빌드업 PCB이란?
빌드업 PCB은 여러 층으로 적층된 인쇄기판을 말합니다.
빌드업 PCB을 사용하면 작은 면적에 고밀도 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 빌드업 기판은 도체 층과 절연체 층이 여러 층으로 쌓여 있고, 층을 관통하도록 레이저로 구멍을 뚫고 배선 가공을 하여 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.
빌드업 기판의 등장
기판의 고밀도화에 따라 현재의 비아홀 구조만으로는 대응이 어려워졌습니다. 휴대전화의 발전으로 경량화, 소형화에 대응하는 기판이 필요하게 되었습니다. 빌드업 기판은 2000년경부터 등장하여 현재에 이르고 있습니다.
빌드업 기판은 유럽과 미국에서는 마이크로 비아(Micro-via)라는 방식으로 분류하고 있지만, 해외에서는 HDI(영문: HIGH density inter connection) Micro-via Laser-via라는 명칭으로 불리고 있습니다. 일본에서는 주로 빌드업이라는 명칭이 주류입니다. 빌드업 기판은 말 그대로 여러 층으로 적층되어 있는 인쇄기판을 말합니다.
보통 한 번의 적층(적층)으로 다층 기판을 만들 수 있는 곳을 여러 번 쌓아 올리기 때문에 공수나 비용이 증가하지만, 주로 아래 두 가지 이유로 활용도가 높아지고 있습니다.
1. 낭비되는 공간 감소
다층 기판에서 비아홀(구멍을 뚫어 다른 층과 연결하는 것)을 사용할 경우, 연결층 외에는 비아가 있기 때문에 배선을 할 수 없다. 따라서 다층 기판에서도 배선 효율이 떨어지게 됩니다.
2. 레이저로 작은 구멍을 뚫을 수 있다.
장비의 발전으로 드릴보다 레이저가 더 빠른 속도로 작은 구멍을 뚫을 수 있게 되었습니다. 드릴로 구멍을 뚫을 경우 아래층을 뚫고 들어가지만, 레이저의 경우 조건을 조합하면 수지에는 구멍을 뚫고 구리 위에서 가공을 멈출 수 있습니다.
따라서 다층화 후 레이저로 구멍을 뚫고 도금을 한 후 다음 층을 빌드업하여 레이저로 가공하는 공정을 쌓아 올리는(빌드업) 방식으로 비아홀의 면적을 효율적으로 사용하여 고밀도를 구현할 수 있습니다.
빌드업 기판을 사용하면 작은 면적에 고밀도의 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.
빌드업 기판의 사용 용도
빌드업 기판은 소형, 경량 전자기기에 광범위하게 사용되고 있습니다. 빌드업 기판이 실용화된 초기에는 PC와 휴대폰에 사용되었으나, 현재는 소형 계측기기, 스마트 미터 등 IoT 기기, 디지털 카메라 모듈, PC 주변기기 등에 사용되고 있습니다.
빌드업 기판 제조 공정의 홀 가공 등의 정밀도는 규격이 정해져 있어, 빌드업 기판 제작을 의뢰할 때 어느 정도의 정밀도로 의뢰할 것인지를 정확하게 선택해야 합니다.
빌드업 기판의 공정
빌드업 기판의 제조 공정으로는 절연체층 형성, 비아 가공, 스미어 제거, 비아 도금 등이 있습니다.
1. 빌드 업 층 형성
인쇄 회로 기판 위에 절연체 층을 쌓아 올립니다. 방법은 딱딱한 재료인 프리프 레그를 사용하는 경우 필름을 사용할 수 있습니다. 프리프레그는 디지털 카메라나 스마트폰의 반도체 패키지에 사용되는 경우가 많습니다.
2. 비아 가공
기판과 기판 사이의 절연체 층에 비아라는 구멍을 뚫는 공정입니다. 현재는 레이저를 이용해 구멍을 뚫는 것이 일반적입니다.
레이저도 탄산가스나 UV-YAG 등의 종류와 파장을 사용합니다. 탄산가스는 파장이 긴 적외선으로 디지털 카메라나 스마트폰에 많이 사용되며, UV-YAG는 파장이 짧은 자외선이기 때문에 반도체 패키지 기판과 같은 고밀도 영역에 사용됩니다.
3. 수지 잔여물 제거 (데스미어)
레이저 가공으로 인해 발생한 잔여물을 스미어라고 합니다. 수지가 남아 있으면 연결이 불가능하기 때문에 제거해야 합니다. 이 공정을 데스미어라고 합니다. 스미어가 빌드업 기판에 남아있으면 연결 불량 등으로 이어질 수 있으므로 반드시 제거해야 합니다.
강력한 약품(과망간산칼륨)으로 제거해야 하지만, 최근 고속에 대응하는 수지는 제거할 수 없는 경우가 있어 플라즈마 등을 병행하는 경우도 있습니다.
4. 비아에 도금
절연체를 사이에 둔 기판끼리 회로를 연결하기 위해 비아에 도금을 합니다. 작은 구멍에 도금하기 때문에 기포가 들어가지 않도록 해야 합니다.
빌드업 기판의 기타 정보
1. 빌드업 기판의 비아 명칭
구멍의 배치 및 구조에 따라 명칭이 달라지므로 간단히 설명합니다.
