가스배출 화산의 해부학: 왜 Via-in-Pad는 Type VII 캡이 필요한가

물리학은 프로젝트 마감일에 무관심하다. 재료 견적 목표는 신경 쓰지 않으며, 이차 도금 주기를 건너 뛰어 20센트를 절약했다고 해서 신경 쓰지 않는다. 현대 집적 회로에서 자주 요구하는 구성 요소 패드 내에 비아를 넣을 경우, 압력 용기를 생성한다. 그 용기를 평범한 통과 구멍처럼 다루면, 가장 비싼 실리콘 바로 아래에 미세한 폭탄을 만들게 된다.

리플로우 과정에서 SAC305 솔더의 액상점(약 217°C)을 지나 245°C에 근접하는 온도로 상승한다. 그 60초 동안, 그 내부에 갇힌 수분, 플럭스 용제, 또는 공기가 팽창한다. 가스는 격렬하게 팽창한다. 만약 비아가 솔더 마스크로 ‘텐트’쳐졌다면, 그 얇은 폴리머 필름이 풍선처럼 늘어나 실패할 때까지 버틴다. 터지면, 그 위에 놓인 용융 솔더를 분사한다. 그 결과는 조인트에 크레이터, 부품이 들떠있거나, IPC 클래스 3 검사에 실패할 만큼 큰 ‘공극’이 된다. 이것이 화산 효과다. 가스는 위로만 나갈 수 있으며, 당신의 신뢰성도 함께 날아간다.

개-본(Dog-Bone)의 죽음

한때는 ‘강아지-본’ 팬아웃을 이용하면 이 문제를 완전히 피할 수 있었다. BGA 패드에서 열린 공간에 짧은 트레이스를 연결하고, 패드는 견고하게 유지하며 구멍은 분리하는 방식이었다. 그러나 고성능 디지털 설계에서는 그 시대는 이미 지나갔다.

Xilinx UltraScale+ 또는 0.4mm 피치의 고밀도 센서를 바라볼 때, 패드 간의 트레이스를 라우팅하는 기하학적 구조가 존재하지 않는다. 표준 3밀 트레이스와 3밀 간격은 실리콘 제조업체들이 제공한 것보다 더 많은 공간이 필요하다. 이는 바로 패드에 바로 구멍을 뚫어야 하는 강제 사항이다. 일부 엔지니어들은 1.27mm 피치 시대의 습관을 버리지 못하고, 강아지-본을 유지하기 위해 반지름을 위험 수준으로 줄이려 시도하지만, 이들은 수율과의 싸움에서 지고 있다. 표준 중간 규모의 제조사 드릴의 허용 오차는 결국 당신을 곤란하게 할 것이다. 물리학과 기하학은 비아가 반드시 패드 내에 있어야 함을 규정한다. 이제 질문은 '만약'이 아니라 '어떻게' 그 구멍을 채우는가 하는 것이다.

텐팅과 플러깅의 환상

가장 흔한 실수이자 가장 치명적인 현장 실패의 원인 중 하나는 표준 솔더 마스크가 비아 인 패드를 밀봉할 수 있다고 생각하는 것이다. 이는 자주 IPC-4761 타입 VI 또는 '텐트와 커버'로 명시된다. 비용 부담이 없기 때문에 유혹적이지만, CAM 엔지니어는 간단히 비아 위 마스크 오픈을 닫아 버린다.

하지만 액상 포토이미저블(LPI) 솔더 마스크는 구조적 재료가 아니다. 일종의 페인트 얇은 막이다. 패드 내 비아를 텐트 칠 때, 내부의 공기를 갇히게 한다. 245°C로 상승하는 동안 공기가 팽창한다. 마스크는 부드러워지고, 압력은 쌓여 molten 솔더 표면을 뚫고 터지며 이전에 언급한 화산을 만든다. 폭발하지 않더라도, 가스 방울은 냉각된 솔더 내부에 남아 크고 강한 공극을 형성하며, 이는 열 차단 역할을 한다. 이렇게 하면 고전력 프로세서를 구리 열 전달경로 대신 공기 쿠션 위에 놓는 셈이 된다. 텐팅은 함정이다.

일부 설계자들은 ‘플러그된’ 비아를 요청하여 뚫린 구멍이 완전히 채워졌다고 가정한다. 그러나 제조사 용어로 ‘플러깅’은 대부분 빛 차단을 위해 비아에 약간의 더 많은 솔더 마스크를 넣는 것을 의미한다. 이는 거의 구멍을 완전히 채우지 않으며, 오히려 비정상적인 표면을 생성한다. LPI는 경화 후 수축하며, 그 중앙에 움푹 들어가거나 함몰된 부분을 남긴다.

조립 공장이 그 움푹한 패드에 솔더 페이스트를 스크린으로 인쇄하면, 부피 계산이 잘못된다. 페이스트가 움푹 들어간 곳으로 침투한다. BGA 볼은 평평한 표면을 기대하지만, 지금은 간극을 넘어야 하며, 이는 ‘헤드 인 필로우’ 결함— 볼이 패드 위에 놓이지만 제대로 적시지 않아 불안정한 연결—를 유발한다. 이로 인해 공장 테스트를 통과하더라도, 고객이 최초로 디바이스를 떨어뜨리면 실패한다. 플러그는 캡이 아니며, 움푹 들어간 곳은 사고를 기다리는 결함이다.

