전자제품 제조업체들은 다층 인쇄회로기판 (PCB)를 사용하면 회로를 더 작은 공간에 구현할 수 있습니다. 이를 통해 기판의 윗면에 더 많은 부품을 배치할 수 있을 뿐만 아니라, 내부 레이어에 트레이스를 배치할 공간도 확보할 수 있습니다. 비아(via)는 서로 다른 레이어 간에 전기적 연결을 형성할 수 있는 유일한 방법입니다. 비아는 기판 설계의 핵심 요소이지만, 납땜 방식에 변화를 주고 취약점을 유발할 수도 있습니다. 이러한 취약점은 기판 전체의 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다. 하지만 설계자가 올바른 설계 규칙을 준수한다면, 비아를 사용하면서도 신뢰성 높은 PCB를 제작할 수 있습니다.
비아란 무엇인가요?
비아(via)는 PCB에 있는, 하나 이상의 층을 관통하는 구멍입니다. 제조사는 이 구멍을 구리로 도금하여 통 모양을 만듭니다. 이 통의 양 끝은 각 층의 특정 트레이스에 연결됩니다. 이를 통해 두 층 사이에 전기적 접촉이 이루어집니다. 비아가 여러 내부 층을 가로지르는 경우, 회로에 필요할 때 해당 내부 층들도 비아에 연결될 수 있습니다.
비아에는 주로 스루 비아, 매립 비아, 블라인드 비아의 세 가지 유형이 있습니다.
- 스루 비아는 기판의 전체 두께를 관통합니다. 스루 비아는 최상층에서 시작하여 최하층에서 끝납니다. 제조사는 필요에 따라 스루 비아에 도금을 할 수도 있고 하지 않을 수도 있습니다. 회로에 필요한 경우, 도금된 스루 비아를 통해 다른 내부 층들이 해당 회로와 연결될 수 있습니다.
- 매립 비아는 두 개 이상의 내부 레이어를 관통합니다. 이 비아는 표면이나 밑면에서 보이지 않습니다. 회로에 필요할 경우, 매립 비아가 관통하는 레이어들은 해당 회로와 연결될 수 있습니다.
- 블라인드 비아는 최상층이나 최하층에서 시작하여 내부 층에서 끝납니다. 이 과정에서 여러 내부 층을 가로지르며, 필요에 따라 해당 층들과 연결될 수 있습니다.
고밀도 상호연결(HDI) PCB와 플렉시블 PCB에는 마이크로비아라고 하는 또 다른 종류의 비아가 사용됩니다. 마이크로비아는 크기가 매우 작습니다. 제조업체는 레이저를 사용하여 이를 뚫습니다. 각 마이크로비아는 일반적으로 한 층만을 관통합니다. 제조업체는 마이크로비아를 서로 겹쳐 쌓아 스루 비아, 블라인드 비아 또는 매립 비아와 같은 역할을 하도록 할 수 있습니다.
크기별
비아의 직경이 클수록 강도와 전도성이 높아집니다. 직경이 큰 비아는 기계적 강도도 더 높습니다. 또한 더 많은 전류를 전달하고 열을 더 잘 방출합니다. 하지만 큰 비아를 사용하면 기판의 유효 면적이 줄어듭니다. 이로 인해 공간이 협소한 경우 배선 작업이 더 어려워질 수 있습니다.
일반적인 실무 지침으로는 최소 드릴 직경 20 mil, 7 mil의 환형 링, 그리고 최대 종횡비 6:1을 적용하는 것입니다. 여기서 종횡비는 기판 두께를 구멍 직경으로 나눈 값입니다. 이러한 값 범위 내에서 제작하면 비아를 더 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 다양한 용도에서 더 높은 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
열 및 기계적 응력
PCB가 가공 중이나 사용 중에 가열되면, 구리와 라미네이트 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 응력이 발생할 수 있습니다. PCB의 라미네이트 구조는 기판 평면 내에서의 팽창을 제한하지만, 기판은 두께 방향으로 더 자유롭게 수축하거나 팽창할 수 있습니다. 즉, 수직 방향에서 더 큰 변화가 나타날 수 있습니다.
