2년 전, 한 고객사의 엔지니어링 감독이 PCB 제조 사고에 대해 나에게 전화를 걸었다. 그들은 제어 영역에 2밀 트레이스 폭과 2밀 간격을 갖는 전원 공급 보드를 분명히 설계했고, 전력 경로가 전류를 운반할 수 있도록 전체 적층 구조에 2온스 구리를 지정했다. 하지만 납품된 베어 보드의 수율은 약 40%에 불과했다. 연결 검사에서 패널당 수십 개의 고장난 네트워크가 발견되었다. 현미경으로 관찰해보면 제어 영역의 트레이스는 얇아 보이지 않았다—마치 샌드블라스팅을 당한 것처럼 보였다. 일부는 완전히 사라져 있었다.
여기 어색한 부분이 있다: 그 보드는 설계 규칙이 작성된 순간부터 이미 실패가 예정되어 있었다. 제조사가 실수한 것이 아니다. 습식 화학 공정의 물리적 법칙이 회로 패턴을 압도해버린 것이다.
문제를 명확히 드러내는 단위로 사양을 정리해 보자.
2밀 트레이스는 50.8마이크론 크기이다. 2온스 구리는 70마이크론 두께이다. 다시 읽어 보라: 구리 알루미늄 호일은 트레이스 폭보다 38퍼센트 더 두껍다. 당신은 에칭액에게 폭보다 높은 구조를 조각하라고 요청하고 있는 것이다—즉, 50마이크론 기반 위에 서 있는 70마이크론 벽이다. 그런 다음, 바로 옆쪽 2밀 떨어진 영역에도 똑같은 일을 하라고 요구한다.
습식 에칭은 등방성이다. 화학 반응은 어느 방향이 ‘아래’인지 인식하지 못한다. 구리에 대해 수직으로 침식하는 것과 거의 동일한 속도로 수평 방향으로도 침식한다. 업계에서는 이를 ‘에칭 팩터’라는 지표로 평가한다—즉, 수직 에칭 깊이 대비 한쪽 면의 측면 언더컷 비율이다. 양산 공정에서 에칭 팩터는 화학 조성, 장비, 공정 제어에 따라 일반적으로 2.5에서 4.0 사이이다. 내층에 사용되는 산성 구리 클로라이드는 보통 3.0~3.5를 유지한다. 외층에 사용되는 알칼리계 시스템은 이보다 낮아서 약 2.5~3.0 정도이다.
2온스 구리에 대해 에칭 팩터 3.0을 적용했을 때 계산해 보자:
필요한 수직 에칭 깊이: 70마이크론
측면 언더컷(한쪽 면당): 70 ÷ 3.0 ≈ 23마이크론
양쪽 면 전체에서의 총 폭 손실: 약 46마이크론
50.8마이크론 트레이스에서 에칭액이 46마이크론을 제거한다. 남는 것은 4.8마이크론 두께의 얇은 조각일 뿐—그것조차 완전히 남아 있을지조차 불확실하다. 에칭 팩터가 3.5일 경우, 트레이스 폭은 약 10마이크론 정도로 나온다. 어쨌든 이는 전도체라기보다는 칼날 모서리에 가깝다. 전류를 흘릴 수 없고, 저항 목표치를 충족하지 못하며, 취급 중에도 쉽게 부러진다.
그리고 2밀 간격이란? 각 트레이스 가장자리에서 동일한 23마이크론 언더컷이 간격을 50마이크론에서 약 4마이크론으로 줄인다. 구리 브리징, 마이크로 단락, 그리고 시간이 지남에 따라 발생할 수 있는 덴드라이트 성장 위험이 급격히 증가한다.
이것은 수율 문제라기보다는, 물리학적 한계가 ‘반품’이라는 옷을 입은 것이다.
여기서 바로 책임을 떠넘기는 과정에서 사라지는 부품입니다. 보정 인쇄—즉, 패턴을 넓혀서 에칭 시의 축소를 상쇄하는 CAM 공정—은 모든 진지한 반도체 제조공장에서 표준 절차입니다. 훌륭한 제조사는 완성된 트레이스가 정확히 5밀이 되도록, 5밀 설계를 5.5밀 또는 6밀 패턴 크기로 조정합니다. 이 방식은 보정량이 특성 치수에 비해 아주 작을 때 완벽하게 작동합니다.
그러나 특성 치수가 이미 기술적으로 가능한 한계에 도달해 있을 때는 이 방식이 완전히 실패합니다.
