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한국과학기술원 전자부품 · 재료설계 인력교육센터

HDI 기술

서울대학교이 호 영

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한국과학기술원 전자부품 · 재료설계 인력교육센터2

HDI 기술

목 차

1. PCB의 개념 및 용도

2. PCB의 분류

3. BGA 기판

4. 패키징 기술과 I/O 밀도

5. 반도체와 PCB의 선밀도

6. Drilled-Hole 기술의 한계

7. Drilled-Hole 기술의 대안

8. Build-up PCB

9. SLC (Surface Laminar Circuitry)

10. ALIVH (All Layer Internal Via Hole)

11. B2IT (Bumped Buried Interconnection)


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1. PCB의 개념 및 용도 (1/4)

PCB (Printed Circuit Board: 인쇄회로기판)전기 절연성 재료의 표면 및 내부에 도체회로를 형성시킨 것으로,

전자부품이실장되지않은상태의기판을일컬음.각종 전자부품들을 실장(mounting)하여 이들을 기계적으로

고정해주고, 전기적으로연결해주는기능을함.

PCB의특징

가전기기로부터 컴퓨터 , 통신 , 산업용 및 군사용 기기에이르기까지모든전자제품의근간을이루는핵심부품

사용되는 기기에 따라 설계회로 및 제조방법이 서로 다른 다품종, 소량으로주문생산되는것이일반적임

생산공정이복잡하고, 고도의기술이필요함

제품의기술개발속도가빠름


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전자부품

DSC (Digital Still Camera)분해

확대

PCB ( 전자부품이 장착된 상태)

PCB

전자부품

그림 1

그림 1은 DSC (Digital Still Camera)를 분해한

사진입니다.

빨간 화살표부분이 PCB입니다. DSC의 경우

내부에 1개의 PCB가 장착되는 것이 아니라

4~5개의 PCB가 장착되어 집니다.

일반적으로 PCB 상하면에는 전자부품이 장착

(파란 화살표 부분) 되어 있습니다.


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LCD 액정부

Main Board 부


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회로 (Copper로되어있음)회로

PCB

부품간전기적신호

Chip 부품

구멍 (HOLE)

Inner Layer


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2. PCB의 분류 (1/6)

PCB는 ‘인쇄회로기판(통상적인 PCB, mother board)’과‘패키지용기판(Package Substrate)’로대분류.인쇄회로기판은 ‘Rigid 기판’과 ‘Flexible 기판’ 그리고

‘특수기판’으로분류함.Rigid 기판⇒ 층간절연재료가 paper 또는 glass epoxy

Flexible 기판 ⇒ 절연재료가 폴리이미드(고분자의 일종)

층수에의하여단면, 양면, 다층기판으로분류함.다층기판중, Micro Via가형성된기판⇒ Build-up PCB

Build-up PCB도재료와형성방법에따라세분함(추후설명)

패키지용기판(Package Substrate)도 ‘Rigid 기판’과‘Flexible 기판’ 그리고 ‘특수기판’으로분류.


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2. PCB의 분류 (2/6)

일반 기판

층수별 재질별 설계 밀집도별 굴곡 여부별

일반 기판 연성(flex) 기판단면 기판 Epoxy 기판

HDI 기판 경성(rigid) 기판양면 기판 PolyimIde 기판

4 층 기판

8 층 기판

10층 기판

B.T 기판

Metal core 기판

Teflon 기판

연경성 기판(Rigid flex)

※상기의 분류는 편의에 의한 분류일 뿐 절대적인 분류가아님을 알려드립니다.다층 기판 (MLB)


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2. PCB의 분류 (3/6)BGA

(Ball Grid Array)

PBGA(Plastic BGA)

TEBGA(Thermal

Enhanced BGA)

FCBGA(Flip ChipBGA)

CSP(Chip Scale Package)

EBGA(Enhanced BGA)

SBGA(Super BGA)

C2BGA(Conducted Cooled BGA)

Special Products

SiP(System In Package)

BOC(Board On Chip)

Special Structure

LDP(Leadless Designed

Package)

VOP(Via On Pad)FC-CSP

(Flip-Chip CSP)

Special Products

MCM(Multi Chip Module)

Rigid BGA(Rigid Substrate)

Flexible BGA(Polyimide Substrate)

TEBGA(Thermal

Enhanced BGA

CSP(Chip Scale Package))

FBGA(Flex BGA)

Flex ArrayμBGA

(Micro BGA)WBGA

(Window BGA

TBGA(Tape BGA)

)

※상기의 분류는 편의에 의한 분류일 뿐 절대적인 분류가아님을 알려드립니다.


