Rigid-Flex 적층 구조: 레이아웃을 시작하기도 전에 좋은 설계가 잘못되는 지점

리지드 플렉스 설계의 스택업은 리지드 보드 스택업보다 더 복잡할까요? 대부분의 경우 그렇습니다. 단순한 리지드-플렉스 설계조차도 복잡한 HDI 설계보다 더 어려울 수 있습니다. 

리지드 보드 설계에 대한 지식과 경험이 있는 디자이너라면, 익숙한 재료 선택 규칙이 그대로 적용된다고 쉽게 생각할 수 있습니다. 적어도 레이아웃을 진행하는 데는 충분히 적용된다고 여길 수 있습니다. 실제로 그럴 때도 있고 그렇지 않을 때도 있습니다. 그리고 그렇지 않은 경우, 그 결과는 제조 단계나 심지어 조립 단계에 이르러서야 드러납니다. 

리지드 플렉스에서는 스택업이 나중에 다듬을 수 있는 요소가 아닙니다. 첫 번째 트레이스를 배치하기 훨씬 전부터 신뢰성, 수율, 비용의 한계를 결정합니다.

핵심 요점

• 스택업이 성공을 좌우하므로 초기에 결정해야 합니다. 리지드‑플렉스 스택업은 리지드 보드보다 더 복잡하며, 라우팅이 시작되기 전부터 스택업이 신뢰성, 수율, 비용을 결정합니다.
• 접착제형과 무접착형을 의도적으로 선택해야 합니다. 접착층은 두께 편차와 응력을 추가합니다. 무접착형은 비용/리드타임 증가라는 트레이드오프가 있지만, 다층/리지드‑플렉스, 작은 굽힘 반경, 마이크로비아, 더 높은 열 노출 환경에서 흔히 더 선호됩니다. 
• 리지드‑투‑플렉스 전이 구간을 설계해야 합니다. 제조 노트에서 해당 위치와 크기를 명확히 정의하고, 급격한 레이어/구리 변화는 피해야 합니다. 고장은 종종 나중에 나타나며(균열, 박리, 구리 피로), 따라서 초기에 제조업체의 의견을 받는 것이 중요합니다.
• 플렉스에서의 플레인 레이어는 다시 생각해야 합니다. 솔리드 플레인은 굽힘을 방해하고 피로를 가속합니다. 필요에 따라 크로스해칭/분할/부분 플레인을 사용하되, 전기적 요구사항(임피던스/리턴 경로)과 기계적 신뢰성의 균형을 맞춰야 하며, 이상적으로는 제조업체와의 초기 스택업 검토를 통해 결정하는 것이 좋습니다.

접착제형 vs. 무접착형

많은 디자이너는 접착제 기반 플렉스 구조와 무접착 플렉스 구조 사이에서 의식적으로 선택하지 않습니다. 대개 기본 스택업, 기존 사양, 혹은 지난번에 사용했던 방식이 그대로 이어집니다.

도면상으로는 두 옵션이 비슷해 보입니다. 하지만 제조에서는 매우 다르게 작동합니다.

접착층은 변동성을 유발합니다. 열을 받으면 이동합니다. 또한 항상 완벽하게 균일하지 않은 두께를 더하며, 동적 플렉스 애플리케이션에서는 이 두께가 설계의 장기적인 유연성에 불리하게 작용할 수 있습니다. 이런 요소들이 제조 자체를 불가능하게 만들지는 않지만, 최종 애플리케이션에는 영향을 주며, 특히 레이어 수가 늘어나거나 피처가 작아질수록 제조업체가 대응할 수 있는 여유를 줄입니다.

이에 대해 제조업체가 설계 검토 중 자주 하는 말은 다음과 같습니다:

정렬 공차가 빡빡하고, 적층 비아가 있으며, 접착제 기반 플렉스가 보이면 응력이 어디에서 나타날지 이미 예상할 수 있습니다. 제작은 가능하지만, 재료 스택을 조금만 조정해도 수율과 신뢰성에 극적인 차이가 생길 때가 있습니다.

