마이크로비아 그 이상으로 진화하는 HDI

마이크로비아 그 이상으로 진화하는 HDI

 

마이크로비아 그 이상으로 진화하는 HDI

마이크로비아를 활용한 HDI의 출현은 구리 상호연결 시스템을 확장시키는 데 있어 중요한 역할을 담당해 왔다.
이와 더불어 마이크로비아 이상의 단계로 넘어가는 HDI의 진화 역시 향후 이러한 확장을 지속하는데 있어
상당히 중요한 요소로 작용할 것으로 예상된다.
이 글에서는 이를 실현하는 방법으로 마이크로비아와 Z-상호연결 기술을 결합해 HDI를 
기존의 마이크로비아 수준 이상으로 끌어올리는 구체적인 방법을 살펴본다.

James W. Fuller, Jr. ENDICOTT INTERCONNECT TECHNOLOGIES


보다 우수한 상호연결 성능을 제공하기 위해 전자산업이 발전을 거듭함에 따라, 몇 가지 기본적인 사실들이 계속해서 강화될 전망이다. 
이를 구체적으로 살펴보면, 그 첫 번째는 바로 향후 상호연결 기술이 미래에 요구되는 성능 매트릭의 획기적인 발전을 위해 광 접속(optical inter-connection)에 보다 많이 의존하게 될 것이라는 점이다.
두 번째는 전자 상호연결 관련 업계에서 기존의 구리 기반 인프라를 활용하기 위해 가능한 오랜 기간 동안 기존 체제를 유지할 것으로 예상되기 때문에, 광 접속 발전에 필수적인 대규모 투자는 한동안 지연될 것으로 보인다.
이 같은 업계 흐름으로 인해 실제로 광 기반의 시스템이 지속적으로 확산되고는 있지만, 이러한 추세는 울트라 하이 엔드(Ultra-high-end)급 성능 규모에 치중하는 모습이 관찰되고 있다. 하지만 아직도 상당 부분의 시스템 개발은 계속해서 구리 기반의 상호연결 체계 및 구리 구조의 지속적인 발전에 의존하고 있다.
이러한 상황에서 마이크로비아를 사용한 HDI (High Density Interconnect)의 출현은 구리 상호연결 시스템의 활용도를 확장하는 데 있어 매우 중요한 개발항목으로 주목 받고 있다. 더불어 마이크로비아 이상의 단계로 넘어가는 HDI의 진화 역시 이러한 확장을 지속하는데 있어 상당히 중요한 요소로 작용할 것으로 예상된다.
한편 기존에는 전자 장치의 전체 수명 동안 성능 향상을 측정하기 위한 지향성 지표로서, 무어의 법칙(Moore’ s Law)이 상당히 중요하게 고려돼 왔다. 특히 이 중에서도 반도체 시설을 세워 유지하는데 필요한 어마어마한 비용과 이와 맞먹는 지적재산의 장벽으로 인해 수십 년 동안 반도체 속도와 성능이 주된 관심의 대상이었다.
이를 기반으로 전자 업계의 먹이사슬에 포함되는 다양한 영역에서는 점진적인 발전이 실현돼 왔다. 
그러나 이 과정에서 반도체 성능이 상호연결 성능보다 발전 속도가 빨라졌기 때문에, 이것이 새로운 시스템에서 게이팅(gating) 성능 인자가 되기 전에 해결이 필요한 성능 차이 문제를 유발하고 있다.
게다가 최근에는 이러한 PWB의 점진적 발전이 대규모 산업 합병과 지속적인 재정적 압박으로 인해 전 세계적으로 주춤거리는 모습을 보이고 있는데, 특히 미국에서는 여러 가지 요인으로 인해 현재 단지 2~3백 개의 PWB 제조시설만 남은 것으로 조사됐다. 이는 PWB 제조시설이 지난 10~12년간 무려 10배나 감소했음을 시사한다.
이 같은 동적 변화로 인해 관련 제조업체는 사전에 적극적으로 투자하기보다는 상황에 맞춰 각종 여건을 고려해 신중하게 투자하는 방식으로 입장을 바꾸고 있다. 또한 이러한 문제와 맞물려 최종 고객 측면에서 봤을 때 PWB 설계 및 제조 전문성이 지속적으로 약화되고 있고 운영 기술 능력이 전반적으로 저하되고 있어, 혁신적인 기술에 대한 필요성이 그 어느 때보다 절실하게 요구되고 있는 실정이다.
이와 같은 PWB 산업의 역사를 되짚어보면 언제나 중요한 기술적 발전은 공유를 통해 변화하고 있음을 알 수 있다. 예를 들면 스루홀에서 SMT로의 마이그레이션, BGA 피치 축소, 비아 직경 감소, 종횡비(Aspact ratio) 증가는 물론, 부조성물(subcomposite), 레지(ledge), 백드릴링 및 혼합재를 결합하는 매우 독특한 구조는 서로 연관성을 갖는 상호연결의 유기적 부분을 가능하게 만들고 있다.
그리고 이러한 기술적 발전에는 베리드 및 블라인드 마이크로비아도 포함된다. 물론 이 분야에서는 레이저 블라인드 비아와 기계적 비아가 1980년대 이후부터 지속적으로 사용돼 오긴 했지만, 1990년대 중반부터는 마이크로비아가 업계를 장악해 폭넓게 사용되기 시작했다.
이와 더불어 프로세스에 포토 이미징된 마이크로비아를 사용하는 방법이 보편적으로 적용되고 있다. SLC(Surface Lam-inar Circuitry)로도 잘 알려져 있는 이 방법은 랩탑 컴퓨터의 ThinkPad 시리즈에 적용되면서 IBM의 Yasu 시설에서 상당히 중요하게 인식되기 시작했다.
그러나 재료 및 프로세스가 지속적으로 발전하면서, 결국에는 레이저 형성된 마이크로비아가 포토 이미징 방법을 추월하게 되었다. 이와 동시에 소비자 장치의 인기로 인해 이 방법에 대한 수요가 폭발적으로 증가하면서 마이크로비아 제조가 주류의 자리를 차지하게 되었다.
이때 이후로 대부분의 창의적 방법에는 마이크로비아가 적용되고 있다. 또한 부조성물 구조 및 혼합재를 결합한 다층 빌드업 계층도 꾸준한 인기를 얻고 있다. 그림 1~그림 3은 이와 관련된 몇 가지 사례를 보여준다.







