기판 적층(stackup)은 층수보다 상하 재료와 실제 동박(copper foil) 분포를 비교합니다

먼저 알아둘 용어

적층(stackup)·동박 균형(copper balance) — 적층은 구리와 절연 재료를 쌓는 구성입니다. 동박 균형은 중앙을 사이에 둔 층들의 구리 두께와 분포가 얼마나 균형을 이루는지를 뜻하며, 층 이름이 같아도 실제 구리 면적이 다를 수 있습니다.

휨(bow)·비틀림(twist)·열팽창(thermal expansion) — 휨과 비틀림은 기판이 평면에서 벗어나는 변형입니다. 재료가 가열·냉각 때 서로 다르게 늘고 줄면 불균형이 변형에 영향을 줄 수 있습니다.

기준면(reference plane)·귀환(return path) — 기준면은 신호 전류가 돌아가는 경로와 임피던스(impedance) 형성에 쓰는 구리 면입니다. 기계적 대칭성을 맞출 때도 신호와 인접 기준면의 관계를 유지해야 합니다.

두께·재료와 실제 패턴을 순서대로 봅니다

상하 대응 층의 구리 두께, 절연층 두께와 재료를 적습니다. 이어 실제 패턴에서 한쪽은 거의 꽉 찬 면이고 반대쪽은 성긴 배선인지 살핍니다. 둘 다 신호층이라고 표시됐다고 기계적으로 같은 조건은 아닙니다. 층수의 홀수·짝수만으로 적합성을 단정하지 않습니다.

가열하거나 식힐 때 위아래 층의 열팽창이 다르면, 서로 붙은 층은 제각기 원하는 길이로 늘거나 줄 수 없습니다. 굽힘 강성(bending stiffness)은 재료가 휘는 데 저항하는 정도로, 재료의 탄성률과 두께, 적층 안에서의 위치에 따라 달라집니다. 상하층의 두께와 굽힘 강성이 다르면 서로 다른 높이에서 작용하는 열변형력이 상쇄되지 않아 굽힘 모멘트(bending moment), 곧 기판을 휘게 하는 효과가 생길 수 있습니다. 위치별 동박 분포와 재료 방향성에 따라 휨과 비틀림 양상도 달라집니다.

그림의 화살표만으로 변형 방향이나 크기를 정하지 않습니다. 대응하는 코어·프리프레그의 재료와 두께, 완성 동박의 두께와 패턴 분포를 적층표에서 비교합니다. 제조 측과 실제 재료 물성 및 적층·조립 온도 이력을 검토한 뒤 열 공정 후 완성 기판의 휨과 비틀림을 측정합니다.

부품을 붙이기 전 기판이나 패널의 휨·비틀림은 IPC-TM-650 2.4.22 휨·비틀림 백분율(Bow and Twist Percentage) 시험법을 측정 기준으로 삼을 수 있습니다. 이 방법은 기판의 가로·세로·대각 길이와 기준 평면에서 들뜬 높이를 이용해 변형을 백분율로 나타냅니다. 적층 직후인지 열 공정을 거친 뒤인지 측정 시점과 시편 치수, 적용할 허용값을 제조·구매 사양에 명시합니다. 이 시험법은 부품 무게와 지지 조건이 달라지는 조립품의 휨 판정까지 정하지 않으므로, 조립 뒤에는 별도 검사 조건을 정합니다.

완성 두께만으로 내부 동박 층수를 세지 않습니다

완성 기판을 캘리퍼스(caliper)로 재면 두 바깥면 사이의 전체 두께를 알 수 있습니다. 그러나 그 숫자에는 여러 절연층과 동박, 표면 코팅의 두께가 합쳐져 있습니다. 같은 동박 층수라도 완전히 경화된 절연판인 코어(core)와 적층 중 접착·경화하는 절연재인 프리프레그(prepreg)의 두께를 다르게 잡을 수 있습니다. 다른 층수의 기판도 전체 두께가 비슷하게 나올 수 있습니다. 따라서 두께가 예상보다 크다는 이유만으로 내부 층이 몇 개인지 추측하지 않습니다.