전체 언더컷이 약 46마이크론일 때 완성된 2밀 트레이스를 얻기 위해서는, 아트워크가 약 97마이크론에서 시작되어야 하며, 이는 거의 4밀 크기이다. 현재 간격 산식이 무너진다: 설계상 2개의 4밀 폭 아트워크 트레이스를 2밀 간격으로 배치하면, 패널 상에서 내구 특성 자체가 단지 약 51마이크론 떨어져 있게 된다. 레지스트는 이를 견딜 수 없다. 에칭액이 레지스트 밑을 침식시키고 들뜨게 하여, 전체 레이어에 걸쳐 예측 불가능하고 불규칙한 에칭이 발생한다. 두꺼운 구리 위의 미세선 에칭은 서서히 열화되지 않는다—그것은 혼란스럽게 실패한다.
이 때문에 업계의 최소 트레이스 크기 표는 그들이 사용하는 방법을 검토한다. 1온스 구리에서는 3밀 트레이스가 한계선이다. 2온스에서는 실용적 최소치가 5밀로 급증한다. 3온스에서는 9밀, 4온스에서는 12밀이다. 이 값들은 전통적인 가정이 아니다—이것들은 에칭 공정이 더 이상 불확실한 시도가 되지 않는 크기다. 2온스 레이어에 2밀 특성을 설계하면, 연구실 외부에서는 존재하지 않는 공정을 요구하는 셈이다.
수율 붕괴는 미묘하지 않다. 지난 3년간 약 30건의 고구리 PCB 프로젝트를 수행해 본 내 경험에 따르면, 패턴은 다음과 같다.
트레이스 크기가 구리 밀도의 약 3배 미만일 경우: 수율은 35~55% 범위이며, 결함은 주로 오픈 및 근접 오픈으로 구성된다.
트레이스 크기가 구리 밀도의 약 4배 정도일 경우: 수율은 70~85% 범위이며, 주기적으로 절연 저항 편차가 발생한다.
트레이스 폭이 구리 밀도의 5배 이상일 경우: 수율은 95% 이상으로 회복된다.
가장 무서운 결함은 완전 단락이 아닙니다. 오히려 간헐적인 개방 결함입니다—공장에서 전기적 연결 테스트를 통과하는 미세한 5마이크론 필라멘트 형태의 배선이 나중에 열 사이클링이나 공진으로 인해 균열이 생기고, 현장에서 6개월 후에야 문제가 드러나는 경우입니다. 저는 실제 현장에서 발생한 결함을 역추적해보니, 웨이퍼 파운드리에서 전기 검사를 완벽하게 통과한 기판에서 비롯된 것을 확인했습니다. AOI 이미지에서는 해당 배선이 정상적으로 보였습니다. 누구도 2밀의 모든 배선을 X-레이로 검사하지 않았고, 머리카락 굵기만큼 얇아진 배선은 깨지기 전까지는 눈치 채기 어려웠습니다.
저항 문제도 있습니다. 아주 얇은 배선이 제작되더라도 그 단면은 더 이상 직사각형이 아니라, 아래쪽이 넓고 위쪽이 좁은 사다리꼴 형태가 됩니다. 규정된 저항값은 직사각형 단면을 기준으로 계산됩니다. A 사다리꼴형 트레이스는 스택업과 언더컷 계정에 의존하는 지시를 통해 대상의 실제 불감성을 제거합니다. 차동 세트의 경우 오차 물질은 트레이스 폭이 좁아지고 트레이스 간 간격이 넓어지므로, 차동 불감성이 단일 종단보다 더 크게 변동합니다. '100옴이어야 한다'고 요구된 보드는 96옴으로 측정되었고, 90옴을 요구한 보드는 87옴으로 측정되었습니다. 최소 배치 설계는 사양에서 완전히 벗어났습니다.
2밀/2온스를 요청하는 설계자들에게 공정하게 대하고 싶습니다. 누구도 이 조합을 어렵다고 정의하지 않습니다. 일반적인 근거는 다음과 같습니다. '이 전원 레일에 3암페어가 필요하므로, 계산기에 따르면 1온스 트레이스는 이를 위해 X 너비여야 하므로, 2온스로 해서 트레이스 폭을 좁게 유지하겠습니다.' 혹은 '공간이 제한되어 있고, 2온스를 사용하면 전원 트레이스 폭을 줄일 수 있습니다.'
