3D시스템즈 20200123

홈 > 전자·ICT > 테크인사이트



콘텐츠사업부
매거진
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
잡지이미지
  • 구독신청
  • 광고안내

element 20191202

밀도 개선을 위한 바이어스의 혁신적 사용 (1)

입력 :

[How to Guide 웨비나] 실제 산업현장에서 활용되는 RFID는 어떤 것이 있을까요? (8월 21일)
글자크게보기 글자작게 댓글달기 좋아요 즐겨찾기

페이스북 트위터 카카오스토리 블로그

서론


오늘날 빠르게 변화하고 있는 전세계의 경제 상황은 지속적인 숙련도 향상과 성과 개선을 요구하고 있으며 밀도를 증가시키는 것을 요구한다. 기존에는 추적과 간격을 줄임으로써 밀도를 높여왔다.


그러나 다수의 고속 기판 애플리케이션에서는 더욱 작아진 추적에서 구리와 유전체 손실이 발생하거나 공간 감소로 인해 혼선이 증가하기 때문에 밀도 향상시키는 것이 불가능하다. 기존에 기판 설계와 제작에 사용된 다음의 네 가지 아이디어를 통해, 경로 밀도를 어떻게 높일 수 있는가에 대한 통찰을 얻을 수 있다.


• 랜드리스 바이어스

• BGA 발생을 위한 바이어스 스윙

• 비아-언더-패드를 위한 고체 페이스트 바이어스

• 레이어 밀도 증가를 위한 파워 메시


밀도의 벽 넘기


경로 밀도가 높아진다면, 다음 항목들만이 자유로운 상태가 된다.


• 보다 작은 경로

• 보다 간격이 좁은 추적(공간)

• 보다 작은 바이어스(마이크로 바이어스 단위)

• 바이어스용으로 사용하는 보다 작은 환상 링

• 전송 시 보다 높은 레이아웃 효율 (2016년 6월 29일 뉴스레터 #10-DFM/A에서 정의)


단일 레이어에서의 전송 밀도에 대해 이야기하고 있는 것이다. 보다 많은 신호 레이어의 경우 기판에 있는 전체 전송 길이가 늘어날 것이다.


전송 경로에 관한 식은 다음과 같다.



여기에서, 각 기호는 다음을 의미한다.

N = 채널 내 경로 수

G = 채널 제원 전송

Dv = 바이어스 지름(FHS)

Da = 바이어스의 환상 링

Cs = 도체 간격

Cw = 도체 폭


이 식에서 몇 가지 변수를 소거하는 경우(식 1), 그 결과로 나오는 전송 밀도는 표 1에 나와 있는 비율까지 상승하게 된다. 밀도에 미치는 가장 큰 영향은 경로 폭을 줄이는 것이지만 이는 전기적인 문제를 유발할 수 있다. 차선책으로 바이어스의 환상 링을 줄이는 방법이 있지만, 아주 작은 AR이 바이어스의 신뢰성을 유의미하게 감소시킬 것이다. 따라서 랜드리스는 경로 폭이나 간격을 줄인 상태에서 보다 높은 밀도를 확보할 수 있는 좋은 방법이다.


▲ 표 1. 한 레이어에서 경로 밀도에 PCB 설계가 미치는 영향


다중 레이어 블록에 있는 구멍으로 인해 다수의 경로가 보드 전체를 채널링하기 때문에 블라인드 및 매립 바이어스를 사용하게 되면 사용하지 않은 경우와 비교할 때 레이어 경로 밀도를 두 배에서 최대 네 배 정도 유의미하게 높일 수 있다. 이는 또한 단일 레이어 레이아웃 효율(layout efficiency, L.E.)에 있는 전체 면적과 비교할 때 경로에 사용하는 공간의 크기인 L.E.로 측정이 가능하며, 블라인드 및 매립 바이어스를 사용하는 경우 2배에서 4배 정도 증가한다.


TH 다중 레이어에 대한 L.E.는 8~10%다. TH와 블라인드가 있는 바이어스의 경우 16%, TH와 2면 블라인드 바이어스 및 다중으로 구성된 레이어가 있는 경우 최대 24%다. 표 1에는 바이어스 지름, 환상 링(랜드리스 포함)에 대한 함수로서 다양한 경로 채널 폭에 사용할 수 있는 최대 경로 수를 포함해 증가된 밀도에 기여한 몇 가지 내용이 나와 있다.