기판의 개정 번호를 확인한 뒤 해당 제조 적층표에서 동박 층의 수와 각 절연층의 재료·두께, 허용 완성 두께를 읽습니다. 캘리퍼스 측정값은 그 완성 두께 범위와 비교하고, 층수 확인은 적층표와 제조 기록으로 따로 합니다. 문서가 없다면 동일한 제작판의 준비된 단면(cross-section)을 검사해 내부 동박을 확인할 수 있습니다. 단면은 기판을 절단·연마해야 하므로 임의로 사용품을 잘라 확인하는 방법이 아닙니다. 캘리퍼스 눈금 하나나 기판 옆면의 색 줄무늬만으로 층수를 확정하지 않습니다.

전체 구리 면적이 같아도 한쪽에 몰려 있으면 다시 봅니다

중앙을 사이에 둔 두 층을 겹쳐 보고, 한쪽에만 큰 빈 영역이나 촘촘한 구리가 몰려 있는지 확인합니다. 격자형 구리와 꽉 찬 면은 바깥 윤곽이 같아도 실제 구리 면적이 다릅니다. 전체 면적 비율 하나뿐 아니라 어느 위치에 남아 있는지를 비교해야 합니다.

예를 들어 대응 층을 18 µm와 35 µm로 잡았다면 패턴 면적만 맞추어 두께까지 대칭이라고 판단할 수 없습니다. µm는 마이크로미터로 1 µm=0.001 mm입니다. 구리뿐 아니라 앞에서 설명한 코어와 프리프레그의 배치·두께와 열 특성도 비교합니다.

동박 두께가 층 안에서 거의 일정하다면, 각 층에 실제 남은 구리 면적×완성 동박 두께를 구리 부피(copper volume)의 대략적인 비교값으로 쓸 수 있습니다. 이 값이 같아도 구리가 어느 위치에 모여 있는지와 절연층 강성이 다르면 휨이 같다고 보장할 수 없습니다.

프리프레그는 두께뿐 아니라 제품 종류와 유리섬유 구성, 수지 함량(resin content)도 확인합니다. 수지 함량은 유리섬유와 수지로 이루어진 재료에서 수지가 차지하는 비율입니다. FR-4는 난연성 유리섬유·에폭시 적층 재료의 한 계열을 가리킵니다. 같은 두께나 같은 FR-4 계열이라는 표기만으로 상하 재료가 같은 성질이라고 판단하지 않습니다. 적층표에 재료명·구성·수지 함량과 완성 두께를 함께 적고, 어느 항목이 실제로 같은지 비교합니다.

유리 전이 온도(Tg, glass transition temperature)는 수지의 기계적 성질이 달라지는 온도 영역을 나타내는 값입니다. 재료가 녹는 온도나 제품의 연속 사용 허용 온도와 같은 값으로 취급하지 않습니다. 열팽창계수(CTE, coefficient of thermal expansion)는 온도 변화에 따른 상대적인 길이 변화를 나타냅니다. Isola의 재료표 예시처럼 두께 방향인 Z축과 기판 면 방향인 X·Y축, Tg 이전과 이후의 값이 따로 제시될 수 있습니다. 대응 재료를 비교할 때는 같은 측정 방법·방향·온도 범위의 값을 대조하고 실제 적층·조립 공정과 연결해 판단합니다. Tg가 높다는 이유만으로 휨이 없어지거나 다른 재료와의 조합이 자동으로 적합해지는 것은 아닙니다.

기계적 균형을 맞추려고 프리프레그 구성을 바꾸면 신호 계산에 쓰는 재료값도 다시 확인해야 합니다. 비유전율(Dk, dielectric constant)은 진공과 비교한 절연재의 유전율이며, 같은 선폭과 층간 거리에서 예상 임피던스를 구할 때 필요한 값입니다. 같은 제품과 같은 유리섬유의 짜임(glass weave style) 안에서는 수지 함량이 높은 구성의 재료표 두께가 더 크고 비유전율은 낮은 사례가 있습니다. 하지만 두께를 늘리는 행위 자체가 비유전율을 낮춘다는 뜻은 아닙니다. 유리섬유의 짜임이나 재료가 달라지면 더 두꺼운 구성이 오히려 높은 비유전율을 가질 수도 있습니다.

