PCB 스택업에서 비롯되는 설계 제약 조건

PCB 스택업은 보드의 구리층 수만 정의하는 것이 아닙니다. 스택업은 비아 형상, 트레이스 폭, 간격, 배선 밀도, 임피던스, 구리 두께, 제조 순서를 좌우하는 물리적 한계를 설정합니다. 무엇보다 중요한 점은, 단순히 레이어를 추가하거나 블라인드/버리드 비아를 넣는다고 해서 배선 자유도가 무한히 커지는 것이 아니라, 오히려 설계 제약 조건이 바뀌면서 배선, 조립 및/또는 제조 가능성이 제한될 수 있다는 것입니다.

다행히 이러한 요소를 이해하면, 설계자는 높은 레이어 수나 복잡한 비아 스택에 의존하는 대신 더 현명한 스택업 결정을 내릴 수 있습니다. 가장 나쁜 경우는 설계를 완료한 뒤, 레이아웃을 완성할 때 사용한 제약 조건 때문에 실제로는 제조할 수 없다는 사실을 뒤늦게 발견하는 것입니다. 설계자는 PCB 스택업이 PCB 레이아웃의 특정 설계 규칙을 어떻게 좌우하는지 이해함으로써 이러한 문제를 피할 수 있습니다.

PCB 스택업이 설계 규칙에 미치는 영향

부품 수와 인터커넥트 밀도가 증가하면 PCB 레이어 수도 일반적으로 함께 증가합니다. 이는 보통 최신 BGA 및 미세 피치 바닥 단자 패키지를 수용하기 위해 이루어지며, 그에 따라 레이어 수와 전체 스택업 두께도 증가하게 됩니다. 고속 인터페이스의 경우에도 제조 가능한 트레이스 폭으로 제어 임피던스를 달성하기 위해 특정 유전체 두께가 필요할 수 있습니다.

이러한 요구 사항은 전체 보드 두께와 서로 영향을 주고받습니다. 비교적 두꺼운 유전체 층으로 구성된 고레이어 보드는 표준 스루홀 드릴링에 비해 너무 두꺼워질 수 있습니다. 매우 얇은 유전체 층은 배선 밀도를 향상시킬 수 있지만, 동시에 설계를 HDI fabrication processes 쪽으로 밀어갈 수도 있습니다. 따라서 스택업은 배선 밀도, 임피던스 요구 사항, 전체 두께, 제조 가능성 사이에서 균형을 맞춰야 합니다.

스택업에 의해 가장 흔히 결정되는 제약 조건은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

스루홀 비아 종횡비

스루홀 비아는 제조 불가능한 설계를 만들기 가장 쉬운 부분 중 하나입니다. 여기서 핵심 값은 보드 두께와 완성 홀 직경 사이의 종횡비입니다. 보드가 두꺼워지거나 드릴이 작아질수록 비아 전체 깊이에 도금을 형성하기가 더 어려워집니다. 그러나 여러 이유로 PCB 설계 소프트웨어는 aspect ratio를 설계 규칙으로 정의하도록 허용하지 않으며, 대신 사용자가 비아 유형별 최소 허용 홀 크기를 정의하도록 요구합니다.

예를 들어, 두께 2 mm PCB에 완성 직경 0.15 mm 비아를 배치하면 대부분의 제조업체가 거부할 만큼 매우 공격적인 종횡비가 됩니다. 심지어 공칭 62 mil (1.57 mm) board thickness에서도 그 드릴 크기는 많은 제조업체의 표준 공정 능력을 벗어날 수 있습니다. 이 문제는 특히 대형 BGA 또는 고밀도 QFN 레이아웃에서 더 많은 배선 채널을 확보하기 위해 설계자가 비아 직경을 줄이려 할 때 중요해집니다:

• 팬아웃 배선에서 스루홀을 사용할 수 있는 대형 BGA에서는 핀 수가 많을수록 스택업의 레이어 수가 증가하고, 따라서 두께도 증가함
• 보드 두께가 증가할수록 스루홀은 종횡비 한계에 가까워지고, 이를 더 크게 만들면 결국 이격거리 한계에 부딪히게 됨

올바른 제약 조건은 일반적인 PCB 설계 규칙이 아니라 제조업체로부터 나와야 합니다. 대부분의 제조업체는 IPC Class 2 작업 기준으로 제작되는 표준 두께 PCB에서 8 mil 드릴 직경을 허용하지만, Class 3의 경우 허용 종횡비를 더 낮출 수 있습니다. 지원 가능한 최대 종횡비를 알게 되면, 목표 보드 두께를 기준으로 최소 허용 드릴 직경을 결정할 수 있습니다.