오류는 구리 무게를 단순히 전류 용량만 영향을 주는 조절 장치로 여기는 데 있습니다. 사실 그렇지 않으며, 구리 무게는 전체 레이어의 특성을 함께 끌어당기는 조절 장치입니다. 최소 배선 폭 및 배선 간격 동시에 두꺼운 구리층은 넓은 배선에서 전류 용량을 높여주지만, 동일한 층에서 미세한 배선을 구현하는 능력을 저해합니다. 한 가지 구리 두께로는 두 가지를 동시에 달성할 수 없습니다. 에칭 공정은 타협하지 않기 때문입니다.
이러한 딜레마에서 벗어난 팀들을 여러 차례 목격했습니다. 그 해결책들은 일관된 패턴을 따릅니다.
각 층에 서로 다른 구리 두께를 분배하세요. 2온스 또는 3온스 구리층은 넓은 배선과 여유 있는 폴리곤을 갖춘 전용 전원 층에 배치하세요. 미세 피치 제어 로직은 0.5온스 또는 1온스 층에 배치하세요. 하나의 PCB 적층 구조 내에 두 가지 구리 두께를 사용하는 것은 완전히 일반적입니다. 대부분의 다층 PCB 제조업체는 혼합 온스 적층 구조를 특별한 절차 없이 처리할 수 있습니다. 보드 비용은 약간 증가하지만, 양산 수율 향상 효과가 그 비용을 충분히 상쇄합니다.
얇은 구리층에서는 반드시 2밀 전송 배선을 유지하세요. 예를 들어 BGA 이탈 경로 배선을 위해 실제로 2밀 트레이스와 여유 공간이 필요하다면, 해당 구역은 신뢰성 있게 에칭할 수 있을 만큼 얇은 레이어에 배치해야 합니다. 우수한 알칼리 라인과 LDI 이미징을 갖춘 0.5온스 구리층은 2밀 특성을 유지할 수 있습니다. 어떤 제조 공정에서도, 어떤 화학 조성으로도, 어떤 CAM 보정 방식으로도 2온스 구리층은 이를 구현할 수 없습니다. 이는 공정 능력의 문제가 아니라 기하학적 제약 문제입니다.
구리 두께를 변경하기 전에 먼저 폭을 넓히세요. 1온스 구리에서 3암페어 레일을 구현하려면 온도 상승이 적당한 수준이 되도록 약 50~60밀 트레이스가 필요합니다. 2온스 구리에서는 동일한 레일에 대해 그 절반 정도만 필요하지만, 그래도 여전히 2밀보다 훨씬 큽니다. 만약 배선 영역이 실제로 그 크기를 수용할 수 없다면, 정답은 미세 트레이스에 2온스 구리를 적용하는 것이 아닙니다. 정답은 전용 파워 플레인을 사용하거나, 미세 패턴 없이 훨씬 두꺼운 구리층을 적용하는 것입니다.
스택업을 확정하기 전에 DFM 검토를 요청하세요. 확정 후가 아닙니다. 모든 진지한 제조업체는 제조사 친화적 레이아웃 검토를 무료로 제공합니다. 게르버 파일 업로드 시 확인할 수 있습니다. 거래 가치가 있는 업체는 주문 전에 2밀/2온스 조합을 즉시 식별해 경고하고, 예상 불량률을 명확히 알려줍니다. 제조업체가 단 한 마디의 유의사항도 없이 2밀/2온스 기판 가격을 제시한다면, 이는 경고 신호입니다. 즉, 품질이 매우 낮은 불량률로 제작해 그 비용을 귀하에게 전가하거나, 혹은 제작 후 테스트 단계에서 문제를 직접 발견하게 놔둘 가능성이 높습니다.
두꺼운 구리와 미세한 배선은 설계 선택이 아닙니다. 오히려 서로 모순되는 개념입니다. 2온스 구리를 효과적으로 식각하는 약품은 동시에 2밀 배선을 제거합니다. 공정 기술의 어떤 고도화도 이 비율을 바꾸지 못합니다. 식각 비율 계산은 공개되어 있으며, 안정적이고, 일정 마감일 따위에는 관심이 없습니다.
고전류 기판을 정해진 일정에 맞춰 납품하는 팀들은 이 문제를 수작업으로 해결했다. 즉, 전류가 흐르는 곳에는 구리 배선을 배치하고, 신호가 전달되는 곳에는 해상도를 확보하며, 절대 하나의 구리 레이어가 두 가지 역할을 하도록 하지 않는 것이다. 지금까지 실제로 본 2밀/2온스 기판은 모두 낮은 수율의 프로토타입이었거나, 현장에서 고장이 발생할 가능성이 높은 조사 대상이었거나, 식각 화학 공정에 대한 매우 비싼 교훈이었다. 그런 기판은 한 번도 양산 출하된 적이 없다.
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