 적절하고 신뢰할 수 있는 금속층 간 유전체 간격을 제공합니까?
• 열 요구 사항을 충족합니까?
• 와이어 본딩 및 재작업에 바람직할 정도로 '높은' Tg를 제공합니까?
• 여러 SBU 레이어(예: 솔더 플로트, 가속화된 열 주기, 다중 리플로)로 인한 열 충격을 견딜 수 있습니까?
• 유전체의 마이크로 비아는 신뢰할 수 있으며 도금되었습니까?

HDI 기판에는 9가지 일반 유전체 재료가 사용됩니다. IPC-4101B와 IPC-4104A와 같은 IPC 슬래시 시트가 대다수지만, 아직 IPC 표준에 의해 지정되지 않은 재료도 많습니다. 사용되는 재료는 다음과 같습니다.

• 감광성 액체 유전체
• 감광성 건조 박막 유전체
• 폴리이미드 유연 박막
• 열경화 건조 박막
• 열경화 액체 유전체
• 강화 2레이어 수지 피복 동박(RCC)
• 기존의 FR-4 코어 및 프리프레그
• 새로운 '스프레드 유리' 레이저 드릴(LD) 프리프레그
• 열가소성 플라스틱

HDI PCB 기판 설계 프로세스는 아래와 같습니다. HDI의 라우팅 효율성은 스택업, 비아 아키텍처, 부품 배치, BGA 팬아웃 및 설계 규칙에 따라 달라집니다. HDI 레이아웃을 계획할 때 가장 중요한 부분은 트레이스 너비, 비아 크기, BGA 컴포넌트의 배치/이스케이프 라우팅을 고려하는 것입니다.

HDI PCB 기판 설계 및 레이아웃 프로세스에 대한 일반 개요입니다.

항상 기판 제조업체에서 HDI PCB 제조 방법을 확인하세요. 제조 방법의 한계는 레이아웃에 배치할 수 있는 부품 크기에 영향을 미치므로 이를 파악해야 합니다. BGA 컴포넌트의 볼 피치는 사용할 비아 크기와 기판 제작에 요구되는 HDI 제조 프로세스를 결정합니다. HDI PCB의 핵심 부품은 마이크로 비아입니다. 마이크로 비아는 레이어 간 라우팅을 수용할 수 있도록 정밀하게 설계해야 합니다.

HDI PCB 기판 설계 및 제조 프로세스 개요

일반적인 PCB 제조 프로세스에는 여러 단계가 포함되지만, HDI PCB 제조에는 다른 기판에는 해당하지 않을 몇 가지 특정 단계가 사용됩니다. HDI 기판 설계 프로세스는 여타 여러 프로세스와 동일하게 시작합니다. 

1. 기판에서 가장 큰 BGA 컴포넌트를 사용하거나 기판에서 가장 큰 IC의 인터페이스 + 방향 카운트를 사용하여 모든 신호를 라우팅하는 데 필요한 레이어 수를 파악합니다.
2. 제조업체에 문의하여 재료를 선택하고 유전체 전체 데이터를 확보하여 PCB 스택업을 생성합니다.
3. 레이어 수와 두께에 따라 내부 레이어를 통해 신호를 라우팅하는 데 사용할 비아 스타일을 정합니다.
4. 해당하는 경우 신뢰성 평가를 실시하여 재료가 어셈블리 처리 및 작동 중 상호 연결에 응력을 가해 파손되지 않는지 확인합니다.
5. 신뢰할 수 있는 제조 및 어셈블리를 보장할 수 있도록 제조업체의 기능 및 신뢰성 요구 사항(tear drop, 트레이스 폭, 여유 공간 등의 필요)을 기반으로 설계 규칙을 정합니다.

스택업 생성 및 설계 규칙 결정은 기판 라우팅 능력과 최종 제품의 신뢰성을 결정하므로 중요합니다. 이러한 결정을 완료하면 설계자가 제조업체의 DFM 요구 사항 및 신뢰성 요구 사항을 ECAD 소프트웨어에서 설계 규칙으로 구현할 수 있습니다. 프런트 엔드에서 이 작업을 수행하는 것은 매우 중요하며 설계의 신뢰성, 라우팅 가능성과 제조 가능성을 보장하는 데 도움이 됩니다.

HDI DFM 요구 사항을 충족하는 부품 크기 설계

HDI PCB의 여유 공간과 관련된 DFM 요구 사항은 매우 엄격하지만 PCB 설계 소프트웨어에서 설계 규칙을 활용하면 충분히 수용할 수 있습니다. 레이아웃 및 라우팅 전에 고려해야 할 몇 가지 중요한 DFM 요구 사항은 다음과 같습니다.