구리 중량은 배선 규칙을 바꾼다

구리 중량은 배선 밀도를 제한하는 또 다른 스택업 파라미터입니다. 완성 구리가 두꺼워질수록 일반적으로 제조 가능한 최소 트레이스 폭과 구리 간 최소 간격도 증가합니다. PCB 설계 규칙의 관점에서 보면, 이는 내부층과 외부층이 서로 다른 배선 제약 조건을 필요로 한다는 뜻입니다. 일반적인 스택업에서는 내부층에 0.5 oz 구리를 사용하고 외부층에는 1 oz 완성 구리를 사용할 수 있습니다. 이 경우 외부층은 내부 배선층보다 훨씬 더 큰 최소 폭과 이격거리를 요구하게 됩니다.

베이스 구리와 완성 구리의 차이도 중요합니다. 외부층은 스루홀 도금 과정에서 추가 구리가 형성되므로, 1 oz. copper foil로 시작한 층이 최종적으로는 훨씬 더 두꺼워질 수 있습니다. 따라서 설계자는 제조 문서에 완성 구리 요구 사항을 명시하고, 완성 구리 중량을 반영한 설계 규칙을 사용해야 합니다.

구리 중량에 따른 이격거리/패턴 크기 최소값 예시(참고: 내부층에는 다른 표가 사용됨)

출처: Bittele Electronics 및 PCBWay.

구리 두께가 2 oz 이상이 되면 트레이스 간격, 에칭 공차, 수지 충진, 솔더 마스크 커버리지, 솔더링성 모두에서 제약이 더 커집니다. 그래서 많은 전력 전자 설계나, 높은 전류도 요구하는 디지털 설계에서는 소수의 레이어에 두꺼운 구리막을 강제로 적용하는 것보다 1 oz 배선층 또는 플레인층을 추가하는 편이 훨씬 더 큰 설계 자유도를 제공할 수 있습니다. 비용 측면에서는 두 접근 방식이 사실상 거의 같습니다.

서브 적층에서의 블라인드 및 버리드 비아

기계 드릴링 방식의 블라인드 및 버리드 비아는 제조 순서와 표준 제조 능력, 특히 드릴링과 직접적으로 연결된 제약을 가져옵니다. 서브 적층에서의 블라인드/버리드 비아에는 중요한 규칙이 있습니다:

1. 시작 및 종료 규칙 - 기계 드릴링된 블라인드/버리드 비아 스팬은 다른 기계 드릴링 비아 스팬의 시작 층과 같은 층에서 끝날 수 없습니다. 예외는 순차 적층을 사용하는 경우이며, 또는 스태킹을 허용하는 레이저 드릴링 블라인드 비아가 필요합니다.
2. 교차 비아 금지 - 기계 드릴링된 블라인드/버리드 비아 스팬은 서로 교차할 수 없지만, 비아 스팬을 중첩하는 것은 가능합니다.
3. 프리프레그 본딩 - 서브 적층을 접합할 때 서브 스택은 코어가 아니라 프리프레그로만 서로 접합할 수 있습니다.

기본적인 설계 접근 방식으로, 특정 버리드 비아 직경(예: BGA 팬아웃용)을 목표로 한다면 드릴 종횡비를 스택업 작성 단계에서부터 계획해야 합니다. 서로 관련 없는 각 블라인드/버리드 비아 스팬은 추가적인 서브 적층, 드릴링 작업, 도금 단계를 필요로 할 수 있으며, 이 각각이 구리 중량을 증가시키고 이격거리/크기 요구 조건을 더 엄격하게 만들며 허용 종횡비를 낮춥니다.

도금 공정은 또한 기계 드릴링된 버리드 비아 스팬의 시작층과 종료층에서 구리 두께를 변화시킵니다. 노출된 해당 구리층은 버리드 비아 배럴이 형성될 때 추가 도금을 받습니다. 그 결과 최종 구리 두께는 해당 층의 배선 이격거리, 임피던스 계산, 에칭 보정에 영향을 줄 수 있습니다.

순차 적층과 HDI 제약 조건

레이저 드릴링 마이크로비아를 사용할 경우, 순차 적층은 또 다른 한계 조건을 도입합니다. 허용 가능한 레이저 드릴 직경은 인접한 구리층 사이의 유전체 두께에 따라 달라지며, 일반적으로 1 미만의 종횡비가 요구되기 때문에 HDI 빌드업 층은 보통 얇게 설계됩니다. 유전체가 레이저 드릴 직경에 비해 너무 두꺼워지면, 그 비아는 제조업체가 지원하는 microvia aspect ratio를 초과하게 됩니다.

각 순차 빌드업 사이클은 제조 단계를 추가합니다. 적층형 마이크로비아는 그 바로 위에 또 다른 마이크로비아를 직접 배치하기 전에 비아 충진 및 평탄화가 필요할 수 있으며, 제조업체는 지원 가능한 적층 수를 제한할 수 있습니다. 스태거드 마이크로비아는 이러한 적층 요구 사항 일부를 피할 수 있지만, 더 많은 배선 면적을 차지합니다.

