경질-유연 인쇄 회로 기판을 위한 소결 페이스트를 사용한 마이크로 비아 설계

강성-유연 인쇄 회로 기판(PCB)은 많은 전자 패키징 문제에 대한 우아한 해결책입니다. 이 기술은 강성 PCB의 내구성과 유연 회로의 다양성을 결합합니다. 강성-유연 PCB는 스마트폰, 의료 장비, 자동차 전자 제품과 같은 많은 현대 장치에 있어 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 고밀도 라우팅 응용 프로그램에서는 회로 기판의 다른 층을 연결하기 위해 종종 마이크로비아를 사용합니다. 이러한 연결을 생성하는 매우 효과적인 방법 중 하나는 소결 페이스트를 사용하는 것입니다. 이 블로그는 강성-유연 PCB에서 소결 페이스트 마이크로비아를 활용하기 위한 설계 규칙과 고려 사항을 탐구합니다.

먼저, 인쇄 회로 기판 제작의 맥락에서 소결 페이스트를 정의해 봅시다. 이는 일반적으로 은 또는 구리와 같은 금속 입자가 바인더에 현탁된 전도성 재료를 말합니다. 페이스트는 PCB의 층 사이에 전기적 연결을 생성하기 위해 적용됩니다. 제조 과정에서 소결 과정은 다른 금속 입자의 용융점 아래에서 가열하여 입자들이 녹지 않고 주변 기판을 녹이지 않으면서도 함께 결합하여 고체 전도 경로를 형성하게 합니다.

소결 페이스트 마이크로비아의 장점

• 소결 페이스트 마이크로비아는 전통적인 도금 비아에 비해 우수한 전기 전도성을 제공합니다. 소결 과정은 저항을 줄여 효율적인 신호 전송을 보장합니다. 이는 고속 데이터 전송과 신뢰성 있는 성능을 요구하는 응용 분야에 있어 중요합니다.
• 더 작고 밀접하게 배치된 마이크로비아를 생성할 수 있는 능력은 더 높은 회로 밀도를 가능하게 합니다. 이러한 소형화는 기능을 희생하지 않으면서 컴팩트하고 경량의 전자 장치를 개발하는 데 필수적입니다.

소결 페이스트 마이크로비아의 일반적인 응용은 플렉스 기판 위의 미세 피치 BGA로의 라우팅입니다. 이러한 마이크로비아는 매우 작은 직경(아래 참조)을 가질 수 있어, 이러한 유형의 설계에 탁월한 옵션입니다. 소결 과정은 또한 높은 기계적 강도를 가진 비아를 생산하여, 강성 및 유연 섹션의 릿지드-플렉스 PCB에서 겪는 스트레스에 견딜 수 있게 합니다.

주요 설계 고려 사항

재료: 전도성 페이스트: 적절한 전도성 페이스트를 선택하는 것은 중요한 결정입니다. 우수한 전기적 성질로 인해 은 및 구리 기반 페이스트가 일반적으로 사용됩니다. 소결 과정 및 기판 재료와의 호환성이 필수적입니다.

기판 재료: 릿지드-플렉스 PCB는 강성 부분에는 FR4, 유연한 영역에는 폴리이미드와 같은 재료의 조합을 사용합니다. 두 재료 모두 소결 온도를 견디면서 변형되거나 열화되지 않아야 합니다.

패키지 크기: 플렉스 PCB에서 HDI 설계 시, 미세 피치 패키지의 크기는 사용 가능한 비아 크기와 라우팅 공간을 제한합니다. 위에서 언급한 더 작은 마이크로비아를 가능하게 하는 소결 비아는 이러한 도전을 극복합니다. 예를 들어, 아래에 표시된 노르딕 WLCSP 패키지(0.35mm 피치)의 경우, 전통적으로 배치된 맹/매립 마이크로비아를 소결 비아로 교체하면 핀 사이의 라우팅이 가능해질 수 있습니다.

재료 선택은 선호하는 인쇄 회로 기판 제조업체와 협력할 시기입니다. 모든 제조업체가 모든 사용 가능한 재료와 공정을 다루는 것은 아닙니다. 재고가 있고 정기적으로 처리되는 재료를 이해하지 못하면 프로젝트에 추가 비용과 리드 타임이 쉽게 발생할 수 있습니다.

마이크로비아 치수

비아 직경 및 종횡비: 레이저로 드릴링된 마이크로비아는 일반적으로 직경이 25에서 75 마이크로미터 범위입니다. 종횡비(깊이 대 직경)를 약 0.75에서 1로 유지하면 페이스트의 신뢰할 수 있는 충전 및 소결이 보장됩니다.

