PCB용 Via on PAD 기술의 중요성과 표준

PCB에 패드 비아 설계가 필요한 이유

인쇄회로기판(PCB) 설계에서 패드 비아 설계는 특별한 설계 방법으로, 주로 다음과 같은 기능을 합니다:

1. 고밀도 배선 요구사항 충족

배선 공간 증가

전자 제품의 소형화 및 다기능화 발전에 따라 PCB 상의 전자 부품 밀도가 점점 높아지고, 배선 공간이 극히 제한적이게 됩니다.

패드 비아 설계는 제한된 평면 공간에서 패드에 비아를 설정함으로써 서로 다른 층 간의 전기적 연결을 실현하여, 배선에 더 많은 경로 선택을 제공하고 배선 공간을 효과적으로 늘릴 수 있습니다.

예를 들어, 일부 고급 스마트폰의 메인보드 설계에서는 많은 기능 모듈이 통합되어 부품 밀도가 매우 높으며, 패드 비아 설계를 사용하면 PCB 크기를 늘리지 않고도 복잡한 배선 요구사항을 충족할 수 있습니다.

복잡한 회로 연결 실현

일부 복잡한 회로 설계에서는 여러 다른 네트워크 간의 연결을 실현해야 할 수 있지만, 기존의 배선 방식으로는 요구사항을 충족하지 못할 수 있습니다.

패드 비아 설계는 핵심 노드에 비아를 설정하여 서로 다른 네트워크를 연결함으로써 복잡한 회로 기능을 실현할 수 있습니다.

예를 들어, 고속 디지털 회로에서는 신호 무결성을 보장하기 위해 신호 임피던스를 엄격히 제어해야 합니다. 패드 비아 설계를 통해 특정 위치에 접지 비아를 도입하여 신호의 기준면 전환을 실현함으로써 신호 임피던스를 조정하고 고속 신호 전송 요구사항을 충족시킬 수 있습니다.

2. 전기적 성능 향상

신호 전송 임피던스 감소

신호가 PCB 상에서 전송될 때, 임피던스의 불연속성은 신호 반사 및 감쇠와 같은 문제를 일으켜 신호 품질에 영향을 미칩니다.

패드 비아 설계는 비아의 위치, 크기 및 모양을 최적화하여 신호 전송 경로상의 임피던스 불연속성을 줄임으로써 신호 전송 임피던스를 감소시키고 신호 무결성을 향상시킬 수 있습니다.

예를 들어, 고속 차동 신호 전송에서는 패드 비아의 위치와 간격을 합리적으로 설계함으로써 차동 쌍의 임피던스를 더 잘 일치시켜 차동 신호 간의 크로스토크를 줄이고 신호의 전송 품질을 향상시킬 수 있습니다.

전자기 간섭 감소

전자 제품에서 전자기 간섭은 일반적인 문제로, 회로의 정상 작동에 영향을 미칩니다.

패드 비아 설계는 민감한 신호와 간섭원을 분리함으로써 전자기 간섭의 영향을 줄일 수 있습니다.

예를 들어, 아날로그 회로와 디지털 회로가 공존하는 PCB에서는 아날로그 접지와 디지털 접지 사이에 패드 비아를 설정하여 접지면을 분할하고 디지털 회로가 아날로그 회로에 미치는 간섭을 줄일 수 있습니다.

3. 냉각 성능 향상

냉각 채널 제공

전자 부품의 전력 밀도가 증가함에 따라, 방열은 전자 제품의 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 요소 중 하나가 되었습니다.

패드 비아 설계는 PCB 상에 방열 채널을 형성하여 발열 부품의 열을 방열층이나 외부 방열기로 전달하여 방열 효율을 향상시킬 수 있습니다.

예를 들어, 고출력 LED 조명기구의 PCB 설계에서 LED 패드에 비아 온 패드를 설정함으로써, LED에서 발생하는 열을 PCB의 방열층으로 신속히 전달하여 LED의 작동 온도를 낮추고 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있습니다.

균일한 방열 분배

일부 대면적 PCB에서는 방열이 고르지 않을 경우 국부적인 과열을 초래하여 전자 부품의 성능과 수명에 영향을 미칠 수 있습니다.

비아 온 패드 설계는 관통홀을 합리적으로 분배함으로써 열이 PCB 상에 더 고르게 분포되도록 하여 국부 과열 문제를 방지할 수 있습니다.