실용적인 HDI 스택업 중 상당수는 순차 적층과 기계 드릴링된 버리드 비아 코어를 함께 사용합니다. 이렇게 하면 설계자는 외부층 근처에서는 마이크로비아를, 보드 중심부를 통과하는 더 긴 연결에는 버리드 비아를 모두 활용할 수 있습니다. PCB 양면의 중첩 BGA와 내부층으로의 마이크로비아 적층을 지원하는 일반적인 옵션이 아래에 나와 있습니다.

배선 전에 제조 제약 조건을 정의하라

가장 효율적인 PCB 스택업은 불필요한 추가 공정 없이 필요한 배선을 지원하는 스택업입니다. 부품 배치와 배선을 시작하기 전에, 선택한 제조업체가 제공하는 완성 구리 중량, 허용 가능한 기계 드릴링 종횡비, 마이크로비아 적층 가능 여부를 바탕으로 몇 가지 기본 설계 규칙을 정의하십시오:

• 구리 패턴 크기 및 간격
• 다양한 비아 유형에 대한 비아 크기 한계
• 제어 임피던스 라인용 트레이스 폭/간격 값
• 내부층과 외부층 각각에 대해, 그리고 구리 중량을 기준으로 구리 패턴 규칙 정의

이러한 단순한 PCB 설계 규칙만으로도 레이아웃이 제조 가능하도록 만들기 위해 대규모 재설계를 해야 하는 방향으로 흘러가는 것을 막을 수 있습니다. 더 고급 스택업에서 버리드 비아 구조가 부과하는 설계 규칙과 한계를 더 잘 이해하려면 아래 동영상을 시청하십시오.

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자주 묻는 질문

PCB 두께는 스루홀 비아의 종횡비에 어떤 영향을 미치나요?

PCB 두께는 스루홀 비아의 종횡비에 직접적인 영향을 줍니다. 보드가 두꺼워질수록 동일한 드릴 직경에서 종횡비가 더 커지며, 이로 인해 비아 배럴 내부에 균일하게 도금을 형성하기가 더 어려워집니다. 설계자는 제조업체가 지원하는 최대 종횡비를 확인하고, 목표 보드 두께를 기준으로 허용 가능한 최소 완성 홀 직경을 결정해야 합니다.

PCB 스택업에서 순차 적층이 필요한 경우는 언제인가요?

순차 적층은 일반적으로 여러 빌드업 레이어를 연결하는 레이저 드릴 마이크로비아를 사용하는 경우, 또는 단일의 일반적인 적층 공정 사이클로는 비아 구조를 구현할 수 없는 경우에 필요합니다. 각 빌드업 사이클은 제조 공정을 추가하며, 적층 마이크로비아는 그 위에 다른 마이크로비아를 형성하기 전에 충진 및 평탄화가 필요할 수 있습니다.

PCB 스택업에서 블라인드 비아와 버리드 비아가 서로 교차하거나 겹칠 수 있나요?

기계 드릴 방식의 블라인드 비아와 버리드 비아 스팬은 일반적으로 서로 교차할 수 없지만, 중첩시키는 것은 가능합니다. 또한 순차 적층을 사용하지 않는 한, 하나의 기계 드릴 비아 스팬이 다른 기계 드릴 스팬이 시작되는 동일한 레이어에서 끝날 수도 없습니다. 레이저 드릴 마이크로비아는 추가적인 유연성을 제공하며, 제조 공정이 허용하는 경우 적층 구조도 지원할 수 있습니다.

왜 PCB 외층은 내층과 다른 트레이스 폭 및 간격 규칙이 필요한가요?

PCB 외층은 스루홀 도금 과정에서 추가 구리를 받기 때문에 더 큰 트레이스 폭과 이격거리가 필요할 수 있습니다. 그 결과, 외층의 최종 구리 두께는 시작 포일 두께보다 두꺼울 수 있으며, 내층에 사용되는 구리보다도 더 두꺼울 수 있습니다. 따라서 PCB 설계 규칙은 전체 스택업에 동일한 규칙을 일괄 적용하기보다 각 레이어의 최종 구리 중량을 반영해야 합니다.

구리 중량은 PCB 트레이스 폭과 간격에 어떤 영향을 미치나요?

최종 구리 중량이 증가할수록 일반적으로 제조 가능한 최소 트레이스 폭과 구리 간 간격도 증가합니다. 더 무거운 구리는 에칭 및 제조 공차를 위해 더 많은 여유를 필요로 하므로, 해당 레이어에서 사용할 수 있는 배선 밀도가 낮아집니다. 예를 들어, 이 문서에서는 표준 최소 피처 크기가 0.5 oz 구리에서 4 mil이던 것이 2 oz 구리에서는 8 mil로 증가하는 예를 보여줍니다.