고밀도 상호 연결 (HDI) 다층 PCB: 차세대 소형화 및 성능을 지원

고객 승인 이미지

더 작고, 빠르고, 강력한 전자를 만들기 위한 경쟁에서 기존 PCB는 한계에 부딪히고 있습니다. 폴더블 스마트폰, 의료용 웨어러블 기기, 자율 주행 차량 센서와 같은 장치는 좁은 공간에서 더 많은 기능을 요구합니다. 이는 큰 비아와 제한된 밀도를 가진 표준 다층 PCB로는 불가능합니다. 고밀도 상호 연결(HDI) 다층 PCB가 등장했습니다. 이 기술은 마이크로 비아, 고급 재료, 정밀 제조를 사용하여 복잡한 회로를 작은 공간에 담습니다. HDI는 단순한 업그레이드가 아니라 전자 제품 설계 및 제작 방식의 혁명입니다. HDI가 현대 장치의 중추가 되고 있는 이유, 작동 방식, 프로젝트에 적합한 시기를 알아보겠습니다.

HDI 다층 PCB란 무엇인가요?
HDI PCB는 극도로 높은 밀도를 위해 설계된 고급 다층 기판입니다. 기판 전체를 관통하는 비아(구멍)와 더 넓은 트레이스 간격을 사용하는 기존 PCB와 달리 HDI는 다음을 사용합니다.

  a. 마이크로 비아: 기판 전체를 관통하지 않고 레이어를 연결하는 작고 레이저로 뚫린 구멍(직경 6~10mil).
  b. 블라인드/매립 비아: 표면 레이어만 내부 레이어에 연결하거나(블라인드) 내부 레이어를 서로 연결하여(매립) 공간을 절약하는 비아.
  c. 빌드업 레이어: 절연체와 구리의 얇은 교대 레이어를 점진적으로 추가하여 더 미세한 트레이스 폭(≤3mil)과 더 좁은 간격(≤2mil)을 가능하게 합니다.

이 설계를 통해 복잡한 회로에 필요한 레이어 수를 줄이고, 신호 경로를 단축하며, 노이즈를 최소화할 수 있습니다. 이는 5G 모뎀 또는 AI 기반 센서와 같은 고속 애플리케이션에 매우 중요합니다.

HDI vs. 기존 다층 PCB: 중요한 비교
HDI와 기존 PCB의 차이점은 크기보다 훨씬 큽니다. 주요 성능 및 설계 지표에서 비교해 보겠습니다.

HDI 다층 PCB의 제조 방법
HDI 제조는 마이크로 스케일 기능을 달성하기 위해 첨단 기계와 엄격한 품질 관리를 결합한 정밀 공정입니다. 주요 단계에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다.

1. 코어 준비
HDI는 종종 FR-4 또는 Rogers와 같은 고성능 재료의 얇은 “코어” 레이어(일반적으로 0.2~0.4mm 두께)로 시작합니다. 이 코어는 구조적 안정성을 제공하고 빌드업 레이어의 기반을 형성합니다.

2. 마이크로 비아용 레이저 드릴링
기존 기계 드릴은 50mil보다 작은 구멍을 만들 수 없으므로 HDI는 UV 또는 CO₂ 레이저를 사용하여 ±1μm 정확도로 마이크로 비아(6~10mil)를 드릴링합니다. 이 단계는 조밀한 클러스터(제곱 센티미터당 최대 100개의 비아)에서도 비아가 필요한 정확한 위치에 배치되도록 합니다.

3. 빌드업 레이어
절연체(0.05~0.1mm 두께)와 구리(0.5~1oz)의 얇은 레이어가 점진적으로 추가됩니다.

  a. 절연체는 코어에 적층된 다음 레이저로 드릴링하여 연결 지점을 노출합니다.
  b. 구리는 구멍에 도금되어(전도성 비아 형성) 포토리소그래피를 사용하여 미세 트레이스(2~3mil 너비)로 에칭됩니다.
  c. 이 프로세스는 각 빌드업 레이어에 대해 반복되어 조밀한 레이어 구조를 만듭니다.

4. 검사 및 테스트
HDI의 작은 기능은 엄격한 품질 검사를 요구합니다.

  a. 자동 광학 검사(AOI): 트레이스 결함 또는 정렬 불량 비아를 검사합니다.
  b. X선 검사: 내부 레이어의 비아 도금 품질(보이드 없음)을 확인합니다.
  c. 임피던스 테스트: 신호 무결성을 보장합니다(고속 설계에 중요).

HDI 다층 PCB의 주요 장점
HDI의 고유한 설계 및 제조는 현대 전자 제품에 필수적인 이점을 제공합니다.

1. 극소형화
큰 스루홀 비아를 마이크로 비아로 대체하고 트레이스 간격을 줄임으로써 HDI는 기존 PCB와 동일한 영역에 2~4배 더 많은 기능을 담습니다. 예를 들어:

  a. HDI를 사용하는 5G 스마트폰 PCB는 10제곱 센티미터에 6 레이어 설계를 맞출 수 있지만, 기존 PCB는 8 레이어와 15제곱 센티미터가 필요합니다.
  b. 의료용 웨어러블 기기(예: 혈당 측정기)는 HDI를 사용하여 직경을 30mm에서 15mm로 줄여 사용자 편의성을 향상시킵니다.

2. 더 빠른 신호 속도 및 노이즈 감소
더 짧은 신호 경로(마이크로 비아 및 블라인드 비아 덕분)는 “전파 지연”(신호가 이동하는 시간)을 최소화하고 크로스토크(트레이스 간 간섭)를 줄입니다. 따라서 HDI는 다음에 이상적입니다.

  a. 28+GHz에서 작동하는 고주파 장치(5G, 레이더, Wi-Fi 6E).
  b. 고속 데이터 전송(예: 64Gbps를 기록하는 PCIe 6.0).