물론 이들 구조들은 해결해야 할 다양한 문제들도 제시한다. 예를 들면 순차적인 처리로 인한 스크랩 증가와 본질적으로 더욱 미세해진 피처로 인해 산출량이 현저하게 줄어드는 문제가 지적되고 있다. 
또한 길어진 주기의 순차적 프로세스 흐름과 관련된 까다로운 작업, 도금 문제, 히트 수명 제약사항, 더욱 미세해진 드릴용 날로 인한 비용 상승도 우려되고 있다. 
게다가 전기적 성능은 제품이 백드릴링될지라도 스터브(stub)의 존재와 귀중한 배선 채널의 소비로 인해 점차 저하될 것으로 예상되고 있다.
그렇다면 이와 같은 패키징의 ‘궁극적인 목표(Holy grail)’는 무엇일까? 이는 전기적 우월성을 제공하는 강력한 설계 규칙 세트를 기반으로, 인건비 및 재료비 등 운영비용을 줄이고 산출량을 높임으로써 전반적인 비용 절감을 달성하는 것이다. 물론 신뢰성 또한 매우 높아야 한다.
뿐만 아니라 이를 통해 제조 주기 역시 눈에 띄게 단축시켜야 한다. 이를 위해 여기에 Z-상호연결 기술을 사용하면 이러한 목적들을 모두 한꺼번에 달성할 수 있으며, HDI는 기존의 마이크로비아의 수준을 뛰어 넘어 그 이상으로 발전할 수 있다. 
이러한 Z-상호연결 기술의 전기적 이점은 이미 이전에 자세히 다룬 바 있으므로, 여기서는 전체 스터브 제거, 배선 밀도 증가, 비아 크기 최소화, 누화 감소 등의 측면을 보다 면밀히 검토할 계획이다.
구체적으로 Z-상호연결 구조는 어디에 사용되든 배선 성능을 현저하게 높여 동등한 수준의 설계로 보다 높은 배선 밀도와 낮은 계층 수를 구현할 수 있도록 지원한다. 또한 배선 이점 외에도, 여기서 설명하는 Z-상호연결/병렬 라미네이션 기법은 유기 패키징에 현재 채택되고 있는 기존의 순차적 빌드업 프로세스보다 많은 제조 이점을 제공한다. 
특히 많은 계층 수로 구성된 구조에서 무결점 하위복합물 코어를 테스트 및 매칭할 수 있어 빌드업 기술을 통해 달성할 수 있는 산출량보다 전반적으로 많은 산출량을 확보할 수 있다(그림 4).