무접착 구조는 다층 플렉스, 특히 리지드 플렉스 구조에 자주 권장됩니다. 두께 제어가 더 우수하고, 그에 못지않게 Z축 방향 거동도 더 안정적입니다. 그래서 마이크로비아, 더 엄격한 굽힘 요구사항, 또는 조립 중 더 높은 열 노출이 있는 설계에서 흔히 사용됩니다.

그렇다면 왜 모든 리지드 플렉스 설계가 무접착 재료를 사용하지 않을까요? 권장되기는 하지만, 비용과 경우에 따라 더 긴 리드타임이 트레이드오프가 됩니다.

어느 한 접근법이 무조건 더 낫다는 뜻은 아닙니다. 중요한 것은 이 결정이 이후의 모든 것을 좌우한다는 점입니다. 레이아웃이 시작되고 나면, 나중에 문제가 드러나기 시작하더라도 이를 바꾸기는 어려워집니다.

전이 구간

디자이너는 보통 리지드 영역과 플렉스 영역으로 나누어 생각합니다. 반면 제조업체는 그 사이의 공간을 봅니다.

이 리지드‑투‑플렉스 전이 구간은 일반적으로 응력이 집중되는 영역입니다. 또한 스택업에 대한 가정들이 충돌하는 곳이기도 합니다. 일반적인 CAD의 레이어 스택 정의에는 “전이 구간”에 대한 명시적 정의가 없다는 점에 유의해야 합니다(아래 참조). 전이 구간의 위치와 크기는 제조 노트에 명시해야 합니다.

예를 들어, 급격한 레이어 수 변화, 갑자기 끝나는 플레인 레이어, CAD에서는 균형 잡혀 보이지만 적층 후에는 전혀 다르게 거동하는 구리 분포는 피해야 합니다. 이런 문제는 드문 일이 아닙니다. 오히려 흔합니다. 그리고 대개 눈에 띄는 방식으로 실패하지도 않습니다.

한 제조업체는 이를 이렇게 설명했습니다:

전이 구간 문제의 대부분은 전기적으로 드러나지 않습니다. 우리는 나중에 균열, 박리, 또는 구리 피로를 보게 됩니다. 눈에 보일 때쯤이면 이미 스택업이 손상을 만들어낸 뒤입니다.

바로 이 점 때문에 이 영역이 까다롭습니다. 이런 문제는 항상 DRC로 잡아낼 수 있는 것이 아닙니다. 대개 디패널라이제이션, 조립, 또는 제품이 현장에 설치되어 반복적으로 굽혀진 이후에 나타납니다.

전이 구간의 모범 사례에 대해 제조업체의 조언을 받는 것은 언제나 권장됩니다. “업계 모범 사례”를 따르더라도, 제조업체가 자사 공정 조건에서 설계가 성공적으로 구현되도록 돕기 위해 세부 조정을 제안하는 일은 드물지 않습니다.

플렉스에서의 플레인 레이어

솔리드 플레인은 리지드 보드에서 실제 문제를 해결하는 데 효과적이라는 것이 잘 알려져 있으며, 디자이너가 이를 신뢰하는 데는 충분한 이유가 있습니다. 하지만 리지드 플렉스 설계에서는 규칙이 달라집니다.

왜 그럴까요? 솔리드 구리 플레인은 굽힘을 방해합니다. 시간이 지나면서 응력을 집중시키고 구리 피로를 가속합니다. 정적 애플리케이션에서도 강성을 높여 취급이나 조립 중 균열 위험을 증가시킵니다.

크로스해칭, 분할 구리, 또는 부분 플레인은 도움이 될 수 있지만, 만능 해결책은 아닙니다. 각 옵션은 전기적 트레이드오프를 수반하므로, 기본값처럼 적용할 것이 아니라 의도적으로 검토해야 합니다.

이 역시 제조업체와 초기에 논의하는 것이 중요한 대표적인 사례입니다. 디자이너가 어떤 영역에 실제로 제어 임피던스나 깨끗한 리턴 경로가 필요한지 설명하면, 제조업체는 전기적 성능과 기계적 신뢰성을 모두 보호할 수 있는 구조를 제안하는 경우가 많습니다. 이런 논의가 늦어지면 결국 모두가 타협을 강요받게 됩니다.

왜 제조업체는 초기 스택업 검토를 권장할까

이 세 가지 영역 모두에서 같은 결과가 반복해서 나타납니다. 라우팅이 시작되면 선택지는 빠르게 사라집니다.

