등록 공차는 이제 제조업체의 문제가 아니라 설계 제약 조건입니다.

수년 동안 PCB 제조 과정에서의 정합 공차(registration tolerance)는 제조업체들이 주로 신경 쓰는 문제였습니다. 그러나 이제 Ultra HDI와 초소형 피처 크기 시대로 접어들면서, 정합 공차는 설계자들도 PCB 설계 체크리스트에 반드시 포함해야 하는 핵심 요소가 되고 있습니다. 최근 누군가가 “그래도 제조업체라면 그 정도는 맞출 수 있어야죠”라고 말하는 것을 들은 적이 있습니다. 방어적으로 한 말은 아니었습니다. 정말 솔직하게 한 말이었습니다. 레이아웃은 모든 규칙을 충족했고, 설계 검토도 통과했으며, 파일도 깔끔했고, 특별한 위험 신호도 없었습니다. 극적인 실패도 없었습니다. 수율은 허용 가능한 수준이었지만 기대했던 만큼은 아니었습니다. 몇몇 비아는 정렬이 어긋나 있었고, 일부 애뉼러 링은 단면에서 조금 얇아 보였습니다. 당시에는 이 둘 다 큰 문제처럼 느껴지지 않았습니다.

정합은 언제나 중요했습니다

정합 이동(registration movement)은 새로운 문제가 아닙니다. 역사적으로 재료는 제조 과정에서 항상 팽창과 수축을 반복해 왔고, 포토 툴링은 늘어나며, 레이저 드릴은 이를 보정하다가 때로는 과보정하기도 합니다. 이런 현상은 HDI 구조에서 Ultra HDI로 넘어간다고 해서 달라지지 않습니다.

그렇다면 왜 갑자기 Ultra HDI 제조에서 정합 문제가 더 중요해졌을까요? 초소형화가 진전되면서 달라진 것은, 그 영향을 흡수할 수 있는 여유가 얼마나 남아 있느냐입니다. 유전체 두께가 얇아지고 구리 피처가 더 좁아지면, 과거에는 충분한 마진 안에 들어가던 동일한 마이크론 수준의 이동이 이제는 그 마진을 직접 잠식하게 됩니다. HDI에서는 이런 변화가 배경 잡음 정도로 여겨졌을 수 있습니다. 하지만 Ultra HDI에서는 설계자들이 매우 중요하게 보는 영역에서 바로 드러납니다. 예를 들어 비아-트레이스 간 이격, 캡처 패드 대칭성, 적층 마이크로비아 정렬 등이 그렇습니다.

한 제조업체는 이렇게 말했습니다. “우리가 정합을 잃은 게 아닙니다. 허용 여유가 사라진 겁니다.” 이 표현은 이러한 패러다임 전환을 잘 보여주는 말이라 오래 기억에 남았습니다. HDI에서는 간격이 75마이크론일 수 있지만, Ultra HDI에서는 25마이크론일 수 있습니다. 컴퓨터 화면에서는 비슷해 보일 수 있지만, PCB 제조 현장에서는 매우 큰 차이를 만듭니다.

최소 기준 충족만으로 충분할까?

Ultra HDI 설계 규칙 검사는 아직도 발전하는 중이며, 제조업체들도 새로운 기술의 학습 곡선을 따라가고 있습니다. 오늘날 대부분의 Ultra HDI 설계는 기술적으로는 우리가 지금까지 사용해 온 표준 규칙을 충족한다고 말할 수 있습니다. 하지만 “과거의 기준”과 “앞으로의 기준” 사이의 간극은 계속 변화하고 있습니다. 설계 규칙 검사는 형상을 확인해 줍니다. CAD에서 비아가 트레이스와 최소 허용값만큼 이격되어 있더라도, 층간 이동이 발생하면 여전히 취약할 수 있습니다.

바로 이 지점에서 HDI에서 형성된 습관이 설계자에게 조용히 불리하게 작용합니다. 전역 간격 규칙을 사용하는 것, 캡처 패드 크기를 고정값처럼 다루는 것, 재료와 공정은 비대칭적으로 거동하는데도 대칭을 가정하는 것 등이 그렇습니다.

정합 리스크가 드러나는 지점

정합 문제는 대개 크게 드러나지 않습니다. 대신 제조업체가 전체적으로 살펴보고 표시해야 하는 작고 불편한 신호들로 나타나는 경우가 많습니다.