예를 들어, 서버 메인보드와 같은 대형 PCB 설계에서는 일반적으로 다수의 비아 온 패드를 사용하여 방열 성능을 최적화하고 전체 메인보드의 온도가 안전 범위 내에 있도록 보장합니다.

4. 특수 패키징 요구사항에 적응

BGA 및 기타 패키징 형태 충족

볼 그리드 어레이(BGA) 패키징은 집적 회로의 일반적인 패키징 형태로, 다수의 핀과 좁은 피치를 가지며 PCB 설계에 높은 요구사항을 제기합니다.

비아 온 패드 설계는 BGA 패키징 칩에 우수한 전기적 연결과 방열 채널을 제공할 수 있으며, 고밀도 및 고성능 요구사항을 충족시킵니다.

예를 들어, 일부 고성능 컴퓨터 메인보드 및 그래픽 카드 설계에서는 BGA 패키징 칩이 널리 사용되며, 비아 온 패드 설계는 필수적인 부분이 됩니다.

특수 부품 설치 지원

일부 특수 응용 시나리오에서는 특정 형태나 크기의 전자 부품을 설치해야 할 수 있으며, 기존의 PCB 설계로는 요구사항을 충족시키지 못할 수 있습니다.

비아 온 패드 설계는 특수 부품의 설치 요구사항에 따라 맞춤화될 수 있어 특수 부품에 대해 신뢰할 수 있는 연결과 고정을 제공합니다.

예를 들어, 일부 산업 제어 장비에서는 대형 방열판이나 유도성 부품을 설치해야 할 수 있습니다. PCB에 비아 온 패드를 설정함으로써 이러한 부품들을 견고하게 설치하고 우수하게 연결할 수 있습니다.

비아 온 패드 표준이란 무엇인가요?

비아 온 패드 설계의 허용 가능한 표준은 주로 다음 몇 가지 측면을 포함합니다:

1. 전기적 성능

연속성

비아 온 패드는 양호한 전기적 연속성을 보장해야 합니다. 멀티미터나 특수 연속성 테스터를 통해 저항값을 테스트할 수 있으며, 저항값은 설계값을 충족해야 합니다.

예를 들어, 일반적인 디지털 회로의 경우 비아 온 패드의 온 저항은 50밀리옴 미만이어야 합니다; 고정밀 아날로그 회로나 고속 신호 전송 라인의 경우, 온 저항이 더 낮아야 하며, 10밀리옴 미만일 수 있습니다.

임피던스 제어

고속 디지털 회로 및 RF 회로의 경우, 비아 온 패드의 임피던스는 설계 요구사항을 충족해야 합니다. 일반적으로 임피던스 장비를 사용하여 임피던스 값을 테스트하여 비아 온 패드 품질을 관리하에 두며, 임피던스 값은 지정된 허용 오차 범위 내에 있어야 합니다.

예를 들어, 50옴 전송 라인의 경우, 비아 온 패드의 임피던스는 45~55옴 사이로 제어되어야 합니다.

신호 무결성

신호 무결성 테스트를 통해 비아 온 패드가 신호 전송에 미치는 영향을 평가합니다.

오실로스코프, 네트워크 분석기 등의 장치를 통해 신호의 파형, 진폭, 상승 시간, 하강 시간 등의 매개변수를 확인하여 신호가 비아 온 패드를 통과할 때 뚜렷한 왜곡, 감쇠 또는 반사가 없도록 보장합니다.

예를 들어, 고속 디지털 신호의 경우, 신호가 디스크 홀을 통과한 후 상승 시간과 하강 시간의 변화가 10%를 초과하지 않아야 합니다; RF 신호의 경우, 반사 계수가 -15dB 미만이어야 합니다.

2. 기계적 특성

홀 벽 품질

패드 위 비아의 홀 벽은 매끄럽고, 균열과 버가 없어야 합니다. 현미경이나 전자현미경으로 홀 벽을 관찰하여 결함을 확인할 수 있습니다.

홀 벽의 거칠기는 요구사항을 충족해야 합니다. 일반적으로 거칠기는 5 μm 미만이어야 합니다. 거친 홀 벽은 전기 연결의 신뢰성에 영향을 미치고 신호 전송 문제를 일으킬 수 있습니다.

구경 정확도

패드 위 비아의 직경은 설계 요구사항을 충족해야 하며, 공차는 일반적으로 ± 0.05mm 이내입니다. X-선 또는 마이크로 섹션 장비로 비아 직경을 측정하여 지정된 범위 내에 있는지 확인해야 합니다.