예를 들어, FR4 라미네이트는 구리보다 약 4배 빠르게 팽창하거나 수축합니다. 따라서 기판이 가열될 때마다 비아 내부의 구리 배럴은 상당한 응력을 받게 됩니다. 구리 배럴의 두께가 충분하지 않은데다 PCB 두께가 두꺼운 경우, 기판이 팽창하여 구리가 파손될 수 있습니다. 20 mil 드릴의 경우, 34 mil 패드 직경이 적합합니다. 이러한 패드와 적절한 배럴 두께를 적용할 때, 신뢰성 확보를 위해 기판 두께를 최대 120 mil로 제한하는 것이 합리적인 관행입니다.
납땜 위킹 현상과 그 영향
비아를 배치하는 위치는 그 크기만큼이나 중요합니다. 비아를 패드에 너무 가까이 배치하면 납땜 문제가 발생할 수 있습니다. 주요 문제는 납땜 위킹 현상입니다.
비아와 패드 위의 솔더 페이스트를 가열하면, 모세관 현상에 의해 패드의 솔더가 비아 배럴 안으로 빨려 들어갑니다. 솔더는 비아를 통과하여 바닥에 모이게 됩니다. 이로 인해 패드에는 솔더가 너무 적게 남거나 아예 남아 있지 않게 됩니다. 비아의 크기가 클수록 솔더를 더 빠르고 더 많이 흡수합니다. 솔더가 너무 적은 접합부는 기계적 강도가 약해지고 전기 저항이 높아질 수 있습니다.
다음은 솔더 위킹을 방지하는 세 가지 일반적인 방법입니다. 각 방법 모두 효과적입니다.
- 솔더 마스크 댐:
비아와 패드 사이에 솔더 마스크 층을 배치하십시오. 이 마스크는 장벽 역할을 하여 비아 내부로 솔더가 유입되는 것을 방지합니다. 충분히 넓은 마스크 댐을 배치하기 위해 설계자는 비아를 패드에서 더 멀리 이동시켜야 할 수도 있습니다. 기판의 배선 밀도가 이미 높거나 고주파 신호를 전달하는 경우, 비아를 이동시키는 것이 불가능할 수도 있습니다. - 비아 텐팅:
비아를 이동하거나 마스크 댐을 추가할 수 없는 경우, 비아에 텐팅을 적용할 수 있습니다. 텐팅이란 비아 상단이 완전히 밀봉되도록 솔더 마스크로 비아를 덮는 것을 의미합니다. 비아를 완전히 밀봉하면 솔더가 비아 안으로 흘러 들어가는 것을 막을 수 있습니다. 하지만 이로 인해 비아를 테스트 포인트로 사용할 수 없게 됩니다. 또한, 텐팅이 완벽하게 이루어지지 않은 경우 시간이 지남에 따라 오염 물질이 텐팅된 비아 내부로 침투하여 구리 배럴을 부식시킬 수 있습니다. - 비아 채우기:
비아 위에 도금하기 전에 비아를 완전히 채울 수 있습니다. 충진재는 전도성 또는 비전도성일 수 있습니다. 완전히 밀봉된 충진 비아는 오염 물질에 대한 차단 효과가 더 뛰어납니다. 또한 충진은 조립 시 솔더 위킹 현상의 위험을 줄여줍니다. 충진 비아는 BGA 아래와 같이 조립을 위해 평평한 표면이 필요하거나, 더 나은 열적 또는 기계적 성능이 요구되는 경우에 흔히 사용됩니다.
각 방법을 언제 사용해야 하는가
- 비아 위치를 약간 조정할 수 있고 기판에 여유 공간이 있다면 솔더 마스크 댐을 사용하세요. 이는 비용이 적게 드는 해결책이며 많은 기판에 적용할 수 있습니다.