제가 함께 일했던 한 선임 공정 엔지니어는 이렇게 말한 적이 있습니다:

스택업을 초기에 검토하면 대개 더 단순하게 만들고, 수율을 높이고, 예상치 못한 문제를 피할 수 있습니다. 레이아웃이 시작된 뒤에는 대부분 위험을 관리하는 수준에 머물게 됩니다.

이 말은 오래도록 기억에 남았고, 실제로도 반복해서 확인된 내용입니다.

초기 stackup 검토는 리지드 보드 설계 습관이 도전받고 플렉스 특유의 고려사항이 부각되는 지점입니다. 종종 간과되는 첫 단계이지만, 동시에 많은 리지드‑플렉스 설계가 더 단순하고, 더 얇고, 더 신뢰성 있게 바뀌는 출발점이 되기도 합니다.

마무리 생각

리지드‑플렉스 설계에는 다른 사고방식이 필요합니다. 접착제 선택, 전이 구간 계획, 플레인 레이어 전략은 부차적인 고려사항이 아닙니다. 이것들은 설계의 기반입니다.

설계 초기부터 제조업체를 논의에 참여시키는 디자이너는 제조 단계에 이르렀을 때 예상치 못한 문제를 더 적게 겪는 경향이 있습니다. 목표는 언제나 신뢰할 수 있는 제품이며, 설계에서 제조까지의 과정이 원활하게 이어지는 것은 그 훌륭한 출발점입니다. 

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자주 묻는 질문

왜 리지드‑플렉스 PCB 스택업은 일반 리지드 보드 스택업보다 더 복잡한가요?

리지드‑플렉스 스택업은 기계적 거동이 완전히 다른 재료들을 결합하므로, 스택업이 굽힘, 열 사이클링, 접착제 이동, 전이 구간 응력을 모두 고려해야 합니다. 리지드 보드와 달리 스택업은 나중에 수정해 다듬기 어렵습니다. 초기에 어떻게 정의하느냐가 신뢰성, 제조 용이성, 장기 내구성에 직접적인 영향을 미칩니다.

리지드‑플렉스 설계에서는 접착제형 재료와 무접착 재료 중 무엇을 선택해야 하나요?

무접착 재료는 일반적으로 다층 플렉스, 마이크로비아, 더 작은 굽힘 반경, 고온 조립 환경에 권장됩니다. 두께 제어가 더 우수하고 Z축 방향 거동이 더 안정적이기 때문입니다. 접착제 기반 재료는 더 저렴하지만, 변동성 증가, 두께 증가, 동적 플렉스 영역에서의 구리 피로 위험 증가를 초래합니다. 따라서 이 선택은 기본 스택업이나 기존 사양에 의존할 것이 아니라 의도적으로 내려야 합니다.

리지드‑투‑플렉스 전이 구간에서 고장이 발생하는 원인은 무엇인가요?

대부분의 고장은 전이 구간에 기계적 및 열적 응력이 집중되기 때문에 발생합니다. 급격한 레이어 변화, 갑자기 끝나는 솔리드 플레인, 불균일한 구리 분포는 균열, 박리, 구리 피로로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제는 DRC에서 잘 드러나지 않으며, 조립, 디패널라이제이션, 또는 현장 사용 중 반복 굽힘 과정에서 나타나는 경향이 있습니다. 명확한 제조 노트와 초기 제조업체 검토가 이러한 문제를 예방하는 데 도움이 됩니다.

왜 제조업체는 플렉스 영역에서 솔리드 구리 플레인을 최소화하라고 권장하나요?

솔리드 플레인은 굽힘을 방해하고 시간이 지나면서 구리 피로를 가속하는 경직된 “힌지 포인트”를 만듭니다. 이는 균열이나 장기 신뢰성 문제로 이어질 수 있습니다. 따라서 플렉스 영역에서는 전기적 성능과 기계적 유연성의 균형을 맞추기 위해 크로스해칭, 분할 플레인, 부분 플레인을 사용하는 경우가 많습니다. 적절한 전략을 선택하려면 설계 후반의 불필요한 타협을 피하기 위해 제조업체와 초기에 논의하는 것이 필요합니다.