HDI PCB | 설계 기본 및 제조 공정

소형화는 모든 것을 바꿔 놓았습니다. 더 많은 층, 더 미세한 트레이스, 더 좁은 간격. 하지만 표준 PCB는 따라잡을 수 없습니다.

HDI(고밀도 인터커넥트)를 소개합니다. 이 보드는 마이크로비아, 얇은 유전체, 그리고 고급 라미네이션 기술을 사용하여 복잡한 신호를 컴팩트한 공간에 라우팅합니다. 스마트폰, RF 모듈, 의료용 임플란트, 그리고 첨단 운전자 보조 시스템에 사용됩니다. 단순히 크기가 작은 것이 아니라, 더욱 스마트한 라우팅, 향상된 신호 무결성, 그리고 더욱 높은 신뢰성을 제공합니다.

이 가이드에서는 HDI PCB와 마이크로비아 구조를 분석하고 이 기술이 현대 고성능 전자 장치의 원동력이 되는 이유를 설명합니다.

 

 

  

  

HDI PCB란 무엇입니까?

HDI는 고밀도 상호 연결(High Density Interconnect)의 약자입니다. 하지만 단순히 소형 회로 기판을 넘어, 성능 저하 없이 더 적은 공간에 더 많은 기능을 집적하는 데 사용되는 첨단 설계 전략입니다. 이 기판은 마이크로비아, 블라인드 및 매립 비아, 초박형 유전체, 그리고 여러 겹의 적층 구조를 사용하여 매우 높은 밀도의 라우팅을 구현합니다.

일반 소비자 기기에서는 찾아볼 수 없는 기술입니다. 고밀도 상호 연결 PCB는 고성능 시스템에 필수적입니다. 항공우주 제어, 5G 모듈, LiDAR 시스템, 신경 임플란트, 군용 통신 등이 그 예입니다. 크기, 속도, 안정성이 중요한 모든 곳에 HDI가 사용됩니다.

이 PCB는 0.5mm 미만의 미세 피치 부품을 처리하도록 설계되었습니다. 덕분에 더욱 견고한 연결, 빠른 신호 전송, 그리고 전자기 간섭 감소가 가능합니다. 기존 PCB는 이러한 수준의 복잡성을 감당할 수 없습니다.

단순히 공간 절약만을 위한 것이 아닙니다. HDI PCB 기술은 신호 손실을 줄이고, 전력 공급을 개선하며, 더 빠른 스위칭 속도를 지원합니다. AI, 엣지 컴퓨팅, 그리고 소형 센서 시스템이 주도하는 세상에서 HDI는 차세대 지능형 전자 기기에 내부에서 외부로 조용히 동력을 제공하는 필수적인 인프라로 자리 잡았습니다.

HDI PCB의 구조

이제 HDI 보드가 다른 보드와 어떻게 다른지 이야기해 보겠습니다.후드를 살펴보세요. 기존 PCB는 큰 기계적 드릴 비아와 비교적 넓은 트레이스를 사용합니다. HDI PCB는 다음을 사용합니다.

•  레이저로 뚫은 마이크로비아,

•  더 좁은 트레이스 간격,

•  그리고 적층형 기술.

전체 구조는 모든 제곱밀리미터를 최적화하도록 설계되었습니다. 그 이유는 분명합니다. 더 많은 I/O, 더 작은 부품, 그리고 더 빠른 신호 속도에 대한 요구 때문입니다.

레이어 구조

일반적인 HDI PCB는 1+N+1 구조를 따릅니다.

   

•  "N"은 코어 레이어의 수입니다.

•  양쪽의 "1"은 마이크로비아로 연결된 바깥쪽 HDI 층입니다.

여기서 끝나지 않습니다. 고급 HDI 레이아웃은 2+N+2를 사용합니다. 다음과 같은 특징이 있습니다.

  

•  상단에 HDI 레이어 2개, 하단에 HDI 레이어 2개.

•  라우팅 채널이 더 많아졌습니다. 숨 쉴 공간도 더 넓어졌습니다.

아직도 부족하신가요? 3+N+3, 또는 그 이상으로 확장할 수 있습니다. 확장 가능한 접근 방식입니다. 디자인에 실제로 필요할 때만 레이어를 추가하기 때문에 비용(그리고 골치 아픈 문제)을 효율적으로 관리할 수 있습니다.