• 기술적으로는 규격 내에 있지만 더 이상 중심에 맞지 않는 레이저 타격
• 전기적으로는 통과하지만 신뢰성 측면에서 의문을 남기는 애뉼러 링
• 검사자가 불안함을 느낄 정도로 조금씩 잠식되는 이격거리
• 검토 회의에서 한참 멈춰 보게 만드는 초도품 사진

이런 징후가 나타날 때쯤이면, 설계는 이미 대부분의 리스크를 고정해 놓은 상태입니다. 조정은 가능하지만 더 이상 쉽지는 않습니다. 이제 정합은 설계 논의의 일부로 옮겨오고 있습니다.

지난 HDI build에서 잘 동작했던 구조가 Ultra HDI에서도 동일하게 동작할 것이라고 단정할 수는 없습니다. 이는 적층 마이크로비아 정렬 공차와 스태거드 마이크로비아 정렬에도 마찬가지로 적용됩니다. 주변 구조가 모두 축소되는데도 캡처 패드 크기는 그대로 유지할 수 있다고 가정하는 것 역시 위험합니다.

예전에 한 설계자가 “우리가 규칙을 더 엄격하게 만든 게 아니라, 기술이 그렇게 만든 겁니다”라고 말하는 것을 들은 적이 있습니다. 당시에는 크게 와닿지 않았지만, 사실 맞는 말이었습니다. Ultra HDI 수준의 피처 크기를 구현하기 위해 감산 공정에서 가산 공정으로 이동하면서 제조 공정이 바뀌고, 새로운 재료가 도입되며, 제조 전반의 공정 윈도우도 더 좁아지고 있습니다.

이동을 고려한 설계

설계자에게 가장 어려운 변화 중 하나는 CAD에서의 완벽한 정렬이 더 이상 목표가 아니라는 점을 받아들이는 것입니다. 이제 중요한 것은 예측 가능한 변동입니다. 재료는 움직이고, 공정은 변하며, 레이저는 조정됩니다. 문제는 정합이 이동하느냐가 아니라, 설계가 그 이동을 감당할 여유를 갖고 있느냐입니다.

이를 위해서는 레이아웃과 검토 단계에서 다른 사고방식이 필요합니다. “이게 규칙을 만족하는가?”라고 묻는 대신, “이게 움직이면 어떻게 되는가?”라고 묻는 편이 더 유용합니다. 이런 관점의 전환은 설계자가 중요 영역에 접근하는 방식을 바꿉니다. 전역 규칙 대신 차등화된 규칙을 장려하고, 승인받기 위한 목적이 아니라 맥락을 이해하기 위해 더 이른 단계에서 제조업체와 대화하도록 만듭니다.

더 나은 Ultra HDI 설계 검토

Ultra HDI의 설계 검토에서도 여전히 스택업, 비아, 재료를 다룹니다. 하지만 가장 효과적인 검토는 다음과 같은 질문을 포함합니다.

• 꼭 그럴 필요는 없었더라도, 우리가 의도적으로 마진을 추가한 곳은 어디인가? 또는 어디에 추가할 수 있었는가?
• 어떤 구조가 정렬 불량 위험이 가장 큰가?
• 층간 이동에 대해 우리가 가정만 하고 있는가? 아니면 실제로 확인했는가?
• 무언가가 이동한다면, 그 영향은 가장 먼저 어디에서 나타날까?

이 질문들은 설계 초기 단계에서 제조업체와 협업할 때 가장 효과적입니다. 이 협업의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 제조업체들 역시 필요한 공정 조정과 설계 모범 사례를 학습하고 있는 중입니다. 그들의 전문성을 적극적으로 활용해야 합니다.

차이를 만드는 작은 조정들

Ultra HDI 설계에서의 작은 수정이 수율에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 정합에 가장 민감한 영역에서는 이격거리를 약간 늘리고, 적층 구조에서 필요하다면 가능한 한 큰 캡처 패드를 사용하며, 오해를 피할 수 있도록 고위험 영역은 제조 노트에 명확히 표시해야 합니다. 극적인 내용은 아니지만, 이런 조치들이 제조 가능성에 큰 차이를 만들 수 있습니다.

제조 시점에 간신히 통과한 정합 문제는 시간이 지나면서 문제를 일으킬 수 있습니다. 한계 수준의 정렬은 피로를 가속하고, 응력을 집중시키며, 특히 고밀도 인터커넥트 구조에서는 장기 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있으므로 반드시 고려해야 합니다.

정합 공차는 여전히 제조상의 과제입니다. 하지만 이제는 신호 무결성, 전력 전달, 재료 선택과 함께 설계 논의에도 포함되어야 합니다.

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