피치 및 간격: 전기적 단락을 피하고 신호 무결성을 유지하기 위해, 마이크로비아 사이의 최소 간격은 비아 직경의 최소 두 배 이상이어야 합니다. 적절한 간격은 또한 더 나은 열 분산을 촉진합니다.

인쇄 회로 기판 제조업체는 일반적으로 이러한 매개변수를 제조 능력 및 제조 가능성 설계 지침에 나열합니다.

제조 가능성을 위한 설계(DFM)

층 스택업: 다층 리지드-플렉스 PCB를 설계할 때는 마이크로비아의 배치를 최적화하기 위해 스택업 구성을 고려하세요. 계단식 비아는 응력 집중을 줄이고 기계적 견고성을 향상시킬 수 있습니다.

정렬 및 등록: 제조 중 정밀한 정렬은 층간 마이크로비아가 정확하게 연결되도록 보장하는 데 중요합니다. 고급 이미징 및 드릴링 기술은 이러한 정밀도를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다. 제조업체의 능력은 매우 다양하므로, 선호하는 제조업체의 능력을 이해하는 것이 중요합니다. 이를 염두에 두고 설계하면 비용과 리드 타임을 절약할 수 있습니다.

열 관리: 효율적인 열 분산은 특히 고밀도 설계에서 중요합니다. 열 비아와 적절한 레이아웃 기술을 활용하면 열 부하를 관리하고 과열을 방지할 수 있습니다.

소결 공정 매개변수

온도 프로파일: 소결 온도는 일반적으로 페이스트와 기판 재료에 따라 200°C에서 300°C 사이입니다. 제어된 상승률과 냉각률은 열 충격과 재료 손상을 방지합니다.

시간 및 압력: 소결 시간은 몇 분에서 몇 시간까지 다양합니다. 소결 중 압력을 가하면 페이스트의 압축을 개선하여 공극을 줄이고 비아의 기계적 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있습니다.

분위기 제어: 질소나 포밍 가스와 같은 불활성 또는 환원 분위기에서 소결 과정을 진행하면 전도성 페이스트의 산화를 방지하여 전기적 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다.

제작자가 제어해야 할 핵심 공정 변수를 이해하는 것이 중요합니다.

테스트 및 검증

전기 테스트: 소결 후, 마이크로비아의 전기 전도성은 설계 사양을 충족하는지 확인하기 위해 4점 프로브 테스트와 같은 기술을 사용하여 측정해야 합니다.

기계적 스트레스 테스트: 마이크로비아의 기계적 견고성은 실제 애플리케이션에서 겪는 기계적 스트레스를 견딜 수 있도록 굽힘 및 플렉스 테스트를 통해 평가할 수 있습니다.

신뢰성 테스트: 열 사이클링, 습도 및 진동을 포함한 다양한 환경 조건에서의 장기 신뢰성을 평가하여 리지드-플렉스 PCB의 내구성을 보장해야 합니다.

제작 중 흔히 발생하는 문제점

접착 문제: 소결된 페이스트와 기판 사이의 접착력을 향상시키는 것은 신뢰할 수 있는 비아를 위해 중요합니다. 플라즈마 클리닝이나 접착 촉진제를 적용하는 것과 같은 표면 처리 기술은 결합 강도를 향상시킬 수 있습니다.

공극 형성: 소결된 페이스트 내의 공극은 비아의 전기적 및 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다. 페이스트 조성 및 소결 매개변수를 최적화하고, 소결 중에 압력을 가하는 것으로 공극 형성을 최소화할 수 있습니다.

균열 및 층간 분리: 균열 및 층간 분리와 같은 기계적 실패는 재료 선택을 신중히 하고, 스트레스를 고르게 분배하도록 설계를 최적화함으로써 완화될 수 있습니다. 열팽창 계수가 일치하는 유연한 접착제와 기판을 사용하는 것도 도움이 됩니다.

결국, 소결된 페이스트는 특히 HDI 구축에서 PCB 설계에서 새로운 것이 아닙니다. 이 접근법은 매우 높은 층 수를 달성하고 소결된 페이스트 비아의 제작과 함께 미세한 특징 간격을 달성하기 위해 사용되었습니다. 전문가 Chris Hunrath와 함께한 아래 팟캐스트 에피소드를 시청하여 자세히 알아보세요:

Sintered paste microvias는 PCB 디자이너의 도구 상자에 또 다른 도구를 제공합니다. PCB 제조업체의 능력을 이해하고 이와 협력하는 것은 이 기술을 성공적으로 사용하기 위한 핵심 요소입니다. 재료와 공정에 대한 선호도는 제조업체마다 크게 다르며, 설계 과정 초기에 함께 작업하는 것은 시간과 비용을 절약하고 최종 제품의 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.