• 배선 폭 및 간격 제한
• 특히 신뢰성 높은 설계를 위한 Annual ring 및 종횡 비 제한
• 필수 스택업에서 제어된 임피던스를 보장하기 위해 기판에서 사용되는 중요 시스템
• 원하는 스택업 또는 레이어 쌍에 대한 임피던스 프로필(가능한 경우)

설계 도구는 이러한 DFM 요구 사항을 충족하도록 HDI 회로 기판을 설계하는 데 매우 중요합니다. 올바른 설계 도구 세트를 사용하면 HDI PCB에서 임피던스 제어 트레이스를 쉽게 라우팅할 수 있습니다. 제조업체의 DFM 지침에 유의하여 임피던스 프로파일을 생성하고 원하는 트레이스 폭을 정의하기만 하면 됩니다. 라우팅 소프트웨어의 온라인 DRC 엔진은 HDI 레이아웃을 만들 때 라우팅을 확인합니다. 모든 관련 HDI DFM 규칙을 고려할 수 있도록 제조업체 프로세스의 모든 사양을 확인합니다.

HDI PCB 라우팅의 비아 유형

아래의 이미지에서 HDI PCB 레이아웃과 라우팅에 사용되는 일반적인 비아 스타일을 볼 수 있습니다. 이러한 비아 스타일은 종횡비가 (이상적으로) 1 미만으로 낮습니다. 단, 일부 제조업체는 스택형 마이크로 비아를 포함한 비아에 대해 종횡비 최대 2까지 신뢰성을 주장할 수 있습니다. PCB 스택업의 중앙에는 두꺼운 코어 레이어를 통해 연결을 제공하는 기존의 매립 비아가 있습니다. 이 내부 레이어에 매립된 비아는 어느 정도 기계적으로 드릴링되므로 종횡비가 증가할 수 있습니다. 레이어 수와 유전체 두께를 정한 후에는 설계자가 위에 나열된 종횡비 제한에 맞는 비아를 설계할 수 있습니다. 특히 이러한 기판이 리플로를 통과하거나 반복적인 열/기계적 충격 및 순환이 발생하는 환경에 배포될 때에는 마이크로 비아에서 이러한 종횡비 제한을 준수해야만 신뢰성을 확보할 수 있습니다.

• HDI PCB에서 마이크로 비아를 사용하는 방법 및 마이크로 비아의 신뢰성에 대해 자세히 알아보세요.

순차적 축적

순차적 적층 프로세스는 주로 레이어를 하나씩 쌓아 HDI 스택업 구조를 구축할 때 사용합니다. 일반적으로 이 기술은 모든 다중 레이어 PCB에 사용할 수 있지만 특히 HDI에서 중요한 역할을 합니다. 매우 얇은 고밀도 유전체가 두꺼운 코어 주변의 개별 레이어로 형성되어 있어서 적층이 여러 단계에 걸쳐 발생하여 스택업을 구축하기 때문입니다. 순차적 적층 프로세스는 다음 단계로 구성되어 있습니다.

• 포토레지스트 증착 및 노출: 에칭할 영역을 정의하는 데 사용하며 적층판에 도체 패턴이 남습니다.
• 에칭 및 세척: 현재 산업 표준 부식액은 염화제2철 용액입니다. 에칭 후 남은 포토레지스트를 회수하고 생성된 도체 패턴을 세척할 수 있습니다.
• 비아 형성 및 드릴링: 기계적 드릴링이나 레이저 드릴링을 사용하여 비아를 정의해야 합니다. 비아 밀도가 높은 경우 비아 구멍을 화학적으로 제거할 수 있습니다.
• 비아 금속화: 정의된 비아는 금속화되어 지속적인 전도성 상호 연결을 형성합니다.
• 축적: 여러 적층 주기에 걸쳐 레이어를 쌓아 외부 레이어 처리 전에 스택업을 만듭니다.

아래 금속화 섹션에서 축적 프로세스 순서도를 확인할 수 있습니다.

HDI에서의 비아 형성

HDI PCB는 일반적으로 기계적 드릴링으로 PCB에 배치할 수 있는 비아 크기의 하한에 도달하는 상호 연결을 필요로 합니다. 비아 홀이 6mil보다 작아지면 레이어 사이에 마이크로 비아를 배치하기 위한 대체 비아 형성 프로세스가 필요합니다. 채워진 도금 마이크로 비아는 HDI PCB의 표준 부품이므로, 이러한 마이크로 비아를 비아 인 패드 설계 방식에 사용하여 밀도를 높일 수 있습니다. 비아 인 패드는 컴포넌트 리드에서 내부 레이어로 직접 연결할 수 있으므로, 설계에 컴포넌트를 더 많이 포함하기 용이합니다. 