랜드리스 바이어스


1985년에 일본 토야마의 NEC를 방문하던 중 랜드리스 바이어스 다중 레이어를 처음으로 만나게 됐다. 엄청난 수준으로 자동화가 된 곳에서 일본 통신 및 메인프레임 컴퓨터 기판을 제작했으며 이는 IBM과 Western Electric의 제품을 하나로 통합한 듯한 느낌을 주었다. 


NEC는 패널 플레이팅을 사용한 포지티브 작동 방식의 포토레지스트 공정인 액체 전기 영동법을 사용하고 있었다. 1988년 일본 협력사인 OKI가 랜드리스 바이어스 다중 레이어를 도입할 때까지는 랜드리스 바이어스 다중 레이어를 볼 수 없었다. OKI는 랜드리스 바이어스를 사용해 보다 정밀한 라인 구축을 위해 추가 비용을 들이지 않고 밀도를 높였다. 신뢰성이 높아지면 어떻게 되는지 알고 있었다. 자체적으로 실험을 수행했지만(그림 1) 보다 높은 경로 밀도를 확보하게 됐다. 이러한 바이어스가 그림 2에 나와 있으며, 이를 통해 0.100 인치의 PTH 중심부 사이에 다섯 개의 경로를 설정할 수 있었다.


▲ 그림 1. 랜드리스 바이어스 제작 공정에서 NEC로부터 확보한 신뢰성 있는 데이터[1]


▲ 그림 2. 1985년 무렵 일본의 다중 레이어에 설치한 일반적인 랜드리스

바이어스[1]


랜드리스 바이어스 프로세스


랜드리스 바이어스와 관련된 특허 애플리케이션들이 다수 등록돼 있다. 이 모든 특허는 바이어스의 제작 또는 정밀 레이저 노출을 사용한 이미지를 필요로 한다. 아직 생산 단계에 들어가지는 못했다. 대량 생산에 사용하는 두 가지 기술과 상당히 실용적으로 판단되는 두 가지 추가 기법을 함께 설명하고자 한다.


일본에서 배운 HP 프로세스


랜드리스 바이어스 제작을 위한 일본의 공정은 상당히 단순하나 프로세스에 대해 설명할 때까지 그 누구도 어떤 식으로 이뤄지는지 이해하지 못했다. 고정관념을 깬 사고를 보여주는 좋은 예이다.


1. 등록 공차에 상관없이, 건식 필름형 포토레지스트를 사용할 때 해당 크기만큼 개방 사이즈를 감소시킨다. 그렇게 되면 건식 필름은 구멍의 벽보다 크게 확장된다.


2. 이 작업을 하게 되면 두 가지가 발생한다.1) 도금조가 구멍으로 힘을 가하기 때문에 분포가 개선된다.2) 구멍으로 들어간 경로를 제외하고는 랜드가 더 이상 없게 된다.


3. 벗겨내고 식각을 하게 되면, PTH 배럴이나 블라인드 바이어스로 들어가는 경로가 있는 랜드리스 바이어스가 생성된다.


4. 패널 플레이트에 대해서 이 공정을 사용하지 않는다. 해당 공정은 NEC와 같은 차후 공정을 사용해야 한다.


▲ 그림 3. 경로폭과 동일한 지름으로 공급하는 랜드리스 바이어스이며,

이 경우 0.004”임(0.1mm). ‘보이지 않는 바이어스’라고 함(출처: HP

Sunnyvale PC)


양의 액체 전기영동 포토레지스트


앞서 말했듯, 해당 공정을 1985년 NEC에서 처음 봤다. Nippon Paint에서 양의 전기영동 포토레지스트를 사용하고 있었는데 이는 자동차에서 사용한 전기영동 도료에서 발전한 제품이었다. 미국과 유럽에서는 Shipely가 개발한 보다 작은 포토레지스트를 사용할 수 있었다[2,3]. 보다 최근에 개발된 포토레지스트와 프로세스는 PPG Industries에서 개발했으며 Patricia Goldman 당시 PPG 근무와 Compunetics의 Tim Schmidt가 논문으로 제시했다. 양에서 작동하는 포토레지스트는 상당히 유용하게 사용할 수 있는 다수의 성질을 갖고 있다. 가장 유용한 성질은 다중 노출과 현상, 특히 Ni-AU와 식각에 대한 저항, 정교한 해상도[10마이크론까지(0.4mil)], 그리고 먼지와 클린룸 파편에 대해 둔감하다는 점 등이 있다. 코팅 과정은 상대적으로 단순하다.