ELIC(Every Layer Interconnect)라고도 불리는 모든 레이어 HDI는 이러한 한계를 극복합니다. 마이크로비아는 이제 두 레이어를 직접 연결할 수 있으므로 단계별로 연결할 필요가 없습니다. 라우팅 효율이 엄청나게 높아집니다. 스마트폰의 모든 성능을 신용카드보다 작은 보드에 담을 수 있는 방법입니다.

이 보드는 순차적 라미네이션 방식으로 제작됩니다. 즉, 라미네이션, 드릴링, 도금, 그리고 이 과정을 한 겹 한 겹 반복하는 방식입니다. 이를 통해 고밀도 내부 회로 간의 초정밀 연결이 가능합니다.

구조에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

•  코어 레이어: 일반적으로 FR-4 또는 고성능 라미네이트입니다.

•  프리프 레그: 구리 층을 결합하는 수지가 함침된 유리 섬유 시트입니다.

•  동박: 신호 추적 및 평면용.

•  마이크로비아: 직경 150마이크론 미만의 레이저 드릴 구멍에 구리 도금을 합니다.

이 모든 요소들이 모여 0.4mm 피치 이하의 BGA(볼 그리드 어레이)를 지원합니다. 기존 비아 기술로는 거의 불가능한 일입니다.

핵심은 HDI가 단순히 크기를 줄이는 것이 아니라, 컴팩트한 레이아웃에서 안정적인 성능을 구현하는 것입니다. 이를 위해서는 완벽한 레이어 정렬, 일관된 비아 플레이팅, 그리고 제조 과정의 정밀한 정렬이 필요합니다.

HDI PCB 스택업

디자이너들은 종종 이렇게 말합니다. "스택업이 잘못되면 레이아웃이 아무리 좋더라도 보드가 고장난다"고요.

HDI PCB 스택업은 단순히 구리와 유전체 층을 배열한 것이 아닙니다. 이는 정교하게 설계된 전기적 구조입니다. 각 층은 신호, 전원, 접지, 차폐 등 각 기능을 수행하며, 비아 전략은 이 모든 것을 하나로 연결합니다.

단순화된 HDI 스택업을 살펴보겠습니다.

1. 상단 신호 계층

2. 유전체(프리프레그)

3. 접지면

4. 핵심

5. 파워 플레인

6. 유전체

7. 하단 신호층

간단해 보이죠? 꼭 그렇지는 않습니다. HDI 설계에서 마이크로비아와 블라인드/매립 비아는 특정 층 사이에 수직 연결을 생성합니다. 1층에서 2층까지는 하나의 비아가 있고, 3층에서 5층까지는 별도의 매립 비아가 있을 수 있습니다. 또는 1층에서 6층까지 이어지는 적층 비아가 있을 수도 있습니다.

이러한 선택은 무작위로 이루어진 것이 아닙니다. 이는 다음을 기반으로 합니다.

•  신호 타이밍 요구 사항

•  임피던스 제어

•  크로스토크 최소화

•  전력 분배 및 분리 전략

DDR4, USB 3.0, HDMI와 같은 고속 디지털 설계의 경우, 전용 스트립라인 또는 마이크로스트립 임피던스 제어 트레이스가 특정 레이어에 내장된 것을 흔히 볼 수 있습니다. 그리고 이 모든 것이 두께가 0.8mm에 불과한 보드에 집적되어 있습니다.

고급 HDI PCB 스택업에는 다음이 포함될 수 있습니다.

•  여러 개의 묻힌 비아 레이어

•  수지코팅 구리박

•  채워지고 캡핑된 via-in-pad 구조

•  특정 전기적 또는 열적 특성을 위한 하이브리드 재료

실제 사례: 모바일 프로세서 PCB는 총 3개의 레이어, 적층된 마이크로비아, 레진으로 채워진 비아-인-패드를 사용하여 3mm BGA 피치를 지원하는 10+N+0.35 스택업을 사용할 수 있습니다.

핵심은? HDI PCB에서 스택업은 성능 도구이지 주기계적인 것입니다. 신호 무결성, EMI 동작, 심지어 제조 가능성까지 결정합니다.

