비아인패드는 고밀도 PCB 설계에 사용되는 고급 스루홀 기술입니다. 이 기술의 핵심 기능은 도금 스루홀(PTH)을 표면 실장 부품의 패드에 직접 통합하여 스루홀에 구리와 같은 전도성 물질을 증착함으로써 전기적 연결을 수행하고, 납 마스크로 홀을 덮어 납땜 신뢰성을 확보하는 것입니다.
기존의 스루홀과 달리, 전통적인 PTH는 일반적으로 부품 패드 외부의 비용접 영역에 배치되며 패드와 연결되기 위해서는 추가 트레이스를 통해 연결이 필요하다. 반면, Via-in-Pad 방식은 이러한 전이 구조를 생략하고 스루홀과 패드를 직접 통합할 수 있게 한다. 이 설계는 마치 패드 중심에 '직접 채널'을 개설하는 것과 같아 신호 전송 경로를 현저히 단축시키고, 신호 지연과 손실을 줄일 수 있다. 실제 활용 가치 측면에서 패드 내 스루홀(via-in-pad)의 장점은 공간 활용과 성능 향상이라는 두 가지 측면에 집중된다: 스루홀을 패드 내부에 내장함으로써 PCB 상의 배선 공간을 줄여 제품 소형화에 기여할 수 있고, 동시에 짧아진 신호 경로는 임피던스 급변의 위험을 줄이며 신호 무결성을 향상시킬 수 있다.
그러나 이 기술은 제조 공정에 더 높은 요구사항을 제시합니다. 드릴 가공 정확도(구멍 지름이 일반적으로 ≤0.3mm)와 홀 벽의 구리층과 패드 사이의 신뢰성 있는 연결을 보장하기 위한 도금 균일성을 정밀하게 제어할 필요가 있습니다. 또한 일부 설계에서는 용접 시 기포나 냉납현상을 방지하기 위해 홀에 수지를 충전하고 평탄화하는 것이 요구됩니다. 따라서 제조 비용이 기존 PTH보다 높으며, 고밀도 및 고성능이 요구되는 적용 분야에서 주로 선호됩니다.
패드 내 빈 구조의 적용은 PCB 배선 밀도와 부품 특성 등을 종합적으로 고려하여 판단해야 합니다. 다음은 특정 시나리오에 대한 설계 권장사항입니다:
PCB 라우팅 초기 단계에서 팬아웃 설계를 완료한 후, 내층 라우팅이 일반적인 비아를 통해 가능하다면 비아인패드(Via-in-Pad)를 사용할 필요가 없습니다. BGA 패키지 소자 예로 들어보면, 패드 간의 팬아웃 경로가 중앙 영역에 위치할 경우 비아 및 라우팅 파라미터를 최적화함으로써 효율적인 라우팅이 가능합니다. 일반적인 설계 기준은 다음과 같습니다.
위의 파라미터를 기준으로 BGA 핀 간격이 0.35mm보다 클 경우 패드 간 공간이 일반 비아와 배선을 수용할 수 있을 만큼 충분하여 비아인패드 없이도 팬아웃이 가능합니다. 이 경우 전통적인 설계 방식을 선택함으로써 비용과 공정 신뢰성 사이의 균형을 보다 잘 맞출 수 있습니다.
부품 핀 간격이 너무 작아서 일반적인 팬아웃(fan-out) 방식으로 배선이 어려울 때, 패드 내 빌릿(via-in-pad) 방식은 필수적인 선택이 됩니다. 예를 들어, 고밀도 BGA 패키지의 패드 간격이 좁아 기존의 빔과 배선을 크기 제약으로 인해 배치할 수 없는 경우, 이때는 빔을 패드에 직접 배치하고, Via-in-Pad 방식을 통해 내층 또는 하단층 배선 경로를 확보함으로써 배선 혼잡으로 인한 신호 지연 또는 배치 실패를 방지할 수 있습니다.