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2. PCB의 분류 (4/6)

2-1. 단면 기판

단면 PCB

회로 (Copper로되어있음)

회로

전자부품 (chip) 연결 부위


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2. PCB의 분류 (5/6)

2-2. 양면 기판

회로

양면 PCB

관통HOLE


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2. PCB의 분류 (6/6)

2-3. 다층 기판

회로

다층 PCB

관통HOLE

여러 층을 쌓아 한꺼번에 열과 압력으로

눌러 붙임 -> 겉으로는 단층으로 보임


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3. BGA 기판 (1/5)

3-1. BGA

0 level Package(Die Protection)

1st level Package(Die to Package )

3rd level Package(Card to Board)

2nd level Package(Package to card)

BGA일반 다층 기판

일반 다층 기판 SYSTEM

Die


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3. BGA 기판 (2/5)

3-2. BGA 크기의 변천

Area array

PCB base

packagePeripheral array

Lead frame

base package


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3. BGA 기판 (3/5)

3-5. BGA 기판의 구조

PTH (Plated Through Hole)

BVH (Blind Via Hole)

SR (Solder Resist)

CCL

(Copper Clad Laminate)

Prepreg

Plated Ni

Plated AuPlated Cu

Bond Lead (Bond Finger)

Solder Ball Pad


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3. BGA 기판 (4/5)

3-6. BGA 패키지의 구조

< 일반적인 PBGA의 구조 >

EMC (Epoxy Molding Compound)

Die

Solder Ball

SR (Solder Resist)

Die AdhesiveAu wire

EMC (Epoxy Molding Compound)

Solder Ball

SR (Solder Resist)

Die AdhesiveAu wire

Die

< 일반적인 CSP BGA의 구조 >


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3. BGA 기판 (5/5)

3-7. BGA 패키지의 실장CSP package

< 일반 다층 기판 OR HDI 기판 >

실장 전

실장후

PBGA package

CSP package

실장 후

< 일반 다층 기판 OR HDI 기판 >


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4. 패키징 기술과 I/O 밀도

BGA와 CSP의개발에따라 PCB업계는 ‘고밀도화’에대한압력을받게됨.반도체의선밀도는꾸준히증가하였지만, PCB는

그렇지못함(몇년동안격차가더욱벌어짐).


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5. 반도체와 PCB의 선밀도

PCB업계는 50마이크론장벽을넘지못하고있었음.이는기계적 Drilling을이용하여구멍(hole)을형성하는

Drilled-Hole 기술의한계에기인함.


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6. PCB 제조공정 (1/12)

6-1. PCB 원재료

< Total Process of CCL >


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6. PCB 제조공정 (2/12)

6-2. Prepreg

Prepreg란 CCL의 제조 과정에서 B-stage상태로 제품화되는 것으로서 주로 4층

이상의 PCB에 외곽 절연층으로 사용되는 원재료입니다.

■ Prepreg의 구성 요소

(1) Resin system ( Epoxy resin + Resin chemical )

(2) Glass fabric

■ B-stage의 정의

Thermo-set type 합성수지의 중간경화단계를 뜻하는 말.

경화단계는 크게 세 단계로 나눌 수 있다.

- A-stage: 경화되지 않아 액체처럼 흐를 수 있는 단계

- B-stage: 완전히 경화되지 않아 무른 고체 상태에 있는 단계

- C-stage: 완전히 경화되어 단단한 고체 상태에 있는 단계 (비가역적임)


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6. PCB 제조공정 (3/12)

6-3. Copper Foil


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6. PCB 제조공정 (4/12)

6-4. Copper Foil의 제조공정


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6. PCB 제조공정 (5/12)

6-5. 생박형성과정

1段階 :

核生成

2段階 :

成長

3段階 :

最終成長

구 분

Drum

단면 형상

Drum面(S面)

Drum面(S面)

Drum面(S面)

비 고☞ Drum면에전체적

으로핵생성(균일한핵생성중요)

☞생성된핵성장

☞성장하는결정중일부만최종성장


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6. PCB 제조공정 (6/12)

6-6. PCB 제조 기본 공정

CCL Drill Dry film (resist) 도포동 도금

현상 Etching Dry film 박리노광

Solder Resist

도포표면처리현상노광

외형가공 전기검사/외관검사 포장


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6. PCB 제조공정 (7/12)

6-7. 양면 PCB 제조 공정

원재료로는 CCL을 사용하며 CCL은 Copper clad laminate의 약자로

Dielectric substrate인 laminate의 위와 아래에 copper가 붙어 있는 형태입니다.

CCL

Drill

Dielectric은 단어 뜻 그대로 절연체로 top side와 bottom side를 절연시키고 있기

때문에 도통을 위해서 top side와 bottom side를 연결하기 위한 통로가 필요하며,

이를 위해서 drill을 이용하여 구멍(hole)을 만들게 됩니다.