• 패널 청소

• 60~100V에서 60~90초간 코팅(전압이 최종 두께를 결정한다)

• 세척

• 건조 패널 굽기


이제 패널을 노출시키거나 운송해도 된다. 플레이팅, 노출, 현상, 식각(蝕刻)을 마친 패널 완성품이 그림 4에 나와 있다.


▲ 그림 4. 액체, 전기영동, PPG로부터 양의 포토레지스트로 생성된 랜드리스

비아(0.010in(0.25mm)과 0.004in(0.1mm) 경로] (출처: Compunetics Inc.)


완벽한 등록


이제 직접 디지털 이미징(direct digital imaging, DDI)와 보드 스캐닝을 미리 실시한 상태에서 보드 양면에 대해 완벽한 등록을 실시할 수 있다. 양쪽에서 기계로 들어갈 때 패널을 스캔하는 9개 카메라가 달린 DDI 장치가 있다. 그리고, 각 면의 노출을 시작하면서, 제품을 가공간 개조하기 때문에 각 랜드를 구멍에 완벽히 등록하게 된다. 고성능 컴퓨터, 스캐너 및 새로운 소프트웨어가 없다면 불가능했을 것이다.


러시아의 새로운 기법


최근 개최된 PCB West 회의에서 러시아의 PCB 제조업체와 이야기할 기회가 있었다. 러시아 또한 일본의 컴퓨터에서 이를 본 후 랜드리스 바이어스를 사용하는 것처럼 보였다. 러시아의 공정은 상당히 참신했다. 이걸 내가 생각해냈어야 하는데! 이들은 산소에 민감한 필름 포토레지스터의 성질을 사용했다. 건식 필름을 패널에 부착할 때, 산소를 채운 장치 주변에 막을 씌웠다. 이로 인해 산소는 건식 필름을 통해 구멍에 갇히게 된다. 패널을 일반적인 도판과 함께 노출시켰다(그러나 랜드리스 바이어스와 연결될 경로에 대한 랜드는 없다). 그리고 패널을 100°C로 짧게 구운 후 건식 필름에 있는 커버 시트를 제거한 후 보통과 같이 현상시켰다. 산소와 열이 구멍의 지름과 정확히 같은 지름으로 내부로부터 건식 필름을 중합화시켰다. 그러므로 현상 시, 바이어스는 완벽한 건식 필름 등록이 이뤄지며 랜드리스가 된다.


랜드리스 바이어스가 작은 환상 링이 있는 바이어스에 비해 어떻게 신뢰성이 더 높은지를 포함한 보다 자세한 사항은 최근에 간행된 기사인 ‘Against the Density Wall: Landless Vias Might be the Answer’에서 확인할 수 있다.


BGA 발생을 위한 스윙 바이어스


HDI에서 확인한 새로운 개념은 일반적인 북-동-남-서 방향으로 회전하는 블라인드 바이어스 정렬이 아닌 동일 채널로 움직여 충격을 주는 방식이다. 이러한 정렬은 장치 피치보다 네 배 더 긴 매장된 바이어스 사이에 폭이 큰 경로를 형성한다. 이 폭은 네 배 넓으며 전역 경로를 위한 막대한 자유 경로를 허용할 수 있다. 이러한 ‘스윙’ 개념은 2011년 저자가 Charles Pfeil과 함께 쓴 기사에 다음과 같이 설명돼 있다.


“바이어스를 경로 생성을 위한 내부 레이어에 있는 넓은 간격을 구성하는 볼 패드에서 떨어진 곳에 ‘스윙’시키는 게 원칙이다. 마이크로 바이어스의 크기, 핀-피치와 볼 패드의 크기에 따라, 마이크로 바이어스를 열과 행에 맞춰 정렬시킬 수 있다. 이를 통해 경로 작성에 가용한 공간이 극대화된다.”