마이크로 비아의 신뢰성에 대한 우려가 있는 경우, 언제든지 매우 작은 트레이스 섹션이 패드에서 떨어져 나와 마이크로 비아와 접촉하는 니어 패드(near-pad) 기술을 사용할 수도 있습니다. 이를 통해 내부 레이어로의 연결이 완성되며, 드릴 이탈로 인해 원하는 드릴 히트 위치에서 어느 정도 벗어난 경우 더 큰 브레이크아웃 채널이 제공됩니다.

• 레이저 드릴링 비아 인 패드 기술에 대해 자세히 알아보세요.

HDI PCB의 비아 인 패드 설계 스타일

금속화

순차 적층 프로세스 중에 HDI PCB의 각 레이어는 금속화, 충진 및 도금 프로세스를 거치게 됩니다. 리플로 주기 및 작동 중 균열 발생을 방지할 수 있도록 넥에 충분한 랩 도금을 적용하여 생성된 비아의 내부 본체에 공극이 없도록 해야 합니다. HDI 제조에는 다음 4가지의 비아 금속화 프로세스가 사용됩니다.

• 기존의 무전해 및 전기 도금 구리
• 기존의 전도성 흑연 또는 기타 폴리머
• Fully-additive 및 Semi-additive 무전해 구리
• 전도성 페이스트 또는 잉크

더 큰 비아를 드릴링할 수도 있지만, 이 경우 드릴링 속도를 더 늦춰야 하므로 결국 비용이 레이저 드릴링 비용을 초과하게 되고 처리량은 더 낮아집니다. 레이저 드릴링은 지금까지 가장 널리 사용되는 마이크로 비아 구멍 형성 프로세스지만 가장 빠른 비아 형성 프로세스는 아닙니다. 작은 비아의 화학적 에칭의 추정 속도는 초당 비아 8,000~12,000개로 가장 빠릅니다. 이는 플라즈마 비아 형성 및 포토비아 형성의 경우에도 마찬가지입니다.

레이저 드릴링에서는 높은 플루언스의 빔을 사용하여 PCB 적층판에 구멍을 뚫습니다. 레이저는 유전체 재료를 제거할 수 있고 구리 회로를 차단할 때 멈출 수 있으므로 깊이 제어 블라인드 비아 생성에 적합합니다. 레이저 에너지의 파장은 적외선 및 자외선 영역에 있습니다. 빔 스폿 크기는 약 20미크론 정도로 작습니다.

• HDI 제조 프로세스의 마이크로 비아 제조 기술에 대해 자세히 알아보세요.

기판의 비아가 드릴링이 가능할 정도로 넓은 경우, 제어된 드릴링 단계를 사용하여 비아를 배치할 수 있습니다. 이를 위해서는 기판의 두 레이어를 결합하는 중간의 순차적 적층 단계가 필요합니다. 그런 다음 비아 배럴, 내부 레이어와의 연결 및 상부 레이어의 랜딩 패드를 정의하기 위한 드릴링과 도금을 수행해야 합니다. 이러한 비아는 또한 다음 순차 적층 단계(내부 레이어에 있는 경우) 전에 채워지거나 또는 외부 레이어에 유지되는 경우 채워지지 않은 상태로 둘 수 있습니다. 드릴링 및 순차적 프로세스의 전체 과정은 아래에서 확인하세요.

• 표준 재료를 이용한 HDI 제조 프로세스에 대해 자세히 알아보세요

HDI 제조 프로세스에서의 마이크로 비아 드릴링 및 금속화 프로세스

기판에 HDI 제조 프로세스 적용하기

HDI PCB 프로세스는 기존의 경성 PCB 처리 단계보다 발전했으나, 여전히 일반적인 경성 PCB에 사용하는 것과 동일한 제조 데이터를 사용합니다. HDI PCB 레이아웃을 완성하여 DFM 검토를 통과했다면 다음으로 제작자와 어셈블리 업체를 위한 결과물을 준비해야 합니다. Altium Designer의 통합 설계 환경은 모든 설계 데이터를 가져와 새로운 HDI PCB를 위한 Gerbers/ODB++/IPC-2581 제조 파일, 드릴 테이블, BOM 및 조립 도면을 생성하는 데 사용합니다.

HDI PCB 설계, 레이아웃 및 제조를 위한 최고의 소프트웨어 패키지를 찾고 있다면 Altium Designer^®의 통합 설계 도구 세트를 사용하세요. 통합 설계 규칙 엔진과 Layer Stack Manager는 HDI 회로 보드를 생성하고 임피던스 값을 계산하여 PCB 재료 시스템의 구리 거칠기를 고려하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 설계를 완료하여 제조업체와 파일을 공유하려는 경우 Altium 365^™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 협업하고 프로젝트를 공유할 수 있습니다.

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