디자인 고밀도 인터커넥트(HDI) PCB 전기적 요구와 제조 한계에 대한 깊은 이해가 필요합니다. HDI 기술을 사용하면 더 작은 공간에 더 많은 부품을 넣을 수 있습니다. 따라서 스마트폰 및 웨어러블 기술과 같은 최신 전자제품에 가장 적합한 기술입니다.
다음은 고려해야 할 요소와 HDI 디자인을 최적화하는 방법에 대한 자세한 가이드입니다.
HDI PCB 설계 시 고려해야 할 요소
1. 스마트 구성 요소 선택
HDI 보드를 설계할 때는 일반적으로 매우 작은 부품으로 작업합니다. 여기에는 피치가 $0.65\text{ mm}$ 이하인 표면 실장 장치(SMD)와 볼 그리드 어레이(BGA)가 포함됩니다.
구성 요소를 신중하게 선택해야 합니다. 핀 사이의 거리(피치)가 가장 중요한 요소입니다. 핀이 서로 매우 가까우면 구리 트레이스를 실행할 공간이 줄어듭니다. 이 선택은 또한 어떤 종류의 트레이스 폭이 필요하고 어떤 유형의 비아(구멍)를 사용해야 하는지를 알려줍니다. 피치가 매우 작은 BGA를 선택하면 모든 신호를 연결하기 위해 더 많은 레이어 또는 더 작은 마이크로비아를 사용해야 할 수 있습니다.
2. 마이크로비아 사용
마이크로비아는 HDI 설계의 핵심입니다. 마이크로비아는 일반적으로 직경이 $0.15\text{ mm}$ 미만인 매우 작은 구멍입니다. 설계자는 종종 “빌드업” 또는 “순차적” 라미네이팅 기술을 사용하여 이러한 구멍을 만듭니다.
마이크로비아를 사용하면 공간을 많이 절약할 수 있습니다. 크기가 매우 작기 때문에 기존 스루홀에 비해 좁은 공간에 더 많이 장착할 수 있습니다. 또 다른 큰 장점은 인덕턴스가 낮다는 것입니다. 따라서 고속 회로에 적합합니다. 전원 플레인을 디커플링 커패시터에 연결하거나 전기 노이즈를 줄여야 하는 모든 곳에서 사용할 수 있습니다.
3. 재료 선택
올바른 소재를 선택하는 것은 모든 PCB에 필수적이지만, HDI의 경우 더욱 중요합니다. 제조하기 쉬우면서도 열과 전기를 잘 처리하는 소재를 찾는 것이 목표입니다.
소재의 물리적 두께가 핵심 요소입니다. 마이크로비아의 “종횡비'를 살펴봐야 합니다. 이것은 구멍의 깊이와 지름 사이의 비율입니다. 재료가 너무 두껍고 구멍이 너무 작으면 구멍에 구리를 제대로 도금하기가 매우 어렵습니다. 도금 과정에서 화학 물질이 구멍을 통해 흐를 수 있는 재료를 선택해야 합니다.
4. 캡핑 및 오프셋 마이크로비아를 통해
HDI 설계에서는 “비아-인-패드”라는 기술을 사용할 수 있습니다. 즉, 마이크로비아를 표면 실장 패드 중앙에 직접 배치합니다.
이렇게 하려면 비아를 “캡”을 씌우거나 채운 다음 구리로 도금해야 합니다. 이렇게 하면 납땜을 위한 평평한 표면이 만들어집니다. 이 방법을 사용하면 비아가 패드 외부에서 추가 공간을 차지하지 않기 때문에 트레이스를 라우팅할 공간이 훨씬 더 넓어집니다. 또한 다른 레이어의 구멍이 완벽하게 정렬되지 않는 “오프셋” 마이크로비아를 사용하면 공간을 더욱 효율적으로 관리할 수 있습니다.
5. 평면 천공 감소
아래에서 전원 및 접지면을 설계할 때 BGA, 를 사용하면 가능한 한 많은 단단한 구리가 필요합니다. 이를 “전력 무결성”(PI)이라고 합니다.
기존 설계에서 큰 관통 구멍은 구리 평면에 많은 “공극” 또는 빈 공간을 만듭니다. 이는 전류의 흐름을 차단하는 울타리처럼 작용합니다. HDI에서는 비아가 훨씬 작기 때문에 더 많은 구리를 그대로 남겨둘 수 있습니다. 이는 보드의 전자파 적합성(EMC)을 향상시킵니다. 또한 간섭에 대해 더 나은 차폐 기능을 제공합니다.