바이어스 구조를 통해 개선된 통로


3차원 바이어스 구조를 통해 통로를 개선할 수 있다. 다양한 깊이의 블라인드 바이어스를 사용하면 더 넓은 경로를 형성하는데 도움이 된다. 이러한 구조는 스킵 바이어스, 다중 구성 또는 차후 적층이 된 구멍이 뚫리고 적층된 바이어스를 사용해 생성 가능하다.


또한 원하는 바이어스 구조가 되는데 그 이유는 소형의 인덕턴스가 낮은 블라인드 바이어스를 수평에서 수직으로 변환만 하면 고속의 임계 네트 경로를 제공할 수 있기 때문이다. 기판 내에서 가장 낮은 인덕턴스를 갖는 바이어스가 되며 최고속 네트에 이상적이다. 또한 아주 높은 밀도를 갖게 되는데 그 이유는 교차가 크기가 더 큰 매립 또는 구멍을 통과하는 바이어스가 아닌 작은 블라인드 바이어스가 되기 때문이다.


바이어스 배치를 통해 생성되는 통로


Mentor Graphics에서 BGA에 사용하는 여러 형태의 팬아웃 패턴 적용에 있어 새로운 개념을 개발했다. 표준형 4분면 통신을 사용하는 대신 (북-남-동-서) BGA를 안팎 네 개 영역으로 분할한다. 등록이 향상되고 보다 작은 크기의 환상 링이 있는, 크기가 더 작아진 블라인드 바이어스를 ‘회전시켜’ 경로 채널을 형성한다. 그림 5에 BGA 블라인드 바이어스 위치에 대한 예가 나와 있다.


▲ 그림 5. 바이어스 ‘회전’을 통해, SMT 랜드를 기준으로 비아가 어디에 있는지에 따라 A, B, C

채널이 생성됨. 이러한 채널은 2, 3배 더 큰 경로 밀도를 갖는 경로임[7].


이러한 개념은 개발자인 Charles Pfeil이 다음과 같이 설명한다.


“제 1구역은 외부 열로 구성된다. 열의 개수는 설계 규칙에 따라 4~6으로 다르게 나타난다. 이 영역에서는 1:2 마이크로 바이어스를 사용해 최대 경로 밀도에서 레이어 2에 경로를 생성한다. 이러한 패턴은 바이어스를 볼 패드 근처로 옮기고 각도를 바꾸면 변할 수 있기 때문에 바이어스의 간격이 최소 간격을 초과하게 된다. 이렇게 하면 경로 밀도가 줄어들게 된다. 그러나 평면 공간을 늘릴 수 있기 때문에 바이어스 사이의 잠재적인 크로스 토크가 감소하게 된다.


제 2구역은 모든 내부 열을 포함한다. BGA 핀의 외부 열을 1:2 마이크로 바이어스를 사용해 경로를 설정하는 경우, 다음에 있는 4~6열은 1:3 스킵 바이어스를 사용해야 하며, 그 목적은 최대 경로 밀도에서 레이어 3의 경로를 설정하기 위함이다. 스킵 바이어스를 사용하는 경우 레이어 1에서 레이어 3으로 레이어 2에 있는 패드를 사용하지 않고 연결할 수 있다. 이러한 패턴 또한 바이어스를 볼 패드 근처로 옮기고 각도를 변경하면 변화하기 때문에 바이어스 간격이 최소값을 초과하게 된다.


제 3구역은 내부 열 (제 2구역)과 중앙 열 (제 4구역) 사이의 전이 지역이다. 일반적으로 제 2구역과 제 4구역 사이의 패턴이 충돌해 DRC 위반을 초래하기 때문에 전이 지역이 필요하다. 1:2 또는 1:3 바이어스를 전이 지역에 사용할 수 있으며 이는 경로 설정 전략에 따라 상이하다. 이 예에서, 패턴은 단순한 직교형의 짧은 dog-bone이다. 사용하는 바이어스의 크기에 따라 다른 각도를 사용할 수 있다.


