UHDI 구리 도금: 설계자가 이 공정에 대해 이해해야 할 사항

비아를 형성하는 구리 도금 공정은 제조업체들에 의해 매우 잘 이해되고 있으며, 표준 기술과 고밀도 인터커넥트(HDI)를 위한 전통적인 감산 에칭 공정은 종횡비와 설계 모범 사례에 대한 설계 규칙이 수십 년에 걸쳐 축적되어 왔고, 이러한 규칙은 PCB 설계 커뮤니티에도 잘 알려져 있습니다.

겉보기에는 Ultra HDI 기술을 위한 구리 도금 공정도 그렇게 복잡하지 않아 보여야겠죠? 하지만 Ultra HDI 기술은 아직 그 공정에 대해 수십 년간 축적된 경험이 없으며, 피처 크기가 75마이크론 아래로 내려가고 특히 25마이크론 범위에 가까워질수록 마진과 공차는 완전히 새로운 의미를 갖게 됩니다.

UHDI에서 구리 도금은 제조업체가 자동으로 처리하는 배경 공정이 아닙니다. 이는 설계 결정과 직접적으로 상호작용하는 변수들의 집합이며, 이러한 변수들이 제대로 고려되지 않으면 제조업체와 PCB 설계자 모두 시제품 제작과 개발 과정에서 여러 문제를 해결해야 할 수 있습니다.

핵심 요점

• UHDI 도금은 단순한 제조 문제가 아니라 형상 문제입니다. 비아 직경이 75마이크론 아래로 떨어지면 전류 분포가 고르지 않게 되고 구리 두께 편차가 증가하는데, 그 위험을 유발하는 형상은 설계에서 비롯됩니다.
• 종횡비는 설계자가 제어할 수 있는 핵심 수치입니다. UHDI에서 레이저 드릴드 마이크로비아의 경우, 1:1 이하(깊이 대 직경)를 유지하는 것은 제조업체의 선호가 아니라 도금 물리의 엄격한 제약입니다. 이를 무리해서 넘길 여유는 없습니다.
• 적층 마이크로비아는 다음 층을 형성하기 전에 완전하고 평탄한 구리 충전이 필요합니다. 돔 형태, 함몰, 또는 중심에서 벗어난 충전은 그 위에 적층되는 비아의 내재된 고장 지점이 됩니다.
• 전기적 테스트만으로는 UHDI 도금 리스크를 잡아낼 수 없습니다. 비아는 연속성 테스트를 통과하더라도, 현장 열 사이클링에서 실패하는 도금 프로파일을 가질 수 있습니다. 초도품에서의 단면 분석만이 구조 내부에서 실제로 어떤 일이 일어나고 있는지 알려줍니다.

피처가 작아질수록 도금이 더 어려워지는 이유

표준 PCB 제조에서 도금은 성숙한 공정입니다. 공차는 잘 이해되어 있고, 화학 조건은 최적화되어 있으며, 제조업체는 참고할 수 있는 수년간의 데이터를 보유하고 있습니다. 하지만 UHDI 형상으로 들어가면 그러한 익숙함의 상당 부분이 사라집니다.

핵심 문제는 접근성입니다. 전해 구리 도금은 전기장이 존재하는 환경에서 전도성 표면에 구리 이온을 석출시킵니다. 더 큰 형상에서는 전류가 비교적 균일하게 분포합니다. 그러나 비아 직경이 75마이크론 아래로 내려가면 그 분포를 제어하기가 훨씬 어려워집니다. 전류 밀도는 가장자리와 코너에 집중됩니다. 작은 비아 내부의 전기장은 표면의 전기장과 동일하지 않습니다. 어떤 영역에서는 구리가 더 빨리 쌓이고 다른 영역에서는 덜 쌓이며, UHDI가 요구하는 피처 크기에서는 두께 편차가 매우 중요해집니다.

이것은 더 나은 화학 조건만으로 저절로 해결되는 제조업체의 문제가 아닙니다. 이것은 형상 문제이며, 그 형상은 설계에서 나옵니다.

종횡비: 도금 리스크를 좌우하는 수치

종횡비(비아의 깊이와 직경의 관계)는 UHDI 도금에서 가장 중요한 수치 중 하나이며, 설계자가 직접 제어할 수 있는 요소입니다.

대부분의 제조업체는 UHDI 구조에서 레이저 드릴드 마이크로비아에 대해 최대 1:1을 기준으로 작업합니다. 즉, 75마이크론 비아는 두께가 75마이크론을 넘지 않는 유전체를 관통해야 하고, 50마이크론 비아는 50마이크론 유전체를 관통해야 합니다. 이 한계를 넘어서면 비아 내부의 도금액 교환이 제한됩니다. 새로운 화학액은 들어가지 못하고, 부산물은 빠져나오지 못합니다. 그 결과는 불완전한 도금, 비아 배럴의 얇은 구리, 또는 보이드입니다.

표준 스루홀 비아에서 보이드는 신뢰성 우려 사항입니다. 적층 마이크로비아에서는 더 즉각적인 문제입니다. 리플로우 중 열 사이클링은 이러한 보이드에 응력을 가하며, 구리 충전된 적층 비아 내부의 보이드는 전기적 테스트에서는 드러나지 않을 수 있지만 실제 현장에서는 고장 지점이 됩니다.

유전체 두께와 비아 직경은 모두 설계 결정입니다. 종횡비를 1:1 이하로 유지하는 것은 제조업체의 선호가 아닙니다. 이는 설계가 수용해야 하는 도금 물리의 제약이며, UHDI에서는 이러한 설계 규칙을 넘겨도 될 만한 여유가 없습니다.  그리고 우리 모두 HDI에서 감산 에칭으로 그 종횡비를 밀어붙이는 데 익숙해졌다는 것도 잘 알고 있습니다!

