HDI PCB 설계: 재료 선택, 스택업 및 신호 성능 최적화

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고밀도 상호 연결(HDI) PCB는 5G 장치, AI 프로세서 및 의료 영상 장비에서 요구하는 소형화 및 고성능을 가능하게 하여 현대 전자 제품의 중추가 되었습니다. 기존 PCB와 달리 HDI 설계는 마이크로비아, 더 미세한 트레이스 및 고급 재료를 사용하여 더 작은 공간에 더 많은 구성 요소를 집어넣지만, 이러한 밀도는 고유한 과제를 수반합니다. 성공은 세 가지 중요한 요소에 달려 있습니다. 즉, 올바른 재료 선택, 효율적인 스택업 설계, 신호 무결성 최적화입니다. 잘 수행되면 HDI PCB는 표준 PCB에 비해 신호 손실을 40% 줄이고 장치 크기를 30% 줄입니다. 각 요소를 마스터하는 방법은 다음과 같습니다.

주요 내용
1. HDI PCB는 10GHz 이상의 주파수에서 신호 무결성을 유지하기 위해 저손실, 안정적인 재료가 필요합니다.
2. 스택업 설계(1+N+1 구성, 마이크로비아 배치)는 임피던스 제어 및 열 관리에 직접적인 영향을 미칩니다.
3. 마이크로비아(≤150μm)는 신호 반사를 줄이고 기존 스루홀 설계보다 30% 더 높은 구성 요소 밀도를 가능하게 합니다.
4. 신호 성능은 재료 유전 특성, 트레이스 형상 및 레이어 간격에 따라 달라지며, 이는 5G 및 고속 디지털 응용 분야에 중요합니다.

HDI PCB를 특별하게 만드는 점
HDI PCB는 다음을 사용하여 미세 피치 구성 요소(≤0.4mm) 및 높은 연결 밀도를 지원하는 능력으로 정의됩니다.
 1. 마이크로비아: 전체 보드를 관통하지 않고 레이어를 연결하여 신호 손실을 줄이는 소구경 비아(50~150μm).
 2. 미세 트레이스: 좁은 공간에서 더 많은 라우팅을 허용하는 25μm(1mil)만큼 좁은 구리선.
 3. 높은 레이어 수: 밀접하게 간격을 둔 신호 및 전원 평면이 있는 컴팩트한 스택업(종종 6~12개 레이어).
이러한 기능은 스마트폰(1000개 이상의 구성 요소 포함), 5G 기지국 및 웨어러블 건강 모니터와 같이 공간과 속도가 협상 불가능한 장치에 HDI를 이상적으로 만듭니다.

재료 선택: HDI 성능의 기초
HDI 재료는 유전 상수(Dk), 손실 계수(Df) 및 열 안정성의 세 가지 중요한 특성의 균형을 맞춰야 합니다. 이러한 특성의 작은 변화조차도 특히 10GHz 이상의 주파수에서 신호 성능을 저하시킬 수 있습니다.

Dk 및 Df가 중요한 이유
1. 유전 상수(Dk): 전기에너지를 저장하는 재료의 능력을 측정합니다. 낮은 Dk(≤3.5)는 신호 지연을 줄입니다. 이는 5G에서 중요하며, 0.5 Dk 감소는 전파 지연을 10% 줄입니다.

2. 손실 계수(Df): 열로 인한 에너지 손실을 측정합니다. 낮은 Df(<0.005)는 신호 감쇠를 최소화합니다. 28GHz에서 Df 0.002는 10cm 트레이스에서 Df 0.01보다 50% 적은 손실을 초래합니다.
예를 들어, PPO/PTFE(Dk 3.2, Df 0.003)를 사용하는 5G 기지국은 표준 FR-4를 사용하는 기지국보다 신호 강도를 30% 더 잘 유지하여 커버리지 범위를 150미터 연장합니다.HDI 스택업 설계: 밀도와 성능의 균형
HDI 스택업 설계는 레이어의 상호 작용 방식을 결정하여 신호 무결성, 열 관리 및 제조 가능성에 영향을 미칩니다. 목표는 비아 길이를 최소화하고, 임피던스를 제어하고, 노이즈가 많은 전원 레이어를 민감한 신호 레이어에서 분리하는 것입니다.

일반적인 HDI 스택업 구성

스택업 유형

레이어 수

2. 마이크로비아 전략: 신호 반사를 최소화하기 위해 1:1 종횡비 마이크로비아(50μm 직경, 50μm 깊이)를 사용합니다. 스택형 마이크로비아(2개 이상의 레이어 연결)는 고밀도 설계에서 비아 수를 40% 줄입니다.
3. 열 레이어: 고전력 HDI(예: EV 충전기)에 두꺼운 구리 레이어(2oz) 또는 알루미늄 코어를 포함하여 열을 발산합니다. 2oz 구리 접지 평면이 있는 12 레이어 HDI는 구성 요소 온도를 15°C 낮춥니다.
HDI 설계에서 신호 성능 최적화
HDI의 높은 밀도는 크로스토크, 반사 및 EMI로 인한 신호 저하의 위험을 증가시킵니다. 이러한 전략은 안정적인 성능을 보장합니다.