- 공간이 협소하고 비아(via)를 테스트 포인트로 사용하지 않는 것을 감수할 수 있는 경우에는 텐팅을 사용하십시오. 텐팅은 필링보다 비용이 저렴하지만, 습기 및 오염에 대한 장기적인 보호 효과에는 한계가 있습니다.
- 최상의 결과를 얻으려면 충전 비아를 사용하십시오. 충전 비아는 비용이 더 들지만, 조립 시 평평한 상단면을 제공하며 납땜 잔여물과 이물질이 유입되는 것을 방지합니다. 기판을 대량으로 제작하거나, 기판이 열악한 환경에서 장기간 사용되어야 하는 경우, 충전 비아를 선택하는 것이 좋습니다.
기타 신뢰성 요인
비아는 설계의 다른 부분에도 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 비아는 열 전달 경로를 변경하거나 응력이 집중되는 지점을 생성할 수 있습니다. 비아가 열 방출부나 열원 근처에 위치할 경우, 기판 내 열 흐름 방식이 달라집니다. 이는 부품의 수명에 영향을 미칠 수 있으며, 부품의 냉각 효율에도 변화를 줄 수 있습니다.
고속 트레이스나 RF 트레이스 근처에 위치한 비아 역시 임피던스 변화를 일으킬 수 있습니다. 비아 배럴과 비아 패드는 정전용량과 인덕턴스를 증가시킵니다. 설계자는 비아가 중요 경로에 위치할 경우 신호 무결성을 반드시 확인해야 합니다. HDI 그리고 마이크로비아는 크기가 작고, 올바르게 배치될 경우 고속 신호에 미치는 영향이 적기 때문에 이 점에서 도움이 됩니다.
열 사이클을 많이 거치게 될 제품이나 엄격한 신뢰성 테스트를 통과해야 하는 제품의 기판을 제작할 때는, 비아(via)가 시간이 지남에 따라 어떻게 변할지 미리 계획해야 합니다. 가능하면 더 두꺼운 배럴 도금을 사용하십시오. HDI 설계 시 단일 배럴에 가해지는 응력을 줄이기 위해 적층형 또는 엇갈린 배열의 마이크로 비아를 사용하십시오. 리플로우 공정이나 열 사이클링 중에 기판이 구리에 과도한 응력을 가하지 않도록 적절한 패드 크기를 사용하십시오.
HDI 및 플렉시블 기판용
HDI 기판 및 유연한 PCB 마이크로비아를 많이 사용합니다. 마이크로비아는 크기가 작고 인덕턴스가 낮습니다. 이는 고속 및 고밀도 레이아웃에 도움이 됩니다. 각 마이크로비아는 대개 하나의 내부 레이어에만 연결됩니다. 제조사들은 레이저 드릴을 사용하여 마이크로비아를 제작합니다. 마이크로비아를 적층하여 좁은 영역 내에서 여러 레이어를 연결할 수 있습니다. 적층된 마이크로비아는 블라인드 비아나 매립 비아와 같은 역할을 하며, 다른 레이어에서 배선 공간을 확보하는 데 도움이 됩니다.
플렉시블 기판의 경우, 비아를 올바르게 배치하지 않으면 비아 주변의 기계적 휨으로 인해 배럴이 손상될 수 있습니다. 휨이 발생하는 영역에서는 비아가 주요 굽힘 선에 위치하지 않도록 주의하십시오. 기판이 굽혀질 때 균열이 발생할 위험을 줄이기 위해 특수한 비아 설계와 재료 취급 방법을 적용하십시오.
실용적인 규칙과 예시
- 최소 드릴 직경: 20 mil. 이는 표준 생산에서 일반적으로 적용되는 최소 기준입니다. 이보다 작은 드릴의 경우 특수 공정이 필요하며 비용이 더 많이 듭니다.
