비아의 구조와 제조 한계

참고

이 문서의 층위 — 기본 이론. 비아의 구조 값과 그 값이 무엇에 대응하는가를 다룬다. 전기적 성질은 등가 모델이, 고주파 거동은 고주파 거동이 소유한다. 부분의 이름은 비아란? §2 에서 정의했다.

1. 구조 파라미터

비아의 치수는 안쪽에서 바깥으로 결정된다. 드릴 지름이 서면 배럴 지름이 서고, 배럴에 애뉼러 링을 더하면 랜드 지름이 서고, 랜드에 여유를 더하면 안티패드 지름이 선다.

값	정의	무엇이 정하는가
드릴 지름	뚫는 홀의 지름	제조사의 최소 드릴 · 종횡비
마감 홀 지름	도금이 끝난 뒤 남는 홀의 지름	드릴 지름 − 도금 두께 × 2
배럴 길이	비아가 지나는 절연층 두께의 합	스택업(stackup) · 비아 종류
랜드 지름	층에서 배럴을 감싸는 동박 원판의 지름	마감 홀 + 애뉼러 링 × 2
안티패드 지름	잇지 않는 층에서 지운 동박의 지름	랜드 + 절연 여유

주의

드릴 지름과 마감 홀 지름은 다른 값이다. 도금이 홀 벽을 안쪽으로 좁히기 때문이다. 설계에서 “홀 지름”을 적을 때 둘 중 어느 쪽인지 밝히지 않으면 제조 데이터에서 도금 두께만큼 어긋난다.

2. 애뉼러 링

애뉼러 링은 드릴이 자기 자리를 벗어나도 랜드 안에 남아 있게 하는 여유다. 드릴 위치에는 언제나 오차가 있고, 그 오차가 애뉼러 링보다 크면 홀이 랜드 가장자리를 물어뜯는다. 이것을 브레이크아웃(breakout)이라고 한다.

애뉼러 링이 좁을 때	애뉼러 링이 넓을 때
드릴 위치 오차에 취약하다	오차를 흡수한다
브레이크아웃과 수율 저하	수율이 안정된다
배선 공간이 남는다	랜드가 커져 배선 공간을 먹는다

IPC-6012 는 완성 기판의 애뉼러 링을 등급으로 규정한다. 클래스 2 는 바깥 층에서 최소 0.05 mm 를 요구하고, 클래스 3 는 어느 자리에서도 링이 끊기는 것을 허용하지 않는다.

참고

애뉼러 링은 설계자가 직접 정하는 값이 아니라 계산되는 값이다. 설계자가 정하는 것은 드릴 지름과 랜드 지름이고, 애뉼러 링은 그 차이의 절반이다. 그래서 랜드를 줄이는 결정은 언제나 애뉼러 링을 줄이는 결정이다.

3. 종횡비

종횡비(aspect ratio)는 비아의 깊이를 드릴 지름으로 나눈 값이다.

종횡비 = 배럴 길이 / 드릴 지름

이 값이 문제가 되는 이유는 도금 때문이다. 도금액은 홀 입구에서는 잘 순환하지만 깊은 홀의 중앙에서는 잘 순환하지 않는다. 그래서 입구는 두껍게, 중앙은 얇게 도금된다. 종횡비가 커질수록 그 편차가 커지고, 중앙이 지나치게 얇으면 열 충격에 배럴이 갈라진다.

종횡비	성질
낮다	도금이 고르다. 대신 홀이 굵어 배선 공간을 먹는다
표준 범위	대부분의 제조사가 문제없이 감당한다
높다	도금 공정에 특별한 관리가 필요하고 신뢰성 여유가 줄어든다

IPC-2221 은 관통 비아의 종횡비 8:1 을 기준선으로 두고, 그것을 넘으면 제조사와 협의하도록 규정한다. 설비에 따라 그보다 높은 값을 감당하는 제조사가 있으나 그 값은 제조사가 알려 주는 값이지 설계자가 정하는 값이 아니다.

4. 도금 두께

배럴의 동 두께는 전류 용량·저항·기계적 신뢰성을 함께 정한다. IPC-6012 는 홀 벽 동의 평균 두께를 등급으로 규정한다 — 클래스 2 는 20 µm, 클래스 3 는 25 µm 다.