제 4구역은 중앙이다. 가운데 열은 다른 구역을 정의한 후 남은 열이다. 일반적으로, BGA의 중심에는 파워 및 그라운드 핀이 있기 때문에 표준 dog-bone 패턴에서 바이어스를 통해 배치가 이뤄진다. 바이어스가 볼 패드 매트릭스의 정중앙에 위치하지 않는다는 사실을 기억한다. 이를 통해 레이어 1에서 보다 큰 그라운드 평면을 채울 수 있다.


직교 지역 (1). 직교방향으로 나열한 핀은 제 1구역과 2구역의 팬아웃이 합해질 때 충돌이 일어날 수 있다. 그림 5에 있는 예는 패턴의 병합은 물론, 중앙선을 기준으로 떨어진 바이어스를 보여주며, 직교방향으로 보다 큰 경로를 제공하고 있는 모습을 보여준다. BGA를 구역별로 분할하게 되면 최대 경로 밀도를 얻을 수 있기 때문에 필요한 레이어 수를 줄일 수 있다. BGA에 1,500개 이상의 핀이 있을 때, 단순히 BGA 외부로 경로를 설정하게 되면 레이어 개수 증가에 큰 기여를 하는 경향이 있다. 스택 및 가용한 바이어스 간격에 따라 각 구역별로 사용하는 열의 개수를 변화시킴으로써 고유의 설계 맥락에서 최적의 팬아웃과 경로를 확보할 수 있다.”


이렇게 이동한 블라인드 바이어스를 사용해 정렬한 바이어스 패턴은 대형 BGA로부터의 분열을 유의미하게 증가시킨다. 그러나 다른 장점도 갖고 있다.


• 바이어스 전체와 이동하지 않은 블라인드 바이어스에 대해 경로 밀도가 24% 증가

• 마운트 레이어에 있는 그라운드 평면에 더 많은 공간을 제공 (그러나 패드 내 바이어스 정도의 공간은 아님)

• 블라인드 바이어스를 사용해 레이어에서 고속의 단일 엔드 네트를 경로를 구성하는 경우, 바이어스 스텁이 사라지면 바이어스 대 바이어스 크로스토크가 최소화된다.

• 블라인드 바이어스 레이어에서의 신호 경로가 매립 바이어스를 가질 필요가 없기 때문에 매립된 바이어스 레이어에서도 경로 공간을 구성할 수 있다.

• 블라인드 및 매립 바이어스 스택이 바이어스를 관통하는 스택에 비해 비용이 약간 높다는 단점이 있다.


<다음호에 계속>


Happy Holden

이 기사는 의 요약글입니다. <기사 상세내용보기>를 클릭하시면 전체 기사를 보실 수 있습니다.

기사 상세내용보기

어드밴텍 2019.11.25
디지키 2020.08
이전글
인피니언, LITIX LED 드라이버 제품군 출시..."컴팩트하고 비용 효율적인 LED 헤...
다음글
ams, 디지털 멀티스펙트럼 센서온칩 출시..."컨슈머 및 산업용 스펙트럼 분석 애...
FLIR
성안당_내인생의갑
주요 광고주 / 추천기업

(주)코닥트 케이블케리어

F&B Soultion co. 엔코더

(주)동화기업 오일쿨러/유압부품

트윈컴퍼니 Bolting최적솔루션

바움뉴텍 하모닉감속기

세원정밀전자 오토스위치

삼원액트(주) FA제어반배선기기

신한전자기기 크레인안전장치

티아이씨(주) 볼스크류

(주)이디에스 감속기

(주)맵스코 볼 스크류 / LM가이드

KEM 공작기계관련부품

토마스케이블 케이블

SPK한국스테어펌프 펌프

효성훼바 모터콘트롤러

나라삼양감속기 감속기

케이씨티앤에스 소재부품

마이클앤솔루션 튜브넘버링기

엔아이피 머신비전

플루크네트웍스 테스터기

엘리먼트14 전자부품

SEC e-beam

에스디상사 공구

FAMAX 공장자동화

지브라 자동인식 산업

더블유케이티 절연제품

성안당 기술서적

댓글쓰기

0/500

등록
전체 댓글수 0

최신순 | 인기순

    댓글이 없습니다.