요약하자면, Via-in-Pad의 핵심 응용 목적은 "고밀도 배치에서의 배선 병목 현상"을 해결하는 것입니다. 설계 시에는 핀 간격과 팬아웃 파라미터를 통해 실현 가능성을 먼저 평가한 후, 성능, 비용, 제조 용이성 사이의 최적 균형을 달성하기 위해 해당 방식을 채택할지를 결정해야 합니다.
BGA 소자의 핀 수가 적은 경우에는 기존의 팬아웃 설계 방식으로 배선 요구사항을 충족시킬 수 있어 Via-in-Pad 기술에 의존할 필요가 없습니다. 그러나 BGA 소자의 핀 수가 많아질 경우 팬아웃용 비아(via) 수가 급격히 증가하면서 제한된 배선 공간을 차지하게 되어 신호 경로에 혼잡이 발생합니다. 이 경우, 비아를 Via-in-Pad 방식으로 통합함으로써 기존의 독립적인 '패드 + 비아' 구조를 하나로 합칠 수 있어 PCB 표면 공간을 크게 확보하고 고밀도 배선이 가능하도록 조건을 마련할 수 있습니다.
특히 BGA 핀 피치가 0.3mm 이하로 줄어들 경우 패드 간에 기존 비아와 트레이스를 배치할 만한 공간이 부족해지며, 이때 Via-in-Pad 기술은 배선 병목 현상을 돌파하는 핵심 수단이 됩니다. 패드 내부에 비아를 내장함으로써 동일한 층에서의 복잡한 배선으로 인한 신호 지연이나 교차 간섭을 방지하면서 신호를 바로 내부 또는 하단층으로 전달할 수 있습니다.
고속 회로 설계에서 필터 커패시터는 일반적으로 BGA 소자 근처에 배치되어 전원 노이즈를 억제하고 신호 무결성을 보장합니다. 그러나 BGA 내부에 기존의 다수의 스루홀을 사용할 경우, 스루홀의 뒷면 영역이 커패시터 패드와 '영역 경쟁'을 하게 되어 커패시터를 칩 핀 근처에 배치할 수 없게 됩니다.
패드 내 빌(Via-in-Pad) 기술은 스루홀을 BGA 패드에 통합함으로써 뒷면 커패시터와의 공간적 갈등을 완전히 회피할 수 있으며, 필터 커패시터가 BGA 아래 또는 가장자리에 '밀접하게' 배치될 수 있도록 보장함으로써 전원 경로를 단축시키고 필터링 효율을 향상시킵니다. 이는 고주파 및 고속 회로의 안정성에 매우 중요합니다.
1. 최종적으로 PCB 배선 공간을 확보함: 스루홀과 패드의 통합 설계를 통해 표면 공간 점유율을 30% 이상 줄일 수 있으며, 특히 스마트폰 메인보드 및 산업용 제어 모듈과 같은 고밀도 소형 설계에 적합함.
2. 발열 및 전기 성능 향상: 프로세서 및 전원 칩과 같은 고출력 장치에서 Via-in-Pad 방식은 열 저항을 감소시키고 열을 내부층 또는 방열층으로 빠르게 전도하여 국부적 과열을 방지함; 동시에 전원/신호 경로가 단축되어 기생 인덕턴스 및 저항을 줄이고, 신호 감쇠 및 전압 강하를 감소시킴.
3. 배치 유연성 향상: 고밀도 패키징에서 "배선 채널 부족"이라는 문제를 해결하여 멀티채널 RF 모듈과 같은 복잡한 회로의 배치를 보다 용이하게 함.
1. 공정 복잡성 증가: 홀 충전 및 표면 평탄화와 같은 특수 공정이 요구되며, 이는 보다 높은 드릴링 정확도와 도금 균일성을 필요로 하며, 홀 내부의 버블 및 표면 오목 현상과 같은 결함이 발생하기 쉽습니다.
2. 제조 비용 증가: 특수 공정은 PCB 비용을 15~30% 증가시키며, 추가적인 품질 검사 및 재작업으로 인해 생산 주기가 연장됩니다.
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