유일한 출구: 타입 VII (VIPPO)

물리학적 리플로우 규범을 존중하는 유일한 엔지니어링 해결책은 IPC-4761 타입 VII이다. 업계에서는 이를 VIPPO(Via-in-Pad Plated Over)라고 구어로 부른다. 이는 하나의 단계가 아니며, 구멍을 다시 평평하고 단단한 구리 패드로 바꾸기 위해 설계된 일련의 제조 공정이다.

과정은 초기 드릴링과 도금 후에 시작됩니다. 제조업체는 특수 에폭시 수지를 via 배럴에 강제 주입합니다. 이것은 솔더 마스크가 아니며, 전용 구멍 채우기 화합물입니다. 경화된 후, 보드는 평탄화 단계—기본적으로 과잉 에폭시를 구리 표면과 일치시키는 기계적 샌딩—를 거칩니다. 마지막으로, 보드는 다시 도금 탱크로 들어갑니다. 채워진 샌딩된 구멍 위에 구리 캡이 도금됩니다.

그 결과는 단단한 구리처럼 보이고 행동하는 패드입니다. 가스가 빠져나갈 구멍이 없으며, 솔더가 흡수될 딤플도 없습니다. BGA 볼은 완벽하게 평평하고 도전성 표면 위에 놓여 있습니다. 부품에서 발생하는 열은 구리 캡을 통해, via의 도금 벽으로, 내부 플레인으로 전달됩니다. 이는 배기 가스에 면역인 일체형 구리 패드를 생성합니다.

평탄화는 이 순서의 필수 단계입니다. ‘채워진 via’라고 지정하되, ‘캡을 씌우고 도금한 것’을 명시하지 않으면, 상단에 노출된 수지 화합물이 있는 에폭시 배럴이 생성됩니다. 솔더는 에폭시와 잘 붙지 않습니다. 결국 중심이 wettable 되지 않는 도넛 형태의 구리와, 딤플보다 더 나쁠 수 있는, 비 습윤성이 있는 상태를 얻게 됩니다. 캡이 필요합니다.

전도성 신화

충전 재료를 지정할 때, 지속적인 논쟁이 있습니다: 도전성 충전 vs. 비도전성 충전. 많은 엔지니어들은 ‘도전성이 더 낫다’고 직감하며, 구리 또는 은이 함유된 에폭시를 지정하는데, 이는 열 성능을 향상시킨다고 생각하기 때문입니다. 표준 신뢰성 등급의 경우, 이는 거의 항상 실수입니다.

도전성 페이스트는 주변 FR4 적층판과 상당히 다른 열 팽창 계수(CTE)를 가지고 있습니다. 작동 중 보드가 가열되고 냉각되면서, 보드는 한 방향(줄기축 확장)으로 확장되고, 도전성 충전은 다른 방향으로 확장됩니다. 이 불일치는 구리 배럴 도금에 압력을 가하며, 충분한 열 사이클 후에 충전재는 쐐기처럼 작용하여 구리 무릎을 cracked하거나 도금과 구멍 벽을 분리시킵니다.

비도전성 에폭시 는 표준 Tg170 FR4 적층판의 CTE에 맞게 특별히 제조되었습니다. 이는 보드와 함께 움직입니다. 그리고 열 관련 논쟁에 관하여: via 내의 열 전달은 주로 구리 도금 실린더를 통해 일어나며, 코어를 통해 일어나지 않습니다. 은 함유된 via와 표준 에폭시 충전 via 사이의 열 저항 차이는, 95% 애플리케이션의 경우 무시할 만합니다. 배럴의 전기 저항만이 유일한 측정 기준인 50암페어 이상의 DC 전류를 라우팅 하지 않는 이상, 도전성 충전의 신뢰성 위험은 이론적 이득보다 큽니다. 비도전성 충전만 고수하세요.

Fab 노트 작성

당신의 의도를 추측하도록 CAM 엔지니어를 믿지 마세요. 만약 패드 내의 비아를 그대로 두고 Gerber를 보내면, 신중한 업체는 작업을 보류할 것입니다. 예산이 적은 업체는 그냥 개방된 구멍으로 처리하며, 조립 과정에서 솔더가 배럴을 따라 흡수되어, 부품 핀이 말라 버릴 수 있습니다—이것이 바로 ‘솔더 도둑’의 전형입니다.

제조 도면에 특정 레이어 또는 명확한 텍스트 블록을 반드시 추가해야 합니다. 명확해야 합니다. ‘플러그드’와 같은 모호한 용어는 사용하지 마세요. 업계 표준 정의를 사용하세요:

“모든 BGA 패드 내 비아(또는 특정 레이어)는 IPC-4761 Type VII로, 비전도성 에폭시로 충전되고, 평탄화되어, 최소 12μm 구리 캡으로 도금되어야 합니다. 최종 표면은 평평하고 솔더러블해야 합니다.”},{

이 프로세스는 비용을 추가합니다. 볼륨과 샵에 따라, 추가 도금 사이클과 수작업 평탄화 단계를 필요로 하기 때문에, 이는 15%에서 30%까지 기판 가격에 더해질 수 있습니다. 하지만 당신은 구멍에 대해 지불하는 것이 아니라, 화산이 없는 것에 대해 지불하는 것입니다. 그 20% 기판 비용 증가를 공기 방울에 떠 있는 QFN 때문에 폐기하는 5,000개 생산 라인의 비용과 비교하세요. 수학은 간단합니다. 물리는 협상하지 않습니다.