6. 스택업 및 박리 문제
“스택업”은 구리 및 절연 층의 배열을 말합니다. HDI에서는 레이어마다 다른 재료를 사용하는 경우가 많습니다.
모든 자료에는 “열팽창 계수”(CTE)가 있습니다. 이는 재료가 뜨거워질 때 얼마나 커지는지를 알려줍니다. 두 레이어의 CTE 값이 매우 다르면 서로 다른 속도로 확장됩니다. 이로 인해 레이어가 분리될 수 있으며 이를 “박리”라고 합니다. 이를 방지하려면 디자이너는 모든 레이어에 동일한 소재를 사용하거나 CTE 값과 수분 흡수율이 매우 유사한 소재를 사용해야 합니다.
7. 테스트 방법
기존의 “회로 내 테스트”(ICT)는 HDI 보드에 적합하지 않은 경우가 많습니다. ICT에는 너무 많은 공간을 차지하는 대형 테스트 포인트가 필요합니다.
대신 설계자는 기능 테스트 또는 JTAG(합동 테스트 액션 그룹) 방법을 사용합니다. JTAG를 사용하면 모든 전선에 대한 물리적 테스트 프로브 없이도 집적 회로 간의 연결을 테스트할 수 있습니다. ICT는 특정 결함을 찾는 데 매우 능숙하지만, JTAG는 HDI 보드의 밀집된 환경에 훨씬 더 적합합니다.
8. 열 관리
HDI 보드는 매우 밀도가 높기 때문에 빠르게 뜨거워집니다. 구성 요소에서 열을 멀리 이동하는 방법을 계획해야 합니다.
다음 지침을 따라야 합니다. IPC-2226 표준을 따르며, 이 표준은 HDI의 열 설계에 대한 규칙을 제공합니다. HDI의 한 가지 장점은 유전체(절연) 층이 매우 얇다는 것입니다. 얇은 층은 마이크로 비아와 결합되어 실제로 칩에서 열을 전도하는 데 도움이 됩니다. 매우 뜨거운 부품이 있는 경우 “열 비아'를 추가하여 열을 더 큰 구리 평면이나 방열판으로 이동시킬 수 있습니다.
9. 라우팅 수요와 서브스트레이트 용량 비교
“라우팅 수요”는 보드의 부품을 연결하는 데 필요한 모든 전선의 총 길이입니다. “기판 용량”은 보드가 실제로 수용할 수 있는 전선의 총 길이입니다.
성공적인 설계를 위해서는 용량이 수요보다 높아야 합니다. 수요가 너무 많으면 레이어를 더 추가해야 할 수도 있지만 이렇게 하면 비용이 증가합니다. 디자이너는 가능한 한 낮은 비용으로 디자인을 완성하기 위해 이 두 가지의 균형을 맞추려고 노력합니다.
10. PWB 밀도 계산하기
PWB(인쇄 배선 기판) 밀도를 계산하여 설계가 얼마나 복잡한지 측정할 수 있습니다. 이를 평방인치당 트레이스의 평균 길이로 측정합니다.
이를 찾기 위해 각 “그물”(단일 전기 연결)에는 세 개의 노드가 있고 각 컴포넌트 리드는 하나의 노드라고 가정합니다. 다음 공식을 사용합니다:
$$Wd = \beta \sqrt{Cd \times Cc}$$
Where:
- $Wd$: PWB 밀도(평방인치당 평균 트레이스 길이)입니다.
- $Cd$: 구성 요소 밀도(평방인치당 평균 부품 수).
- $Cc$: 구성 요소 복잡도(부품당 평균 리드/핀 수).
- $\beta$: 회로 유형에 따른 상수입니다.
- 사용 2.5 고아날로그 또는 불연속 영역에 적합합니다.
- 사용 3.0 아날로그와 디지털이 혼합된 영역의 경우.
- 사용 3.5 순수 디지털 또는 ASIC 영역에 적합합니다.
이 공식은 유용한 가이드입니다. 그러나 모든 디자인은 고유하며 모든 보드에 맞는 단일 규칙은 없다는 점을 기억하세요.
전자제품을 위한 HDI 설계 최적화 방법
HDI는 PCB 산업에서 가장 빠르게 성장하고 있는 분야입니다. 보드를 더 효율적으로 만들고 더 빠른 신호 속도를 가능하게 합니다. 표준 보드에 비해 HDI 보드는 선이 훨씬 얇고, 공간이 좁으며, 패드가 더 작습니다. 가장 큰 차이점은 레이어 연결 방식입니다. 표준 보드는 끝까지 관통하는 구멍을 사용하지만 HDI 보드는 블라인드 및 매립형 비아를 사용합니다.