HDI 보드용 적층 및 재료

이 시점에서 HDI 설계는 전체 과정의 절반에 불과하다는 것이 분명해졌습니다. 제조는 또 다른 핵심입니다. HDI 기판은 순차적인 라미네이션 사이클을 통해 제작됩니다. 즉, 적층 공정을 한 번에 하나씩 진행하여 프레스, 드릴링, 도금, 본딩을 합니다. 각 라미네이션은 마이크로비아와 매립형 비아를 통한 새로운 라우팅 옵션을 추가합니다. 하지만 공정만큼이나 중요한 것은 소재입니다.

HDI PCB의 일반적인 재료:

•  FR-4(고 Tg 변형): 중간 속도 설계에 적합하며 저렴하고 안정적입니다.

•  폴리이 미드: 항공우주 및 방위 산업에 적합한 뛰어난 열 안정성을 제공합니다.

•  로저스, 이솔라, 파나소닉 메그트론: 고속 RF/마이크로파 HDI 애플리케이션에 사용됩니다.

•  할로겐 프리 또는 무연 라미네이트: 엄격한 환경 기준을 충족합니다.

HDI와 호환되는 재료는 무엇입니까?

•  높은 유리 전이 온도(Tg)

•  낮은 Z축 확장

•  신호 무결성을 위한 엄격한 Dk/Df 허용 오차

•  주파수 및 온도에 따른 안정적인 유전 특성

레이저 드릴링에는 또한 마이크로비아의 가장자리가 이물질이나 언더컷 없이 온전하게 유지되도록 깨끗한 절삭 거동을 가진 소재가 필요합니다. 레진 시스템은 라미네이션 과정에서 원활하게 유동해야 하지만, 높은 강성을 유지해야 합니다.

간단히 말해, 소재 선택은 단순히 비용만을 고려하는 것이 아닙니다. 드릴링 성능, 신뢰성, 그리고 RF 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

HDI PCB의 주요 이점

이 제품의 특징은 다음과 같습니다.

1. 컴팩트 한 크기

HDI PCB는 더 작은 보드 면적에 더 높은 배선 밀도를 제공합니다. 이는 웨어러블, 이식형 기기, 또는 엣지 AI 모듈과 같은 기기를 설계할 때 매우 중요합니다. 과대형 트레이스나 풀 뎁스 비아를 위한 공간이 없습니다. 마이크로비아와 미세 배선을 사용하면 피처를 손상시키지 않고도 크기를 줄일 수 있습니다. 사각지대도 없고, 낭비되는 공간도 없습니다. 효율적인 레이아웃만 있으면 됩니다.

2. 향상된 신호 무결성

더 짧은 신호 경로. 더 적은 스터브. 더 나은 임피던스 제어. 마이크로비아는 인덕턴스를 줄여 더 깨끗한 고속 신호 전송을 가능하게 합니다. DDR, PCIe, USB 3.2 또는 HDMI 신호를 라우팅할 때 매우 중요한 요소입니다.

3. 레이어 수 최적화

12층 기판이 필요하신가요? HDI를 사용하면 8층 기판으로도 제작할 수 있습니다. 자재 비용 절감, 기판 두께 감소, 라미네이션 간소화를 기대할 수 있습니다. 적층형 마이크로비아는 효율적인 층 사용에 도움이 되므로 레이아웃을 콤팩트하고 효율적으로 유지할 수 있습니다.

4. 크로스토크 및 EMI 감소

비아가 작을수록 결합력이 더 강해집니다. 즉, 루프 면적이 줄어들고 방사 노이즈가 감소합니다. HDI는 의료, 항공 전자, 자동차 애플리케이션처럼 전자파 적합성(EMC)이 중요한 경우에 이상적입니다.

5. 열 및 전력 관리

마이크로비아-인-패드(Microvia-in-pad) 설계는 열 방출을 개선합니다. 또한, 더 넓은 배선 공간은 디커플링 커패시터 배치를 개선하여 전력 공급을 직접적으로 향상시킵니다.