따라서 재료를 바꿀 때는 제품명과 유리섬유의 짜임, 수지 함량, 계산에 사용할 주파수의 비유전율을 제조사 자료에서 확인해 적층표에 반영합니다. 재료표에 적힌 프리프레그 두께를 압착 후 구리층 사이에 남은 실제 절연 거리로 그대로 사용하지 않습니다. 시제품 단면에서 그 거리를 확인하고, 임피던스를 관리하는 배선이라면 같은 적층 조건을 대표하는 시험용 배선인 임피던스 쿠폰(impedance coupon)의 측정 결과도 대조합니다. 수지 함량만 같게 맞췄다고 기판의 휨이 없어지거나 임피던스가 유지되는 것은 아닙니다.

크고 얇은 기판에서 넓은 빈 구간에 구리를 보충하는 안을 검토하더라도, 그 면이 신호 결합이나 귀환 경로를 어떻게 바꾸는지 먼저 봅니다. 혼합 재료를 무조건 금지하거나 구리만 채우면 휨이 해결된다고 판단하지 않습니다. 재료·적층 공정·냉각 조건까지 포함한 실제 완성 기판에서 확인합니다.

구리 사이를 채울 수지의 양과 흐를 통로를 나누어 봅니다

위아래 구리 면적을 맞췄는데도 적층 단면에 빈 곳이나 두께 편차가 생긴다면, 프리프레그의 수지 흐름(resin flow)을 함께 살펴봅니다. 가열·가압 중 수지는 구리 사이의 빈 공간으로 흐른 뒤 경화합니다. 이때는 필요한 수지의 양과 수지가 실제로 들어갈 수 있는 통로를 각각 확인해야 합니다.

프리프레그 한 장과 여러 장의 조합을 고를 때도 장수만으로 수지 충전이나 완성 두께를 판단하지 않습니다. 선택한 제품의 유리섬유 구성·수지 함량과 압착 후 남을 절연층 두께를 제조 측과 대조합니다. Isola P26의 구성표처럼 같은 제품군에서도 유리섬유와 수지 함량별 두께가 다를 수 있으므로, 서로 다른 시트를 같은 한 장으로 계산하지 않습니다. 표의 공칭 두께와 실제 압착 후 두께도 구분합니다.

장수를 바꾼 안에서는 아래의 구리 잔존량에 따른 빈 부피와 좁은 틈의 수지 통로를 다시 살피고, 시제품 단면에서 충전 상태와 완성 절연층 두께를 확인합니다. 개념도에서 본 2–3장은 모든 적층에 적용할 권장 장수가 아니며, 장수를 늘렸다는 사실만으로 공극 제거나 임피던스 유지가 입증되지 않습니다.

같은 구리 두께라면 구리가 적게 남은 영역일수록 그 높이까지 채워야 할 빈 부피가 커집니다. 반대로 배선과 패드가 촘촘한 영역은 전체 빈 부피가 작더라도 좁은 틈을 고르게 채울 수 있는지 확인해야 합니다. 따라서 ‘구리가 많으면 항상 수지가 부족하다’거나 ‘구리를 추가하면 언제나 해결된다’고 판단하지 않습니다. 도금으로 구리가 두꺼워졌다면 처음 동박 두께만으로 필요한 충전량을 계산할 수도 없습니다.

제작 중 수지 부족(resin starvation)이나 공극(void)이 의심된다는 피드백을 받으면, 어느 층의 어느 위치인지부터 표시합니다. 공극은 채워져야 할 곳에 남은 빈 공간입니다. 그 위치의 최종 구리 패턴·도금 두께·프리프레그 구성과 단면 검사 결과를 함께 비교합니다. 기판 전체의 구리 비율이나 겉면의 평탄함만 보고 내부 충전 상태를 판정하지 않습니다.