3. 향상된 열 관리
HDI의 얇은 레이어와 마이크로 비아는 “히트 파이프”처럼 작동하여 기판 전체에 열을 더 균등하게 분산시킵니다. 열 비아(전도성 에폭시로 채워진 마이크로 비아)와 결합하여 기존 PCB에 비해 30~40% 핫스팟을 줄입니다. 이는 AI 칩 또는 EV 모터 컨트롤러와 같은 전력 소비가 많은 장치에 매우 중요합니다.

4. 향상된 신뢰성
기존 PCB는 스루홀 비아가 스트레스를 받아 균열이 생길 때 고장납니다(예: 자동차의 진동). HDI의 마이크로 비아는 더 작고 유연하며 IPC-TM-650 테스트에 따라 10배 더 많은 열 또는 기계적 사이클을 견딜 수 있습니다. 따라서 항공 우주 또는 산업 기계와 같은 혹독한 환경에 이상적입니다.

HDI 다층 PCB 유형: 적절한 복잡성 선택
HDI는 비아 복잡성에 따라 다양한 “티어”(또는 “오더”)로 제공됩니다. 적절한 선택은 설계의 밀도 요구 사항에 따라 다릅니다.

HDI 다층 PCB에 가장 적합한 응용 분야
HDI는 만능 솔루션이 아니지만 다음과 같은 고수요 분야에서 뛰어납니다.

1. 소비자 전자 제품
  a. 스마트폰/태블릿: 폴더블 폰(예: Samsung Galaxy Z Fold)은 HDI를 사용하여 5G 모뎀, 카메라 및 배터리를 유연하고 얇은 디자인에 맞춥니다.
  b. 웨어러블: 스마트워치(Apple Watch)는 HDI에 의존하여 심박수 센서, GPS 및 Bluetooth를 40mm 케이스에 담습니다.

2. 의료 기기
  a. 휴대용 진단: 휴대용 초음파 프로브는 HDI를 사용하여 200g에서 100g으로 줄여 의사가 더 쉽게 조작할 수 있도록 합니다.
  b. 이식형: 신경 자극기(간질 치료용)는 생체 적합성 HDI 재료를 사용하여 10mm 직경 케이스에 8개의 회로 레이어를 맞춥니다.

3. 자동차 전자 제품
  a. ADAS(첨단 운전자 지원 시스템): 레이더 및 LiDAR 모듈은 HDI를 사용하여 컴팩트하고 내열성이 있는 설계(후드 아래에서 125°C 허용)에서 초당 100개 이상의 데이터 포인트를 처리합니다.
  b. EV 제어: 배터리 관리 시스템(BMS)은 HDI를 사용하여 기존 PCB보다 30% 작은 공간에서 100개 이상의 셀을 모니터링하여 차량 무게를 줄입니다.

4. 항공 우주 및 방위
  a. 위성 통신: HDI의 경량 설계(기존 PCB보다 40% 가벼움)는 발사 비용을 절감하는 동시에 방사선 저항성은 우주에서의 신뢰성을 보장합니다.
  b. 군용 라디오: 견고한 HDI PCB는 전장 통신 장치에서 진동 및 극한 온도(-55°C ~ 125°C)를 견딥니다.

HDI를 선택해야 할 때(그리고 기존 PCB를 고수해야 할 때)
HDI의 장점은 더 높은 제조 비용과 함께 제공되므로 항상 필요한 것은 아닙니다. 다음 프레임워크를 사용하여 결정하십시오.

HDI를 선택하는 경우:
  장치가 50제곱 센티미터보다 작아야 합니다(예: 웨어러블, 스마트폰).
  고주파수( ≥10GHz) 또는 고속( ≥10Gbps)을 위해 설계하는 경우.
  혹독한 환경(진동, 열)에서의 신뢰성이 중요한 경우.
  부품 수를 줄이려는 경우(커넥터가 적고 인클로저가 작음).

기존 PCB를 고수하는 경우:
  비용이 최우선 순위인 경우(예: 리모컨과 같은 저가형 소비자 장치).
  설계가 간단한 경우( ≤4 레이어, 저항/커패시터와 같은 큰 부품).
  작동 주파수가 낮은 경우(<1GHz) 크기가 제한되지 않습니다.HDI 과제 극복

HDI의 복잡성은 고유한 장애물을 도입하지만 신중한 계획으로 관리할 수 있습니다.
  a. 더 높은 비용: 인클로저 크기 감소, 부품 수 감소 및 고장률 감소(장기 절감)로 상쇄됩니다.

  b. 설계 복잡성: HDI 특정 CAD 도구(예: HDI 모듈이 있는 Altium Designer)를 사용하여 마이크로 비아 및 스택업 레이어를 모델링합니다.
  c. 제조 제한: 초기 단계에서 숙련된 HDI 제조업체와 협력합니다. 생산 전에 설계 파일(IPC-2581)을 공유하여 타당성을 검증합니다.
결론

HDI 다층 PCB는 단순한 트렌드가 아니라 차세대 전자 제품의 기반입니다. 소형화, 더 빠른 속도 및 더 높은 신뢰성을 가능하게 함으로써 HDI는 현대 장치 설계의 가장 큰 과제를 해결합니다.
폴더블 폰, 생명을 구하는 의료 기기 또는 견고한 군용 도구를 제작하든 HDI를 사용하면 전자 제품의 한계를 뛰어넘을 수 있습니다.

HDI는 더 높은 초기 비용이 들지만 크기를 줄이고, 성능을 향상시키며, 장기적인 고장을 줄이는 능력은 중요한 응용 분야에 대한 현명한 투자입니다.