구멍이 만들어 진 후에는 전기적인 연결을 위해서 copper plating을 실시하는데

먼저 절연체에 촉매 처리를 한 후 무전해 구리도금(electroless cu plating)을 하여

전해 구리도금(electrolytic cu plating)을 하기 위한 씨앗층(seed layer)를 형성한다.

그 후에 안정적으로 전해 구리도금을 하게 됩니다.

동 도금


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6. PCB 제조공정 (8/12)

위와 아래의 전기적 연결이 끝나면 이제 본격적으로 회로를 형성하게 됩니다.

회로를 형성하기 위해서 빛에도 반응 할 수 있고 Etching 시에도 견딜 수 있는

Resist가 필요하며 여러 종류가 있으나 가장 범용적으로 사용되는 것은 Dry film

입니다. 사진 찍을 때 필요한 필름과 비슷하다고 보시면 되며 이러한 Dry film을

Panel 전체에 입히게 됩니다.

Dry film (resist) 도포

Dry film이 입혀진 상태에서 필요한 회로의 image를 형성하기 위해서 Exposure

라는 작업을 하게 되며 사진을 찍을 때 셔터가 열리면서 필름에 상이 맺히듯이

Exposure를 통해서 필요한 회로 형상들이 Dry film 상에 형성되게 되며 그림에서

보는 바와 같이 회로가 될 부분들은 빛(자외선)에 노출된 부분들은 경화

(polymerization)됩니다.노광

Development(현상) 공정에서는 빛(자외선)에 노출되어 경화(polymerization)된

부분들을 제외한 부분들 즉 빛에 노출되지 않은 부분들이 현상액(탄산나트륨)에

용해되어 제거되며 제거된 부위의 Copper는 노출되게 됩니다.

현상


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6. PCB 제조공정 (9/12)

Etching 공정에서는 노출된 copper들이 etching 액에 의해서 녹아 없어지게 되며

Dielectric 부분들이 드러나게 되며 실질적으로 회로가 형성이 됩니다.

경화된 dry film 아래 부분들의 cooper는 dry film의 보호를 받아 녹지 않습니다.

Etching 액은 주로 염화동 용액이나 염화철 용액이 주로 사용됩니다.

Etching

Strip(박리) 공정에서는 회로를 형성하기 위해서 임시적으로 사용되었던 dry film을

수산화나트륨 용액을 이용하여 벗겨내게 됩니다.

Dry film 박리

형성된 회로는 Copper로 구성되어 있기 때문에 공기 중에 쉽게 산화되며 외부의

충격에 의해 손상되기 쉽습니다.

이를 방지 하기 위해 solder resist로 회로 부위를 덮게 됩니다.

Solder resist는 액상으로 되어 있으며 빛에 반응하여 경화됩니다.

노광을 위해서 solder resist는 미리 건조되게 됩니다.

Solder Resist 도포


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6. PCB 제조공정 (10/12)

회로 형성 시와 마찬가지로 노광 공정을 통해서 부품과 연결될 부분들을 제외하고

빛과 반응시켜 경화되게 합니다.

노광

Development(현상)을 통해서 빛과 반응하지 않은 부품과 연결될 부분들은

용해되게 됩니다.

현상

현상 후 노출된 부분들에 대해서 부품들과 연결 할 수 있도록 표면 처리를 합니다.

주로 금을 도금해 줍니다.

표면처리


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6. PCB 제조공정 (11/12)

외형가공/전기/외관 검사

완성된 제품은 고객이 요청한 크기로 절단한 후 (외형 가공)

전기 검사 및 외관 검사를 실시 한 후 포장하여 고객에게 납품하게 됩니다.


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6. PCB 제조공정 (12/12)

6-8. 다층 PCB 제조 공정

CCL (내층) Dry film 도포 노광 현상/에칭/박리 적층 (lamination)

DRILL(Laser) Cu Plating

Solder Resist 도포

현상/에칭/박리

노광/현상 표면처리 외형가공/전기검사/외관검사

Dry film 도포 노광

포장


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7. Drilled-Hole 기술의 한계

Drilled-Hole이너무 많은 공간을 차지

High pad density를제공하지못함

구멍의크기가작아질수록가격이비싸짐

작게만드는것이더어려움


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8. Drilled-Hole 기술의 대안

Drilled-Hole의이러한문제점을해결하기위하여‘Microvia (또는 Blind Via)’ 형성공정을도입

기계적드릴링을하지않고 blind via와 buried via를형성함

세가지방법이있음

Laser drilling ⇒ CO2, UV excimer, Nd:YAG laser를이용

Plasma or reactive ion etching ⇒ vacuum processing을이용

Photolithography ⇒ photosensitive polymer를이용


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9. Build-up PCB (1/2)

Build-up PCB ⇒레진이코팅된동박(RCC: Resin Coated Copper)에마치벽돌을쌓듯이 ‘절연체+전도체’층을한층씩적층하여제조하는다층인쇄회로기판을통칭하는용어/개념임.