패드 위 비아의 위치는 정확해야 하며, 설계 도면과의 편차는 지정된 공차 범위 내에 있어야 합니다. 좌표 측정기 또는 광학 검사 장비를 사용하여 패드 위 비아의 위치를 측정하여 위치 정확도가 요구사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

예를 들어, 고정밀 PCB 설계의 경우 패드 위 비아의 위치 편차는 ± 0.05mm 미만이어야 합니다. 과도한 위치 편차는 회로 배치 및 전기 연결의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

3. 신뢰성

열충격 시험

PCB는 열충격 시험을 통해 전자 제품의 실제 사용 과정에서의 온도 변화를 모사합니다. 반복적인 고온 및 저온 충격을 통해 패드 위 비아에 균열, 박리, 탈락 등의 현상이 발생하는지 확인합니다.

예를 들어, PCB를 -55℃에서 125℃의 온도 범위에 두고 1000회의 열충격 시험을 실시할 때, 디스크 내 홀은 어떠한 손상도 없어야 합니다.

진동 시험

PCB는 진동 시험을 통해 전자 제품의 운송 및 사용 중 진동 환경을 모사합니다. 특정 주파수와 진폭의 진동을 가한 후 패드 위 비아가 느슨해지거나 파손되지 않았는지 확인해야 합니다.

예를 들어, 주파수 5-500Hz, 가속도 5g의 랜덤 진동 시험을 2시간 동안 실시하며, 패드 위 비아는 어떠한 손상도 없어야 합니다.

납땜성 시험

패드 위 비아에 대해 납땜성 시험을 실시하여 납땜 공정에서의 성능을 확인합니다. PCB를 솥에 담가 패드 위 비아가 솔더와 접촉하도록 한 후, 솔더가 홀 벽을 잘 적셔 균일한 솔더 층을 형성하는지 관찰합니다.

예를 들어, 패드 위 비아 내 솔더의 오름 높이는 홀 깊이의 최소 75% 이상이어야 하며, 솔더 표면은 매끄럽고 기공, 핀홀 등의 결함이 없어야 합니다.

4. 외관 검사

평탄도

PCB 표면은 평평해야 하며, 패드 위 비아 주변에 명백한 돌출이나 함몰이 없어야 합니다. 평탄도 측정기를 사용하여 PCB 표면을 측정하여 평탄도가 요구사항을 충족하는지 확인할 수 있습니다.

예를 들어, 일반 PCB의 경우 표면 평탄도는 ± 0.1 mm 미만이어야 합니다. 고정밀 PCB의 경우 평탄도 요구사항이 더 높아 ± 0.05 mm 이내일 수 있습니다.

청결도

PCB는 청결하게 유지되어야 하며, 패드 위 비아 내에 잔류 오일, 먼지, 솔더 찌꺼기 등의 이물질이 없어야 합니다. 육안 검사 또는 현미경 관찰을 통해 패드 위 비아의 청결도를 확인할 수 있습니다.

패드 위 비아에 이물질이 있으면 전기 연결의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있으며, 심지어 단락과 같은 고장을 일으킬 수 있습니다.

PCB 상의 패드 위 비아는 생산 및 유지보수를 위해 명확하게 표시되어야 합니다. 표시에는 홀 번호, 네트워크 이름, 홀 크기 등의 정보가 포함되어야 합니다.

표시는 실크 스크린 인쇄, 레이저 마킹 등의 방법으로 수행할 수 있으며, 표시가 선명하고 견고하며 쉽게 마모되거나 떨어지지 않도록 해야 합니다.

5. 패드 위 비아에 대한 IPC-6012D 또는 IPC 4671 VII 표준,

비아 충전재와 구리 패드에 대한 금속 코팅의 접착력. 구리 두께. 충전재와 구리 표면 사이의 평탄도. 충전재와 금속화 사이의 열팽창 계수 불일치로 인한 공극(충전재 수축). 100% 미만의 비아 충전은 금속화 캡이 너무 얇아지거나 딤플이 발생할 수 있으며, 이는 공기가 갇혀 BGA 솔더 조인트에 공극을 유발할 수 있습니다. 금속화 코팅의 핀홀은 BGA 솔더 조인트용으로 의도된 캡 처리된 비아의 랜드에서 납땜 불가능한 영역을 초래합니다. 딤플로 인한 솔더 량 감소도 문제가 됩니다.

A: 완벽한 상황: 딤플이나 범프 없음.

B: 딤플 또는 범프 있음.