[화요특집] PCB 기술동향-회로폭 0.0mm 현실화 "재촉"

"아날로그에서 디지털로, 그리고 보다 작고 얇게"라는 세트의 변화는 두뇌에 해당하는 반도체의 용량을 무한대로 끌어올리고 있다. 반도체의 변화는 또 패키지의 격변을 재촉하고 있으며 이는 결국 PCB 제조기술을 뿌리째 바꿔놓고 있다. 회로폭 "10um(0.01mm)"의 세계로 치닫고 있는 PCB 기술동향을 점검 한다. 〈편집자주〉 세트의 다기능 및 초박형화 요구에 부응해 반도체의 집적도는 기하급수적으로 높아지고 있다. 메모리분야에서는 2백56MB 시대가 다가오고 있고 1기가급 제품도 곧 개발될 예정이다. CPU 또한 "펜티엄"과 "파워PC"가 486을 몰아냈으며 686급 "P6"의 등장이 임박해 있다.

반도체 기술의 빠른 발전은 반도체를 담는 패키지기술의 급진전을 수반한다.

집적도는커지는 반면 세트의 특성상 패키지가 얹혀질 공간은 한정돼 있기때문이다. 이에따라 기존의 개념을 완전히 뒤엎는 첨단기술이 선보이는 등 PCB 제조기술 및 관련기술도 급변하고 있다.

우선 PCB 규격(스펙)의 변화가 가장 두드러진다. 그중에서도 대표적인 것이고밀도 파인패턴화와 이에따른 기판면적의 축소. 칩 크기는 점점 작아지는반면 I/O수의 증가로 패키지의 리드(핀) 수가 같이 늘어나고 있다. 따라서 리드폭도 훨씬 좁아져 QFP(Quad Flat Package)의 경우 0.3mm까지 근접, PCB 의 고밀도 파인패턴화가 불가피해졌다.

반도체 뿐만 아니라 일반 SMC(Surface Mount Component)부품들도 1608(1.6mm ×0.8mm) 1005 0804라는 정해진 수순을 밟으며 작아지고 있다. PCB에 장착 되는 주요 부품의 크기가 이처럼 작아지면서 PCB도 고밀도 파인패턴을 요구, 회로폭이 2백um에서 1백50으로, 또 다시 1백um(0.1mm)대까지 줄었다.

때문에 이제 핀간(2.54mm) 3라인(3LPC)은 더이상 파인패턴이 될 수 없고 그 자리를 핀간 5라인(5LPC)이 차지했다. 일본은 이미 회로폭 50um, 핀간 10라 인의 초고밀도 파인패턴기술의 상용화가 진행되고 있다.

반면 국내는 핀간 3라인이 일부 선발업체에 의해 상용화됐고 대덕전자가 "파 인50"이라는 모토 아래 50um의 상징성을 부각시키며 고밀도 파인패턴화에 주력하는 정도다.

PCB의 이같은 파인패턴화는 PGA(Pin Grid Array)방식의 SMC부품이 핀을 볼로 대치한 BGA(Ball Grid Array)로 전환되고 여러 종류의 칩이 하나의 패키지로 묶여지는 MCM(Multi Chip Module)의 사용이 본격화될 때쯤 또다른 변화를 부를 것으로 보인다.

또한 패키지기술의 빠른 발전은 BGA, MCM, FLIP칩 등 초소형 반도체 장착용P CB기술을 현실화시켜 최대 회로폭 30um, 홀구경 0.15 의 초고밀도 파인패턴 이 내일의 기술에서 오늘의 기술로 다가오고 있다.

특히 일반적인 방식처럼 패키지를 씌우지 않은 베어칩(bare chip)이 곧바로P CB에 장착되는 DCA(Direct Chip Attachment) 시대가 바싹 다가옴에 따라 파 인패턴의 새로운 전기가 마련될 전망이다.

실제로 최근엔 DCA기술의 한 개념으로 베어칩에 납땜용 솔더점퍼만을 부착해 직접 PCB에 실장하는 SLC(Surface Lamina Circuit), 이른바 빌드업(Build Up 기술이 PCB업계에서 서서히 부각되고 있다.

SLC는 포토 비아(Via)를 이용, 글자 그대로 PCB에 반도체를 그려내는 첨단 기술이다. 일본IBM에 의해 90년 첫선을 보인 이래 현재는 이비덴.NEC.CCI.후 지쯔.메이코 등으로 채택이 확산돼 PDA(Personal Digital Assistant).PCMCI A.캠코더.노트북PC.LCD용 기판 등에 활용되고 있다.

PCB규격의 또 다른 변화로 박판화를 들 수 있다. 휴대전화기.캠코더.무선호 출기.헤드폰 스테레오.전자수첩.PDA.DAT 등 초소형 정보통신기기류의 등장은 다층기판(MLB)의 박판화를 재촉하고 있다.

때문에 1층 0.1mm 개념이 정착돼 4층 0.4mm, 6층 0.6mm, 8층 0.8mm까지 보편화되고 있다. 최근 일본.미국 등 선진국에서는 층당 0.06~0.07mm 정도의 두께까지 상용화돼 0.35mm 6층MLB가 HDD(하드디스크) 및 PCMCIA카드 등 초박형 제품에 적용되고 있는 실정이다.