 더불어 각각의 하위복합물 코어를 동시에 형성할 수 있기 때문에 이러한 프로세스를 이용해 빌드 주기를 현저히 단축시킬 수 있는데, 이는 필요한 배선 계층 수와는 무관하다.
이러한 이점을 통해 Z-상호연결 기술은 X-Y 평면에 피처 크기(비아, 라인/공간)를 줄이고 기존의 순차적인 프로세스가 직면하고 있는 누적 산출에 대한 영향 없이 보다 많은 계층을 추가함으로써 배선 요구사항이 매우 까다로운 애플리케이션의 해결책으로 제시되고 있다.
그리고 앞서 설명한 배선 가능성, 전기 성능 및 산출량 이점 외에도, Z-상호연결 기술을 사용하면 기존의 제조 기법 및 구조로는 구축이 불가능했던 PWB 구조를 실현할 수 있다. 
이에 대한 한 가지 사례를 그림 5에 나타낸다. 



이 그림을 살펴보면 이 기판을 만드는데 필요한 비아 직경은 제조 불가능한 종횡비를 요구하고 있다는 사실을 알 수 있다. 
하지만 조정 가능한 직경에 맞춰 비아 크기를 재조정하면 상당량의 배선 면적을 소비해야 하므로 PWB 크기를 확장할 수밖에 없는데, 이는 결국 상호연결 시스템이 기능 요건에 부합되지 못하는 결과를 초래하게 된다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 Z-상호연결의 파워를 이용해 이 기판을 4개의 하위복합물로 세분화했다. 그 결과 보다 소형화된 비아 직경 덕분에 하위복합물 레벨에서 제조 가능한 종횡비를 구현하고 PWB 구조와 성능을 만족시킬 수 있었다.
또한 이 제품은 4개의 하위복합물 빌딩 블록 스택업에서 Z-상호연결을 이용하므로, 가장 작은 빌딩 블록이 사용될 때 Z-상호연결의 전체 파워를 달성할 수 있었다. 그림 6에서 관찰할 수 있는 이 제품은 전체 패키지에서 복제 가능한 2s0p 또는 2s1p 구조를 활용하고 있다.



이를 통해 실현되는 높은 병렬처리는 주기 시간을 최소화하고 산출량은 최대화한다. 
또한 모든 제품의 일관된 특성 덕분에 제조 효율을 상당히 개선시킬 수 있다. 게다가 이들은 모두 동일한 프로세스 흐름을 갖는 동일한 빌딩 블록을 사용한다. 
요약하자면, Z-상호연결 제품은 패키징 기술을 통해 구현할 수 있는 최고 수준의 상호연결 유연성과 밀도를 제공해 우수한 전기적 특성 뿐만 아니라 산출량을 제공하고 주기 시간을 단축시켜 탁월한 제조성을 보장한다. 
따라서 이러한 장점을 제공하는 Z-상호연결 제품을 이용하면 열주기 테스트를 성공적으로 수행해 신뢰성 높은 구조를 형성하는 동시에 우수한 성과를 달성할 수 있다. 

출처: http://www.hellot.co.kr/new_hellot/magazine/magazine_read.html?code=103&sub=001&idx=13041