적층 마이크로비아와 구리 충전 요구사항

대부분의 UHDI 설계는 stacked microvias에 의존합니다. staggered micro vias가 종종 권장되긴 하지만, 스택업이 요구하는 인터커넥트 밀도를 달성하려면 적층 방식이 필요하기 때문입니다. 적층은 가장 큰 공간 절감을 제공하지만, 동시에 도금 복잡성이 집중되는 지점이기도 합니다.

적층 마이크로비아는 그 위에 다음 비아를 드릴링하고 도금하기 전에 구리로 충전되어야 합니다. 충전은 완전하고 평탄하며 치수적으로 일관되어야 합니다. 다음 레이저 드릴은 그 충전된 비아의 중심을 타깃으로 삼는데, 충전이 돔 형태이거나 중심에서 벗어나 있거나 불완전하면 그 위 비아는 이미 문제를 안고 시작하게 됩니다.

구리 충전 화학 공정은 표준 전해 도금보다 더 느리고 더 정밀하게 제어되며, 동일한 형상 변수들에 민감합니다. 깊고 좁은 비아는 얕고 넓은 비아보다 안정적으로 충전되기 어렵습니다. 충전 품질에 직접 영향을 미치는 요소로는 제조업체가 권장하는 최소값 이상인 비아 직경, 전체 패널에 걸쳐 일관된 유전체 두께, 그리고 제조업체 공정이 검증한 것보다 더 많은 층을 적층하지 않는 것이 있습니다. 마지막 항목은 반드시 구체적으로 문의하세요. 이는 표준 DFM 피드백에 항상 포함되는 수치가 아닙니다.

초도품에서 드러나는 것들

UHDI의 도금 문제는 전기적 테스트에서 항상 드러나지 않습니다. 비아가 연속성 테스트를 통과하더라도, 신뢰성 리스크를 만드는 도금 프로파일을 가질 수 있습니다. 단면 분석은 비아 구조 내부에서 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 보여주는 도구입니다. 특히 Ultra HDI 설계에서는 초도품 단면을 형식적인 절차가 아니라 진정한 데이터 수집으로 취급해야 합니다.

여러 가지를 살펴보아야 합니다. 하나의 위치만이 아니라 패널의 여러 샘플에 걸친 비아 배럴의 구리 두께 일관성, 적층 비아의 충전 프로파일, 약간 돔형이거나 함몰된 표면이 화학 조건과 형상이 서로에게 어떤 영향을 주고 있는지 말해준다는 점, 그리고 패널의 고밀도 구리 영역과 저밀도 구리 영역 사이의 구리 두께 편차도 확인해야 합니다.

이들 중 어느 하나라도 제조업체가 우려할 만한 편차를 보인다면, 그 대화는 개발 단계에서 그리고 생산에 들어가기 훨씬 전에 나누어야 합니다. 초도품 단계에서의 조정은 비교적 간단하고 예상되는 일이지만, 제품 출하 후 신뢰성 문제가 빠져나가는 것은 그렇지 않습니다.

설계를 릴리스하기 전에

몇 가지 고려할 사항:

• 모든 마이크로비아의 종횡비를 계산하고, 그것이 제조업체의 검증된 범위 내에 있는지 확인했습니까?
• 각 빌드업 층의 유전체 두께가 그 층을 관통하는 비아 직경과 일치합니까?
• 적층 비아의 구리 충전 요구사항, 그리고 제조업체 공정이 몇 개의 적층 층까지 검증되었는지에 대해 논의했습니까?
• 패널 구리 분포는 설계에서의 구리 밸런싱 또는 제조업체가 무엇을 필요로 하는지에 대한 직접적인 논의를 통해 반영되었습니까?
• 도금 공정은 설계가 제공하는 형상에 따라 작동하며, 그 형상을 올바르게 만드는 것은 제조에 릴리스하기 전에 제어 가능한 변수입니다.

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자주 묻는 질문

왜 UHDI 구리 도금이 비용에 영향을 주나요?

UHDI 도금은 더 작은 피처로 인해 더 엄격한 스택업 제어, 더 많은 공정 모니터링, 추가 단면 분석, 그리고 설계 팀과 PCB 제조업체 간의 더 긴밀한 엔지니어링 검토가 필요해지는 경우가 많기 때문에 비용을 증가시킬 수 있습니다. 또한 구리 충전 적층 마이크로비아는 각 충전 레벨이 다음 레벨 형성 전에 완료되어야 하므로 제조 시간을 늘릴 수 있습니다.

UHDI 도금 문제를 찾는 데 어떤 검사 방법이 도움이 되나요?

단면 분석은 마이크로비아 내부의 구리 두께, 보이드, 충전 형상을 확인하는 기본 검사 방법입니다. 제품의 리스크 수준에 따라 팀은 쿠폰 테스트, 열 응력 평가, 또는 고밀도 구리 영역과 저밀도 구리 영역을 비교하기 위한 추가 패널 위치 샘플링을 요청할 수도 있습니다.

제조 전에 설계자가 실행해야 할 DFM 체크는 무엇인가요?

설계자는 마이크로비아 종횡비, 유전체 두께, 적층 비아 수, 구리 분포, 그리고 제조업체가 검증한 최소 피처 크기를 검토해야 합니다. 출력 생성 전에 이러한 검사를 수행하면 피할 수 있는 DFM 보류를 방지하고, 제조 논의가 늦은 레이아웃 수정이 아니라 공정 역량에 집중되도록 할 수 있습니다.