공극이 의심된 위치를 표시한 뒤에는 그 패널의 압착 이력(lamination press history, 적층 중 압력·온도와 시간을 기록한 자료)도 제조 측과 대조합니다. 사용한 코어·프리프레그의 정확한 제품과 보관 상태를 확인하고, 해당 재료의 공정표에 적힌 압착 전 준비 시간, 배기·진공 단계가 있다면 그 실행 여부, 가압·가열 순서와 경화 유지·냉각 기록을 확인합니다. 프레스의 설정 온도만으로 적층 묶음 안쪽도 같은 시간 동안 목표 온도에 있었다고 판단하지 않습니다.

공정 기록은 문제 위치의 단면 검사와 같은 패널의 휨·비틀림 측정 시점에 맞춰 비교합니다. 공극과 휨의 원인이 반드시 하나라고 가정하지 않고, 프레스를 열 때의 온도와 냉각 경로도 제조 측에 묻습니다. 적층 뒤 별도로 열을 가하는 후경화(post-curing)가 필요한지는 실제 재료의 제조사 지침으로 판단합니다. 모든 기판에 후가열을 더하거나 압력·온도를 높이는 공통 처방은 없습니다.

수지를 많이 소모하는 빈 영역에 구리를 보충하는 안을 검토할 수 있지만, 해당 구리의 넷과 절연거리, 민감 신호와의 결합을 먼저 정합니다. 실제 패턴과 재료에 맞는 적층 조건은 제조 공정에서 확인합니다. 설계자가 압력이나 온도를 임의로 높여 보완할 항목이 아닙니다.

수정한 시제품에서는 문제 위치의 충전 상태와 완성 절연층 두께(finished dielectric thickness)를 다시 확인합니다. 이는 적층 후 구리층 사이에 남은 절연 거리입니다. 얇은 절연층을 쓰는 설계에서는 이 거리의 변화가 임피던스와 비아 구조에 영향을 줄 수 있으므로, 적층표와 전기적 검증 결과도 함께 갱신합니다. 수정 전후의 패턴과 단면 위치를 남겨야 다음 제작에서 같은 문제를 비교할 수 있습니다.

신호의 기준면도 같은 적층표에 적습니다

각 신호층 옆에 어느 기준면이 있는지와 층간 거리를 함께 표시합니다. 외층이 접지면이라고 완전한 차폐가 보장되지 않으며 외층이 신호라고 차폐가 전혀 없는 것도 아닙니다. 팬아웃(fan-out)은 촘촘한 부품 단자에서 배선을 끌어내 비아나 다음 배선에 연결하는 구간입니다. 필요한 팬아웃과 귀환 경로를 확보한 구조가 제조 공정에서 대칭성·동박 균형을 만족하는지 확인합니다.

외층의 마이크로스트립(microstrip)은 신호선과 그 아래 기준면으로 이루어지며, 전기장의 일부가 공기에도 퍼집니다. 내층의 스트립라인(stripline)은 신호선이 위아래 두 기준면 사이의 절연재에 놓입니다. 기준면이 끊기지 않고 층 전환부까지 설계했다면 내층 배선이 바깥쪽 배선과의 결합을 줄이는 데 유리할 수 있습니다. 다만 부품 단자에서 내층으로 내려가는 비아와 기준면이 끊긴 곳이 이 이점을 줄일 수 있습니다.

두 배선 중 하나를 고를 때는 먼저 부품의 팬아웃에서 필요한 비아와 각 후보의 기준면 연속성을 적층표에 표시합니다. 그런 다음 제작할 재료와 완성 절연층 두께·동박 두께를 사용해 목표 주파수 대역의 임피던스, 손실, 인접 배선과의 결합을 각각 비교합니다. 외층 배선은 접근과 수정이 쉬운 편이지만, 스트립라인의 내층 배선은 완성 뒤 직접 손보기 어렵습니다. 어느 쪽이 손실이나 전자파 방출이 항상 낮다고 결론 내리지 말고, 실제 제작 적층과 층 전환부를 포함한 해석 및 시제품 측정으로 확인합니다.

전원면 가장자리를 물릴 때는 전계와 전원 경로를 함께 봅니다

서로 마주 보는 전원면과 접지면의 가장자리에서는 전기장이 두 면 바깥으로 벌어질 수 있습니다. 이를 가장자리 전계(fringe field)라고 합니다. 전원면을 접지면보다 안쪽으로 물리는 안을 검토한다면, 두 면 사이 절연층 두께 H와 두 경계의 실제 후퇴 거리 d를 적층표와 제조용 구리 패턴에 따로 표시합니다. 예를 들어 H=0.2 mm이고 후퇴 거리를 그 20배로 잡는다면 d=4 mm입니다. 이 산술 예시는 모든 기판에 적용할 최소 간격이나 전자파 감소 보장값이 아닙니다.