6. 기계적 강도

드릴링 감소. 큰 관통 구멍 없음. 구리 균형 개선. HDI 보드는 진동 및 열 사이클링에 대한 견고성이 더욱 우수하며, 이는 방위, 항공우주 및 전기 자동차 분야에서 중요한 고려 사항입니다.

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HDI PCB의 일반적인 사용법

HDI 기술은 가전제품에만 국한되지 않습니다. 모든 곳에 존재합니다. HDI가 숨겨진 곳에서 활약하는 곳은 다음과 같습니다.

1. 스마트폰 및 태블릿

공간은 적입니다. HDI PCB는 성능 저하 없이 CPU, RAM, 카메라, 배터리를 세련된 케이스에 담을 수 있도록 도와줍니다. 대부분의 최신 스마트폰에는 10개 이상의 레이어로 구성된 ELIC HDI 보드가 탑재되어 있습니다.

2. 의료 기기

이식형 제세동기, 착용형 혈당 측정기, 휴대용 심전도(ECG). 이러한 제품들은 초소형 폼팩터와 엄격한 신뢰성을 요구하며, HDI는 이를 가능하게 합니다.

3. 자동차 전자

ADAS, 인포테인먼트, LiDAR 제어 보드, 전기차 배터리 관리 시스템(BMS) 모두 HDI 레이아웃의 이점을 누릴 수 있습니다. 특히 자율주행 기능이 증가함에 따라 신호 무결성과 소형화는 필수적입니다.

4. 네트워킹 장비

라우터, 스위치, 기지국에는 고속 데이터 라우팅, 정밀한 임피던스 제어, EMI 감소를 위해 HDI 보드가 필요합니다.

5. 군사 및 항공 우주

방위 등급 레이더 모듈, 항공 전자 프로세서, 항법 제어 장치는 극한 환경에서도 HDI의 내구성과 신호 선명도를 활용합니다.

HDI PCB 설계 지침

HDI 보드 설계는 과학과 예술이 공존하는 분야입니다. 단순히 트레이스를 배치하는 것이 아니라, 전자기적 거동, 열 팽창, 제조 가능성 제약 조건 등 물리적인 요소들을 관리하는 것입니다. 그렇기 때문에 HDI 레이아웃은 특별한 주의가 필요합니다.

HDI PCB 설계에서 가장 중요한 사항은 다음과 같습니다. 

1. 선택 전략을 통해

•  마이크로비아: 인접한 두 층을 연결하는 데 사용합니다. 꼭 필요한 경우가 아니면 3층 이상 쌓지 마세요.

•  스태거드 vs 스택드: 계단형 마이크로비아는 더 안정적이지만, 적층형은 BGA가 더 좁게 빠져나갈 수 있습니다.

•  매장 된 비아: 안쪽 층에 격리하여 보관하세요. 경로 문제를 방지하려면 위치를 미리 계획하세요.

2. Via-in-Pad 디자인

고밀도 BGA 패키지, 특히 피치가 0.5mm 미만일 때 사용됩니다. 이러한 비아는 솔더 위킹을 방지하기 위해 적절하게 충진, 도금 및 평탄화되어야 합니다.

모든 제조업체가 이를 잘 할 수 있는 것은 아닙니다. 구매 전에 HDI PCB 제조업체에 문의하십시오.

3. 추적 및 공간 규칙

•  트레이스 폭: HDI의 경우 대개 3~4백만 사이입니다.

•  간격: 가능하다면 크로스토크를 줄이기 위해 신호 추적 간격을 추적 너비의 ≥2배로 유지하세요.

•  제어된 임피던스의 경우 Polar Si9000과 같은 필드 솔버나 도구를 사용하여 스택업을 시뮬레이션합니다.

4. 종횡비 고려 사항

마이크로비아는 종횡비가 1:1 미만으로 낮습니다. 따라서 층간 깊이가 중요합니다.

한 곳에 마이크로비아를 너무 많이 배치하지 마십시오. 레진 보이드가 생기거나 구리 도금이 고르지 않을 수 있습니다.

5. Via Fill 및 신뢰성

충전 및 캡핑된 비아는 적층 구조에 필수적입니다. IPC 표준에 따라 레진 충전 또는 전기도금 충전을 사용하십시오.

불완전한 via fill = 신뢰성 문제 = 현장에서 보드 실패.