이에따라 홀 구경도 점차 0.1파이(mm)이하로 크게 축소되는 추세이며 초박판 화를 위한 특수 홀들이 서서히 부상하고 있다. 대표적인 것이 휴대폰에 많이응용되고 있는 IVH(일명 Buried & Blind Via Hole).

보편적으로 6층 MLB에 적용되는 IVH는 외층과 내층을 연결하는 블라인드홀과 내층간을 연결하는 베리드홀로 구성, 1층부터 6층까지 관통하는 기존 방식에 비해 전체 PCB 면적을 4분의 1 이하로 축소할 수 있다.

PCB의 박판화와 함께 주목되는 또하나의 경향은 후판화. 일반적으로 휴대할 수 있는 초소형 정보기기를 중심으로는 박판화가 진행되고 있으나 대형 컴퓨터에서는 후판화가 뚜렷한 줄기를 형성하고 있다. 이는 또한 보통 24층 이상의 초다층 PCB기술과 일맥상통한다.

보통 통신장비에 사용되는 백 패널의 두께는 2.4~3.2mm가 일반적이다. 그러나 층수가 20~60층으로 초다층화되면서 PCB 두께도 4~13mm에 달해 초다층화 를 위해 보다 정교한 PCB 설계 및 성형기술을 필요로 한다.

그러나 "고밀도 파인패턴화"와 "초박판화"라는 두마리의 토끼를 잡기 위해서는 CCL(Copper Clad Laminate)쪽의 대응없이는 불가능하다. 이런 점에서 PCB 규격 변화에 따른 기판재료의 대응도 주목할만하다.

현재 산업용 PCB원판으로는 글라스패브릭이 보강재로 들어가는 글라스에폭시원판인 FR4가 주류를 이루고 있고 고다층 등 특수용 PCB에 한해 폴리이미드 계열의 원판이 사용되고 있다. 이밖에 유럽을 중심으로 페이퍼 페놀원판과 글라스에폭시원판의 장점을 결합한 CEM1/CEM3도 사용되고 있다.

하지만 전자제품의 경박단소화.고주파화.디지털화.고성능화에 대응한 PCB의 초박판 및 파인패턴화가 급진전됨에 따라 기존 FR4는 뚜렷한 한계를 드러내고 있다.

가장 큰 걸림돌은 실장시 온도상승에 따른 고유리전이온도(Tg). 박판화의 빠른 진행으로 가열시 원판의 수축률을 설계때부터 보정하는 문제가 관건으로 부각되고 있다. 그런데 FR4는 Tg가 섭씨 1백30도 안팎에 불과, 섭씨 2백60도 에 달하는 폴리이미드계의 반도 되지 않는다.

물론 원판 기술발전으로 선진국에선 Tg 1백80도급의 ME(Modified Epo.y) 원판까지 상용화되고 있으나 "뛰는 FR4"로 "나는 PCB" 기술을 따라잡기에는 무리가 있다.

기존 에폭시원판이 갖고 있는 또하나의 과제는 고주파에의 대응력. 초고속 정보통신, 디지털통신, 멀티미디어시대가 다가오면서 사용주파수는 수십 GHz 까지 확대됐으나 FR4의 한계는 1GHz에 불과하다.

고주파 특성에 제대로 대응하기 위해선 저유전율의 원판이 필요하다. 일례로 1MHz 때 FR4의 유전율은 4.35이고 특수 FR4는 3.9다. 이에 반해 BT(Bismalei mide Triazine)수지는 3.5, 폴리이미드는 3.4다.

결국 GHz대의 정보통신기기용 PCB원판의 요구특성인 유전율 3 이하의 원판재료가 뒷받침돼야 한다. 때문에 저유전율 원판재료로 현재 CE(Cyanate Ester) 와 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 등 테프론 계열의 수지가 주목되고있다. 보다 작고, 얇고, 세밀하게 라는 PCB사양의 변화와 이에 따른 원판기술 변화 에 발맞춰 최근엔 PCB 제조 프로세스 자체의 변혁도 활발히 일고 있어 관심을 끈다.

우선 거론되고 있는 것이 직접이미지기술(Direct Imaging). 이는 아트워크의회로패턴을 로광의 방법으로 보드표면에 밀착시켜 드라이필름으로 전사(tran sper)하던 기존방식과 달리 레이저플로터로 직접 드라이필름을 감광시켜 회로를 형성하는 첨단 공법이다.

기존방식이 회로폭 1백um(0.1mm)에서 한계를 보이고 있는 반면 직접이미징공 법은 50um(0.05mm)의 초미세회로까지 가능해 COB.BGA.MCM 등 차세대 패키지 장착용 PCB 제조방법으로 주목받고 있다.

도금분야 역시 직접도금(Direct Plating)이라는 신기술이 등장해 제조공정을 단축시키고 도금라인의 자동화가 실현되는 한편 그동안 공해물질로 문제가 됐던 포르말린을 도금라인에서 완전히 추방했다.

이밖에도 무전해 금도금.유기물질을 이용한 오가닉 코팅(Organic Coating), 수천개 홀을 동시에 가공할 수 있는 플라즈마 에칭, 기존 텅스텐 카바이드 비트로는 불가능한 초미세 홀 가공용 레이저 비아 드릴, 포토비아를 이용하는 SLC기술 등 다양한 신기술이 등장, "10um"으로 향하는 첨단 PCB 기술을 뒷받침하고 있다. 〈이중배 기자〉