전원면을 줄이면 접지면과 겹치는 구리 면적과 부품까지의 전원 연결 경로도 달라질 수 있습니다. 후퇴 전후 안을 같은 전원 부하·바이패스 커패시터·신호 배선 조건에서 비교하고, 전원 핀의 전압 변동과 주파수별 전원 분배망(PDN, Power Distribution Network) 임피던스를 확인합니다. 신호가 줄어든 전원면의 경계를 가로지르는지도 다시 보세요. 가장자리 근처 전계가 낮아져도 완성 장치의 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility) 결과가 좋아진다고 단정할 수 없으므로, 필요한 시험 조건에서 둘을 따로 측정합니다.

4층 기판에서는 아랫면 신호 바로 위의 구리를 확인합니다

L1(윗면) 신호–L2 접지–L3 3.3 V 전원–L4(아랫면) 신호로 적힌 4층 기판을 보겠습니다. L1 신호 바로 아래의 L2가 연속 접지면이면 가까운 귀환 경로를 마련하기 쉽습니다. 그러나 L4 신호 바로 위에는 L3 전원 구리가 있습니다. 실제 L3이 다른 전압 구역이나 빈 공간으로 나뉘면, L4의 해당 배선은 층 이름만 보고 예상한 기준 도체를 갖지 못할 수 있습니다. L4 배선을 따라 L3 동박의 경계와 빈 곳을 직접 표시해 확인합니다.

L3이 연속 전원면이어도 접지면과 자동으로 같은 귀환 경로가 되지는 않습니다. 신호의 주파수와 배선 위치에서 전원면의 잡음, 전원–접지 사이의 고주파 연결, 층을 바꾸는 비아 주변의 귀환 경로를 검토합니다. 바깥층에는 덜 민감한 신호를 배정하는 선택을 할 수 있지만, ‘고속 신호는 바깥층에 놓으면 안 된다’는 규칙으로 바꾸지 않습니다.

ESP32-S3의 USB(Universal Serial Bus) D+·D− 두 선을 L1에 배치한다면, 차동 임피던스(differential impedance)는 두 선이 한 쌍으로 신호를 전달할 때의 특성 임피던스입니다. 이 부품의 USB 배선 설계 목표는 90 Ω, 허용 범위는 ±10%입니다. L2 접지면이 두 선 아래에서 끊기지 않는지 먼저 확인하고, 완성 적층의 L1–L2 거리·절연 재료·동박 두께를 바탕으로 선폭과 선 간격을 계산합니다. 비아로 층을 바꾼다면 새 기준면과 접지 귀환 비아도 함께 확인합니다.

2층 기판에서도 같은 부품은 동작할 수 있고, 4층이라는 이유만으로 USB 파형이나 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility) 시험을 통과하지도 않습니다. 목표 임피던스는 완성 적층과 실제 배선에서, 신호 동작과 적합성은 완성 장치의 요구 시험에서 각각 확인합니다.

같은 6층이라도 배선에 쓸 층과 기준면의 위치가 다릅니다

층 이름만 나열한 두 안을 비교해 보겠습니다. SIG(signal)는 신호층, GND(ground)는 접지층, PWR(power)는 전원층을 뜻합니다. L1은 위쪽 외층이고 L6은 아래쪽 외층입니다. 실제 배선 간격과 절연층 두께가 정해지기 전의 배치 예시이며, 어느 안이 더 우수한지 판정한 결과는 아닙니다.

A는 신호에 배정한 층이 하나 더 있지만, 사용할 수 있는 배선량이 층수에 정비례하지는 않습니다. B는 신호층을 안쪽에 두지만, 외층의 부품 패드와 비아 개구 때문에 접지면이 끊길 수 있습니다. 따라서 B의 외층 이름이 GND라고 해서 기판 전체가 빈틈없이 차폐되는 것은 아닙니다. A의 외층 신호도 인접 접지면과 짧은 귀환 경로를 가질 수 있습니다.