- 스태거드 비아
계단처럼 비아의 위치를 엇갈리게 배치하는 방법입니다. - 스택 비아
비아 위에 또 다른 비아를 쌓아 올리는 방식입니다. 모든 층에 비아가 겹쳐져 있는 것을 풀스택 비아라고 합니다. - IVH (영문: Interstitial VIA Hole) 내부에 있는 비아 홀
빌드 이외의 층은 상하로 연결되는 구멍을 드릴을 통해 뚫어야 합니다. 구조적으로 기판 내부에 있는 구멍이기 때문에 이런 표기가 사용됩니다. 블라인드 비아라고 부르기도 합니다. 빌드업 층과 IVH 층을 구분하여 기재하는 것이 일반적입니다.예) 3-6-3 빌드 표 3층 IVH 6층 빌드 뒷면 3층 총 12층
2. 빌드업 기판과 애니레이어 기판의 차이점
빌드업 기판은 코어층 양면에 배선할 층을 쌓아 올리는데, 모든 층이 빌드업 층인 경우 에를 니레이어 기판이라고 합니다.
앞서 표기법으로 보면 3-0-3(6층 애니레이어)이 되지만, 사용하지 않는 층을 0으로 하는 것은 어색하기 때문에 층수 + 애니레이어라고 표현하고 있습니다.
애니레이어 기판은 스루홀을 형성하는 코어층이 필요하지 않습니다. 빌드업 기판은 IVH 부분은 기존 기판의 도통이 되지만, 애니레이어 기판은 레이저로 뚫은 작은 직경의 비아홀만으로 각 층 사이를 자유롭게 연결할 수 있습니다.
이러한 특징의 차이로 인해 애니레이어 기판은 일반 빌드업 기판보다 고밀도가 가능하여 제품의 경박단소화가 가능합니다. 공정 수와 비용이 많아지지만, 위와 같은 이유로 스마트폰 등에 많이 사용되고 있습니다. 그림을 참고하세요.
빌드업 기판의 각 구조 명칭은 다음과 같습니다.
그림 1. 빌드업 기판의 각 구조의 명칭
3. 빌드업 기판의 재료에 대하여
현재는 일반 기판 소재와 동일한 유리섬유 소재와 주로 패키지에 사용되는 필름의 두 가지가 주류를 이루고 있습니다. 과거에는 다양한 재료가 사용되었습니다.
원래 빌드업 기판은 IBM이 자사 제품군에 대해 대형 컴퓨터 플립칩을 장착할 수 있는 기술을 개발해 온 것이 시작입니다. 그 과정에서 다양한 검토를 진행했습니다.
그 결과, 포토 비아라고 불리는 자외선 경화 수지를 이용해 노광 및 현상하는 방식을 채택했습니다. 이는 일괄적으로 비아를 형성할 수 있다는 장점이 있었습니다. 층간 두께가 필요하기 때문에 막 두께를 확보할 수 있는 커튼코터용 솔더레지스트 소재를 기반으로 개발하여 양산화에 성공했습니다. 솔더레지스트와 마찬가지로 도포하고 노광 현상 후 열로 최종 경화하여 절연층을 형성했습니다.
IBM이 시작한 이후, 저희를 포함한 각 제조사들이 개발을 진행했지만, 빛에 의한 비아 형성은 형상을 안정화시키는 것이 매우 어렵고, 또한 화학구리의 형성은 원래 광중합을 일으키는 수지이기 때문에 박리 강도와 조건 관리가 매우 어렵습니다. 강도가 약하고, 조건 관리가 매우 어렵다는 단점이 있었습니다. 또한, 현상액이 용매이고, 각종 규제가 있어 대중화될 수 있는 기술이라고 할 수 없었습니다.
이후 마이크로 비아의 형성 방법이지만, 레이저 가공 장비의 대폭적인 발전으로 비아의 가공 속도가 수십 배로 빨라지면서 빛에 의한 형성에서 레이저 가공에 의한 형성으로 바뀌게 되었습니다. 이때 RCC(Resin Coated Copper Foil: 수지 코팅 동박)가 채택되었습니다. 이는 열경화성 수지이며, 동박 위에 수지를 코팅하여 프리프레그와 같은 반경화 상태로 만든 것입니다.
따라서 기존 기판과 동일한 공정인 적층 공정을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 박리 강도가 우수하기 때문에 비아는 빛에 의한 형성에서 RCC의 레이저에 의한 형성으로 대체가 진행되었습니다.
전자기기의 소형화 및 소형화가 진행되면서 빌드업 기판의 용도는 확대되어 왔습니다. 그 속에서 더욱더 비용 절감 및 고밀도에 대응할 수 있는 신뢰성이 요구되었습니다.
또한, 레이저의 출력 향상 가공 기술의 대폭적인 개선으로 일반적으로 사용되는 유리섬유 소재의 가공이 가능해짐에 따라 유리섬유 소재에 대한 선호도가 크게 높아졌습니다. 휴대폰, 디지털 카메라 등 각종 모바일이 바로 이 유형입니다.
한편, LSI 패키지에서는 LSI의 고밀도화 플립칩 대응으로 고밀도 다단화 및 박형화가 요구되고 있습니다. 다단화 및 박형화 대응을 위해 층간 두께가 얇아지고, 더 작은 비아 및 표면의 평탄성이 요구되었다. 이에 대응하기 위해 필름 타입의 소재가 개발되었습니다.
회로 안에 수지를 채우기 위해 진공 라미네이터가 필수적이며, 수지 표면에 화학적 구리를 침전시키기 위해 독자적인 공정 전용 라인이 필요합니다. 따라서 대규모 설비 투자가 필요하다. 패키지 용도로는 PC 스마트폰의 MPU 대규모 LSI에 사용됩니다.