6. DFM 및 DFA 확인

테이프아웃 전에 다음 사항을 확인하세요.

•  드릴 등록

•  솔더 마스크 정렬

•  구리-구리 간극

•  열 완화

•  텐팅이나 캡핑을 통해

목표는? 최소한의 수정만으로 제작 가능한 디자인을 만드는 것입니다.

HDI PCB 제조 공정

HDI 보드 제조는 일반 PCB와는 전혀 다릅니다. 여러 단계로 구성되고 정밀하며 매우 순차적입니다.

단순화된 흐름은 다음과 같습니다.

1. 내부 레이어 이미징 및 에칭: 내부 구리 층은 광석판 인쇄를 사용하여 패턴화됩니다.

2. 코어 적층: 에칭된 코어는 프리프레그와 구리 호일로 적층됩니다.

3. 레이저 드릴링(마이크로비아): 레이저는 최상층에 0.15mm 미만의 비아를 뚫습니다. 일반적으로 UV 또는 CO2 레이저가 사용됩니다.

4. 얼룩 제거 및 구멍 청소: 플라스마 세척은 안정적인 도금을 위해 이물질이 없는 구멍을 보장합니다.

5. 무전해 구리 증착: 전도성을 위해 마이크로비아 내부에 얇은 구리 층이 증착됩니다.

6. 전기 도금 : 추가 구리는 벽 두께를 늘리기 위해 도금됩니다.

7. 외층 이미징 및 에칭: 최상단 신호층이 생성됩니다. 미세한 트레이스가 패턴화됩니다.

8. 순차적 적층: 필요에 따라 추가 레이어를 추가하고 HDI 사이클마다 3~7단계를 반복합니다.

9. Via Fill & Planarization: 비아인패드 구조는 에폭시 수지로 채워지고 CNC를 통해 평탄화됩니다.

10. 솔더 마스크 및 표면 마감: ENIG 또는 OSP 표면 마감이 적용됩니다.

11. 핀모든 테스트: 마지막으로 전기 테스트를 통해 무결성을 검증합니다.

이 공정은 스택업 복잡성에 따라 여러 번의 램 사이클을 포함할 수 있습니다. 각 사이클은 비용과 시간을 발생시키므로 신중하게 설계해야 합니다.

HDI 라우팅의 비아 유형

HDI 보드에서 비아는 단순한 구멍이 아닙니다. 디자인 요소입니다.

빠른 분석은 다음과 같습니다.

스루홀 비아

위에서 아래로 이동합니다. 공간 낭비로 인해 HDI에서는 자주 사용되지 않습니다.

블라인드 비아

외부 레이어를 내부 레이어에 연결합니다. 표면 실장 부품 라우팅에 적합합니다.

매장 된 비아

완전히 안쪽 옷 안에만 입으세요. 바깥쪽 옷을 깨끗하게 유지하는 데 유용합니다.

마이크로비아

레이저 드릴링, 직경 150µm 미만. 인접한 층을 연결합니다. 인덕턴스가 낮아 HDI에 적합합니다.

누적 마이크로비아

서로 바로 위에 배치됩니다. 위에서부터 중심부까지 수직 연결이 가능합니다.

스태거드 마이크로비아

약간 오프셋되어 있습니다. 적층형보다 기계적으로 더 안정적입니다.

비아인패드

패드 바로 아래에 배치합니다. 초고밀도 BGA에 사용되며 유도 지연을 줄이는 데 도움이 됩니다.

각 유형은 비용, 제조 용이성, 신호 성능 측면에서 장단점이 있습니다. 따라서 레이아웃, 스택업, 부품 피치에 맞춰 선택해야 합니다.

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맺음말

HDI PCB는 오늘날 필수적입니다. 더 이상 단순한 선택이 아닌 표준입니다. 설계에 더 넓은 공간, 더 빠른 속도, 또는 더 나은 신호 무결성이 필요하다면 HDI가 해답입니다. 구조부터 적층까지, 세부적인 사항까지 이해하는 것이 성공의 핵심입니다.

스타트업이든 기존 팀이든, 올바른 디자인과 제작 방식이 중요합니다. 정밀함이 무엇보다 중요합니다.

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