다음으로 각 신호와 양옆 면 사이의 실제 거리를 적고, 배선 아래에 면의 경계나 빈 곳이 생기는지 확인합니다. 특히 전원층이 여러 전압 영역으로 나뉜 경우, 신호가 그 경계를 가로지르지 않는지 살핍니다. 신호가 비아를 통해 다른 층으로 이동할 때는 기준면 사이의 귀환 경로도 확인합니다. 서로 다른 접지층을 기준으로 쓰는 구간은 신호 비아 가까이에서 접지층을 연결할 수 있는지 봅니다. 전원면과 접지면 사이의 전환은 두 면을 금속으로 직접 잇는 문제가 아니므로, 해당 전원과 접지 사이의 고주파 귀환 구조를 별도로 검토합니다.

분할 전원층의 양옆 신호층을 먼저 표시합니다

8층이 위에서부터 신호–분할 전원–신호–접지–신호–신호–접지–신호 순서라면 L1·L3이 분할 전원층 L2에 이웃합니다. 6층이 신호–접지–신호–신호–분할 전원–신호 순서라면 L4·L6이 L5 전원층에 이웃합니다. 이는 배선을 자세히 살펴볼 위치를 찾는 표시이지, 해당 전원면이 각 신호의 유일한 귀환 경로라는 판정은 아닙니다.

표시한 신호 배선과 전원 동박을 겹쳐 경계나 빈 곳을 가로지르는 구간을 찾습니다. 다른 기준면과의 거리·연결도 함께 살핀 뒤, 가능한 경우 연속된 기준면 위로 경로를 옮기는 안을 우선 검토합니다. TI SLLA414A §3.4–3.5, 6–8쪽은 기준면 틈과 기준면 전환에서 고주파 귀환 경로를 다룹니다.

전원면과 접지면을 비아로 직접 이으면 단락입니다. 커패시터를 통한 귀환 연결을 검토할 때도 전압 영역·절연 요구·주파수별 임피던스와 배치를 확인해야 하며, 이 예시만 보고 임의로 추가하지 않습니다. 층 순서만으로 EMC 합격·불합격을 정할 수도 없습니다. 이 두 예시는 Dario Fresu의 8층 구성·6층 구성에 대한 저장 관찰을 바탕으로 별도 기술 문헌과 대조했으며, 원본의 실제 배선·층간 거리·측정 결과는 확인되지 않았습니다.

이렇게 전기적 경로를 정한 뒤 앞에서 확인한 상하 재료·두께·동박 분포를 다시 대조합니다. 위아래 층의 이름만 비슷하게 맞추거나 외층을 접지로 바꾸는 것만으로 휨이나 잡음 문제가 해결되지는 않습니다.

최종 패턴과 공정에서 검증합니다

제조 측과 재료·두께·구리 분포·허용 변형을 대조합니다. 균형을 맞추는 추가 구리는 민감 신호의 결합·절연거리·귀환 구조를 해치지 않도록 설계합니다. 최종 제조 데이터와 실제 열 공정 뒤의 휨·비틀림, 조립 적합성을 확인하고 적층 변경 때 이 결과를 다시 검토합니다.

제조용 적층도에는 구리·절연층뿐 아니라 외층의 솔더마스크(solder mask, 납땜하지 않을 구리를 덮는 절연막)와 노출된 패드의 표면처리(surface finish, 납땜 가능한 구리를 보호하는 마감)도 구분해 적습니다. 예를 들어 도면에서 표면처리를 솔더마스크 아래의 연속층처럼 먼저 그려 놓으면 실제 노출 패드와 마스크 개구의 관계를 잘못 전달할 수 있습니다. 마스크 개구와 표면처리 종류·적용 위치를 제작 도면·제조 메모·출력 데이터에서 서로 맞추고, 해당 제조사의 실제 공정 순서와 대조하십시오. 특정 마감 공정이나 국부 처리 방식까지 적층 그림 하나로 추정하지 않습니다.

작업 순서를 다시 확인합니다