다음은 디자인을 최적화하고 비용이 많이 드는 실수를 방지하는 몇 가지 방법입니다.
적합한 비아 유형 선택
어떤 비아를 선택하느냐에 따라 보드의 성능과 비용이 달라집니다. 마이크로비아(블라인드 또는 매립형)를 사용하면 실제로 필요한 총 레이어 수를 줄일 수 있습니다. 레이어 수가 줄어들면 재료비가 절감됩니다. 또한 제조 공정이 덜 복잡해집니다. 제조업체에 미리 문의하여 어떤 비아 유형을 안정적으로 만들 수 있는지 확인해야 합니다.
신중하게 구성 요소 선택
HDI 보드를 제작할 때는 부품 선택에 매우 신중해야 합니다. 레이아웃을 시작하기 전에 핀 수와 부품의 크기를 확인하세요. 핀 사이에 트레이스가 어떻게 들어갈지 생각해 보세요. 보드 크기에 비해 너무 복잡한 부품을 선택하면 설계에 더 많은 시간을 소비하고 제조에 더 많은 비용을 지출하게 됩니다.
신중한 스택업 계획
HDI 보드에서 레이어를 배열하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 일반적인 스타일은 다음과 같습니다:
- 1-HDI: 상단과 하단에 마이크로비아가 한 층씩 있고 코어에 매립형 비아가 포함되어 있습니다.
- 2-HDI(비스택): 서로 겹치지 않는 두 개의 마이크로비아 층이 있습니다.
- 스택형 2-HDI: 마이크로비아는 서로 바로 위에 놓여 있습니다. 레진이나 구리로 채울 수 있습니다.
균형이 맞는 스택업을 선택해야 합니다. 스택업이 대칭이 되지 않으면 가열 과정에서 보드가 휘어지거나 구부러질 수 있습니다. 좋은 스택업은 “수율”(제대로 만들어진 보드의 비율)을 향상시킵니다.
적절한 간격 사용
구성 요소를 너무 가깝게 배치하면 “전자파 간섭”(EMI)이 발생할 수 있습니다. 이는 한 와이어의 전기 신호가 다른 와이어로 누출될 때 발생합니다. 또한 “기생 커패시턴스'가 발생하여 신호 속도가 느려질 수 있습니다.
스트레스와 EMI를 최소화하기 위해 구성 요소의 간격을 두어야 합니다. 동시에 조립 및 수리를 위한 충분한 공간이 있는지 확인하세요. 부품이 너무 가까우면 문제가 발생했을 때 납땜하거나 수리하기가 매우 어렵습니다.
신호 무결성(SI)에 집중
신호 무결성은 전선의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전기 신호가 깨끗하게 유지되도록 하는 것입니다. 신호를 강력하게 유지하려면:
- 비아의 “종횡비'를 정확하게 유지하여 구리 도금이 두껍고 균일하게 이루어지도록 합니다.
- 아주 작은 마이크로비아를 사용하여 “스텁” 길이(흔적에 매달려 있는 여분의 구리)를 줄이세요.
- 신호 경로를 짧게 유지하려면 작은 부품을 서로 가까이 배치하세요.
- 매립형 및 블라인드 비아를 펼쳐 보드 재료에 가해지는 물리적 스트레스를 줄입니다.
고급 디자인 도구 사용
HDI PCB를 설계하는 것은 기본 소프트웨어로는 너무 어렵습니다. 제조업체와 설계자는 전문 CAD(컴퓨터 지원 설계) 및 CAM(컴퓨터 지원 제조) 소프트웨어가 필요합니다. 또한 “레이저 직접 이미징”(LDI)을 사용하여 보드에 미세한 선을 그립니다. 공차가 매우 작기 때문에 작업자의 경험도 기계만큼이나 중요합니다.
산업 전반에 걸친 혜택
HDI 보드는 전자기기의 성능을 향상시키기 때문에 사용됩니다. 에서 찾을 수 있습니다:
- 컴퓨터: 더 빠른 데이터 처리를 위해.
- 스마트폰: 주머니 크기의 디바이스에 더 많은 기능을 담을 수 있습니다.
- 의료 기기: 의사를 위해 장비를 더 작고 휴대하기 쉽게 만들었습니다.
HDI 프로젝트의 성공 여부는 레이아웃을 얼마나 잘 계획하고 제조업체와 얼마나 잘 협력하느냐에 달려 있습니다. 이 팁을 따르면 안정적이고 비용 효율적인 고성능 보드를 만들 수 있습니다.