이 값이 설계에 들어오는 자리는 셋이다.

자리	내용
전류 용량	전류가 지나는 단면적은 배럴의 고리 면적이다
마감 홀 지름	도금이 홀을 좁히므로 부품 리드가 들어갈 홀은 여유를 둔다
신뢰성	열 팽창으로 기판이 두께 방향으로 늘어날 때 배럴이 그것을 견딘다

5. 비아 보호 — 덮기와 채우기

비아를 뚫린 채로 둘지, 덮을지, 채울지는 별도의 결정이다. IPC-4761 은 이 처리를 일곱 형태로 규정한다.

형태	처리
I	솔더 마스크로 덮는다. 안은 비어 있다
II	덮은 뒤 마스크를 한 겹 더 올린다
III	비전도성 페이스트로 부분적으로 막는다
IV	막은 뒤 덮는다
V	비전도성 재료로 채운다
VI	채운 뒤 덮는다
VII	채운 뒤 동으로 덮어 막는다

각 형태는 한쪽만 처리하면 a, 양쪽을 처리하면 b 를 붙여 구분한다.

왜 채우는가는 세 가지 이유로 갈린다.

이유	내용
솔더가 빠지는 것을 막는다	패드 안 비아에서 용융 솔더가 배럴로 흘러 내려간다
세척액과 습기가 갇히는 것을 막는다	뚫린 배럴에 남은 액이 나중에 부식을 만든다
평탄한 면을 만든다	채우고 깎아 평탄화하면 그 위에 패드를 올릴 수 있다

6. 패드 안 비아

고밀도 부품에서는 패드 바깥으로 배선을 빼낼 자리가 없다. 그때 비아를 패드 안에 배치한다. 패드 안 비아(via in pad)라고 한다.

얻는 것	치르는 것
패드에서 곧장 안쪽 층으로 내려간다	채움·평탄화 공정이 추가된다
좁은 부품에서 배선 경로가 확보된다	비용이 오른다
배선 구간이 짧아 기생 인덕턴스가 준다	제조 난도가 오른다

주의

채우지 않은 비아를 패드 안에 배치하면 안 된다. 리플로 중에 용융 솔더가 배럴로 흘러 내려가 솔더 양이 부족해지고, 심하면 접합부가 빈다. IPC-4761 형태 VII(채운 뒤 동으로 덮기)이 이 자리의 표준 처리다.

7. 마이크로비아와 적층

마이크로비아는 지름이 아니라 규격이 정의하는 구조다. IPC-T-50 은 마이크로비아를 종횡비가 1:1 이하이고 전체 깊이가 0.25 mm 를 넘지 않는 블라인드 구조로 정의한다.

마이크로비아 한 개는 인접한 두 층만 잇는다. 더 깊이 내려가려면 여러 층에 걸쳐 이어 붙여야 하고, 그 방식이 둘로 갈린다.

방식	배치	성질
적층	위아래 비아를 같은 축에 쌓는다	배선 공간을 아끼지만 층 사이 접합면에 응력이 모인다
엇갈림	한 층씩 옆으로 어긋나게 배치한다	신뢰성 여유가 크지만 자리를 더 쓴다

적층 구조는 아래 비아를 동으로 채워야 그 위에 다음 비아를 올릴 수 있다. 그래서 적층을 쓰기로 하는 결정은 동 충전을 쓰기로 하는 결정과 같다.

8. 값의 대응

구조 값	늘리면	줄이면
드릴 지름	종횡비가 내려가고 도금이 고르다	배선 밀도가 오르고 종횡비가 오른다
랜드 지름	애뉼러 링 여유가 늘고 수율이 안정된다	배선 공간이 늘고 브레이크아웃 위험이 오른다
안티패드 지름	기생 커패시턴스가 준다	기준면(reference plane)의 연속성이 유지된다
도금 두께	전류 용량과 신뢰성이 오른다	마감 홀이 넓게 남는다

이 표의 양쪽이 모두 이득으로 보이는 것이 비아 설계의 성질이다. 어느 쪽도 공짜가 아니므로 값 하나를 정할 때 그것이 어느 축을 깎는지 함께 본다. 고주파에서 이 표가 어떻게 달라지는지는 고주파 거동 §4 가 다룬다.