- 환형 링: 7 mil. 이를 통해 구멍 주위에 안정적인 연결과 납땜에 충분한 구리 두께가 확보됩니다.
- 종횡비: 6:1로 제한하십시오. 이렇게 하면 도금 품질을 높게 유지할 수 있습니다. 기판 두께가 구멍 크기에 대한 권장값보다 두꺼우면 배럴 도금층이 얇아져 도금 불량이 발생할 수 있습니다.
- 예: 드릴 직경이 20 mil인 경우, 패드 직경을 약 34 mil로 설정하십시오. 이렇게 하면 충분한 환형 링이 확보됩니다. 두께가 120 mil 이하인 기판의 경우, 이 조합은 많은 공장에서 적용 가능합니다.
이 규칙들을 기본 지침으로 삼으세요. 공장마다 허용 한도가 약간씩 다를 수 있습니다. 보드 제조사와 미리 상의하여, 설계 선택 사항을 해당 제조사가 안정적으로 구현할 수 있는 범위와 맞출 수 있도록 하세요.
조립 및 테스트 시 고려 사항
텐팅이나 필을 사용하는 경우, 테스트를 고려해야 합니다. 텐팅 처리된 비아는 프로브 포인트로 사용할 수 없습니다. 필 처리된 비아의 경우, 생산 과정에서 필 처리와 상부 도금 공정이 올바르게 이루어진다면 여전히 테스트가 가능합니다. 테스트가 중요하다면, 조립 공정에 적합한 테스트 패드, 테스트 비아 또는 기타 테스트 전략을 계획해야 합니다.
솔더 패드 근처에 비아를 배치할 때는 솔더 공정을 고려해야 합니다. 대형 BGA 아래에 비아를 많이 사용하는 경우, 비아를 채우고 도금한 다음 BGA가 평평한 표면 위에 위치하도록 하는 것을 고려해 보십시오. 이렇게 하면 솔더 공극 발생 가능성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 열 확산에도 도움이 됩니다.
청결 및 부식
비아에는 플럭스, 수분 및 기타 오염 물질이 끼일 수 있습니다. 이는 텐트형 비아가 완벽하게 형성되지 않았거나, 열 사이클 동안 수분을 내부로 유입하거나 외부로 배출하는 열 전달 경로로 비아를 활용할 때 문제가 더욱 심각해집니다. 설계상 필요한 경우, 조립 후 철저한 세척을 실시하십시오. 예상되는 환경에서 부식에 강한 신뢰할 수 있는 소재와 표면 처리를 사용하십시오. 충전 비아는 오염 물질의 유입을 차단하므로 이 점에서 도움이 됩니다.
결론
비아는 다층 PCB에 필수적입니다. 비아를 통해 더 많은 부품을 배치하고 복잡한 회로망을 배선할 수 있습니다. 하지만 비아는 납땜의 거동에도 영향을 미치며, 기계적 및 열적 응력 지점을 발생시킵니다. 적절한 설계 규칙을 준수하고 프로젝트 초기 단계에서 올바른 선택을 함으로써 이러한 위험을 줄일 수 있습니다.
설계자는 설계 초기 단계부터 신뢰성을 고려해야 합니다. 신뢰성 연구를 수행하면 성공 확률을 높이고, 제품 수명 주기 동안의 비용을 절감하며, 시장 출시 기간을 단축하고, 고객 만족도를 향상시킬 수 있습니다. 훌륭한 신뢰성 설계를 위해서는 적합한 인력, 적절한 도구, 그리고 충분한 시간이 필요합니다. 제조업체 및 조립 업체와 협력하여 비아의 유형, 크기, 배치 및 처리 방법을 계획하십시오. 각 방법에 적합한 경우 솔더 마스크 댐, 텐팅 또는 비아 충진 기법을 사용하십시오. 도움이 될 경우 HDI 및 플렉스 설계에 마이크로비아를 활용하십시오.