1992년 IBM의일본 Yasu공장에서 SLC (Surface Laminar Circuit) 기술을이용하여만든 PCB가 build-up PCB의시초로알려져있음.장점: 기존의 MLB에 비하여 두께를 획기적으로 줄일 수 있음.

여기에는많은종류의공법과수많은이름으로명명된기술및공정이있음(SLC, ALIVH, B2IT 등).이러한종류의기판에대하여…...

미국에서는⇒ SBU (Sequential Build-Up)라명명하였고,

한편으로는 HDI (High Density Interconnect)라고도함.HDI 기술(또는 Build-up PCB 기술)은 Microvia를형성하여 Fine

Line과 Fine Space를갖는고밀도기판을제조를가능하게해줌.


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9. Build-up PCB (2/2)


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10. SLC (Surface Laminar Circuitry) (1/4)

SLC (Surface Laminar Circuitry) = SBU (Sequential Build-Up) = Build-up Technology (1992년에 IBM이최초개발)

공정순서① Production of Mass-Laminate② 구리에칭(Copper Etching)③ Laservia 형성 (CO2 laser)④ 무전해도금을위한표면전처리(Desmear Treatment Catalyzing)⑤ 구리무전해도금(전기도금을위한 seed층형성)⑥ 구리층패턴

⑦ 구리전기도금

⑧ Lamination


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Production of Mass-Laminate

구리에칭(Copper Etching)


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Laservia 형성 (CO2 laser)

무전해 도금을 위한 표면 전처리(Desmear Treatment Catalyzing)

구리 무전해 도금(전기도금을 위한 seed층 형성)


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구리무전해도금층패턴

구리전기도금


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11. ALIVH (All Layer Internal Via Hole)

일본 Matsushita에서발명

B-stage epoxy-aramid prepre

① Prepreg에 레이저로 구멍을 형성

② 구멍에 메탈페이스트를 충진

③ 양면에 동박을 접착

④ 동박 패턴 후 Lamination


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12. B2IT (Bumped Buried Interconnection) (1/2)

일본 Toshiba에서발명 ① 동박(Copper foil)에실버페이스트를3~4회중첩인쇄하여범프형성

② 범프를절연층속으로관통시킴

③ Copper foil with bumps/ Prepreg/ Copper foil Lamination

④ 단위공정의반복을통하여다층기판형성(다음페이지참조)


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12. B2IT (Bumped Buried Interconnection) (2/2)

Toshiba’s B2IT 공정


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< 정리 >

1. PCB란 무엇인가?

PCB는 Printed Circuit Board의 약어로 통상 인쇄 회로 기판이라고 부릅니다.

PCB는 기판 위에 탑재된 전자 부품간의 전기적인 신호를 Cu로 된 회로를 이용하여 접속시켜주는 역할을 합니다.

2. 다층(多層) 기판이란 무엇인가?

다층 기판은 다층(多層), 즉 말 그대로 여러 층입니다. 앞서 설명한 양면 기판을 여러 층 쌓아 올린 것입니다.

쌓아 올린 층수에 따라 4층,6층, 8층 등 심지어 30~40층을 쌓아 올릴 수도 있습니다. 오늘날 전자 제품이 고기능,

다양화로 가는 추세에 따라 필요한 전자 부품의 수도 늘어나고 기능도 복잡화됩니다. 이에 따라 PCB도 많은 부품을

수용해야 되고 필요한 회로도 늘어나야 함으로 다층화가 필수적으로 되어가고 있습니다.

3. PCB의 원재료는 무엇인가?

CCL, Prepreg, Cu foil 이 있습니다.

4. PCB의 기본 Process는 무엇인가? (다층 기판 경우)

CCL(내층) - Dry film 도포 – 노광 – 현상 – 에칭 – 박리 – 적층 – 드릴 – 동도금 - Dry film 도포 – 노광 – 현상

– 에칭 – 박리 – Solder resist 도포 – 노광 – 현상 – 표면처리 – 외형가공 – 전기검사 – 외관검사 – 포장

5. B2IT는 동박에 실버페이스트를 3∼4회 중첩인쇄, 범프를 형성한 다음 절연층을 관통, 층간 접속을 하는 공법으로

홀사이즈의 소형화와 동일한 층에서 범프사이즈의 다양성에 한계가 있습니다.

6. ALIVH 공법은 프리프레그 원재료에 드릴로 비아홀을 만든 후 메탈페이스트를 충진하고 양면에 동박을 접착,

층간 접속을 하는 공법으로 홀사이즈의 소형화가 어렵다는 한계가 있습니다. 그러나 조만간 단점이 개선될 것으로

전망됩니다.


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수고많으셨습니다.감사합니다.

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