1. 임피던스 제어
a. 대상 임피던스: 단일 종단 RF 트레이스의 경우 50Ω, 차동 쌍(예: PCIe 4.0)의 경우 90Ω, 비디오 신호의 경우 75Ω.

b. 계산 도구: Polar Si8000과 같은 소프트웨어를 사용하여 트레이스 폭(0.8mm 두께 보드에서 50Ω의 경우 3~5mil) 및 유전체 두께(저Dk 재료의 경우 4~6mil)를 조정합니다.
c. 테스트: TDR(Time Domain Reflectometry)로 확인하여 임피던스 변화가 대상의 ±10% 이내로 유지되는지 확인합니다.
2. 크로스토크 감소
a. 트레이스 간격: 크로스토크를 -30dB 미만으로 줄이기 위해 평행 트레이스를 너비의 3배 이상 간격으로 유지합니다(예: 5mil 트레이스에는 15mil 간격이 필요함).

b. 접지 평면: 신호 레이어 사이에 있는 솔리드 접지 평면은 실드 역할을 하여 12 레이어 HDI에서 크로스토크를 60% 줄입니다.
c. 라우팅: 직각 회전을 피하고(45° 각도 사용) 0.5인치보다 긴 평행 실행을 최소화합니다.
3. 비아 최적화
a. 블라인드/매립형 비아: 이러한 비아는 전체 보드를 관통하지 않아 스텁 길이(반사의 원인)를 스루홀에 비해 70% 줄입니다.

b. 비아 스텁: 스텁 길이를 신호 파장의 10% 미만으로 유지합니다(예:
c. 안티 패드 설계: 접지 평면 간섭을 방지하기 위해 2x 비아 직경 안티 패드(50μm 비아의 경우 100μm 안티 패드)를 사용합니다.
4. EMI 차폐a. 패러데이 케이지: 접지 평면에 연결된 접지된 구리 실드로 민감한 회로(예: GPS 모듈)를 덮습니다.<2mm for 28GHz signals) to avoid resonance.​
b. 필터링: EMI가 HDI에 들어가거나 나가는 것을 차단하기 위해 커넥터 포트에 페라이트 비드 또는 커패시터를 추가합니다.

실제 HDI 응용 프로그램 및 결과
a. 5G 스마트폰: 1+4+1 HDI 스택업(저Dk FR-4)이 있는 6.7인치 전화기는 크기를 늘리지 않고도 5G mmWave 및 4K 카메라를 지원하여 기존 PCB보다 20% 더 많은 구성 요소를 장착합니다.
b. 의료용 초음파: PTFE 재료(Dk 2.8)가 있는 12 레이어 전체 HDI는 신호 처리를 30% 더 빠르게 하여 이미지 해상도를 15% 향상시킵니다.

c. 항공우주 센서: 세라믹 충전 PTFE가 있는 8 레이어 HDI는 -55°C ~ 125°C에서 안정적으로 작동하며, 40GHz에서 신호 손실이 0.5dB 미만입니다. 이는 위성 통신에 중요합니다.
FAQ
Q: HDI는 PCB 비용을 얼마나 추가합니까?
A: HDI는 기존 PCB보다 20~50% 더 비싸지만, 30%의 공간 절약과 40%의 성능 향상은 고가치 장치(예: 5G 모뎀, 의료 장비)에 대한 투자를 정당화합니다.Q: HDI에서 가장 작은 트레이스 폭은 얼마입니까?

A: 고급 HDI는 10μm(0.4mil) 트레이스를 지원하지만, 25~50μm은 제조 가능성을 위한 표준입니다. 더 좁은 트레이스는 더 정확한 에칭(±1μm 공차)이 필요합니다.
Q: 순차 라미네이션은 언제 사용해야 합니까?
A: 순차 라미네이션(레이어를 한 번에 하나씩 구축)은 12개 이상의 레이어 HDI에 이상적이며, 마이크로비아 배치에 대한 더 나은 제어를 가능하게 하고 레이어 정렬 불량을 10μm 미만으로 줄입니다.
결론
HDI PCB 설계는 재료, 스택업 및 신호 최적화의 전략적 균형을 요구합니다. 저Dk, 저Df 재료를 선택하고, 효율적인 스택업을 설계하고, 신호 저하를 완화함으로써 엔지니어는 고밀도 전자 제품의 잠재력을 최대한 발휘할 수 있습니다. 5G, 의료 기기 또는 항공우주 시스템에 관계없이 HDI는 더 많은 구성 요소를 포장하는 것뿐만 아니라 가능한 가장 작은 폼 팩터에서 안정적이고 고성능 솔루션을 제공하는 것입니다.