고주파 5G 무선 인프라는 PCB 제조에 대한 새로운 접근을 요구.

2018.6.21

글로벌 출시가 임박한 5G 무선 인프라에 대해, 그리고 모바일 폰 연결과 유무선 서비스부터 운송, 산업, 엔터테인먼트 애플리케이션 등에 이르기까지 5G 무선 인프라가 미칠 엄청난 영향에 대해 많은 자료 들이 존재합니다. 10배 빠른 데이터 전송 속도(100배 빠른 속도를 지향), 그리고 1,000배 이상 빠른 데이터 트래픽 처리 용량을 제공하는 5G는 사람, 자율 주행 자동차, IoT 장치, 산업 기계 및 민간 인프라를 포괄하는 통합 연결망을 가능케 할 것입니다.

다운로드 속도가 빨라질수록 지연은 짧아지며, 이는 근 실시간 시스템 응답 속도가 요구되는 애플리케이션에 있어서 필수적입니다. 이는 완벽한 증강현실 및 가상현실(AR/VR) 경험, 정밀한 기계 대 기계(M2M) 통신, 그리고 산업 인프라의 생산성에 영향을 미칩니다. 무엇보다 중요한 것은 초저지연 5G 무선이 승객 안전과 관련하여 1,000 분의 1초의 차량 응답 시간이 매우 중요한 자율 주행 자동차와 도로/항공로 센서 간의 향상된 연결을 통해 보다 안전한 운송을 가능케 할 것이라는 점입니다.

이러한 5G 중심의 애플리케이션의 경우 허용 오차는 극히 작지만, 모든 새로운 전자 장치들이 네트워크에 연결되어 있는 상황에서는 시스템 오작동이나 통신 장애의 위험이 기하 급수적으로 증가합니다. 장치의 측면에서 이는 실시간 5G 통신 연속성을 보장하기 위해서 모든 개별 PCB가 성능 및 품질에 대한 더 높은 기준을 준수해야 한다는 것을 의미합니다. 이러한 도전 과제들을 해결하기 위해 다양한 기술과 공정이 개발되고 있는 가운데, PCB 공급사들은 생산 효율을 높이는 동시에 품질 보증을 향상시키는 새로운 제조 시스템을 목표로 생산 공정에 대해 다시 생각하고 있습니다.

신호 무결성의 과제

5G 고유의 높은 주파수는 PCB 제조에 있어서 중요한 도전 과제이며, 이 과제는 전자 장치의 폼 팩터의 축소에 의해 더욱 심화됩니다. 이러한 소형 장치에 맞게 설계된 고밀도 다층 기판(HDI)은 시스템 크기를 최소화하면서 I/O를 극대화하기 위해 더 얇은 트레이스를 필요로 합니다. 그러나 더 미세해진 라인은 신호 품질 저하의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 라인의 물리적 특성(예를 들어 상단 및 하단 폭)이 설계와 다른 경우, RF 신호 전송이 밀리 초 단위로 지연될 수 있으며, 신호가 동기화되지 않은 경우 신호 체인에서 연쇄적인 결과가 발생할 수 있습니다.

그림 1. 2D 계측 기술을 활용한 PCB 상단 및 하단 트레이스 도체 검사 및 측정

고주파 신호 무결성은 PCB 트레이스의 좁은 기하 구조 내에서의 엄격한 임피던스 제어에 따라 달라집니다. 임피던스는 라인의 단면 치수, 형상, 라인/공간 폭, 그리고 유전체의 영향을 받습니다. 전통적인 서브트랙티브 에칭 공정을 이용하여 형성된 트레이스에서 일반적으로 볼 수 있는 사다리꼴 형상의 단면은 무수히 많은 임피던스 이상을 발생시킬 수 있습니다. 변형된  mSAP(Semi-additive process)의 진화는 이 문제를 해소하여 보다 정밀한 트레이스를 형성하고, 보다 예측 가능한 임피던스 제어가 가능한 직선형 벽을 가진 라인을 만들 수 있도록 해 주었습니다.

mSAP를 사용하건 또는 전통적인 방식을 사용하건, 자동 광학 검사(AOI) 툴을 이용하여 치명적인 단락과 개방부터 구리 표면 하자에 이르기까지 다양한 PCB 하자 유형을 검사해야 합니다. 현재까지 AOI의 주요 목적은 CAM 설계 검사를 통해 준수한 정확한 양산이 이루어지는지 설계 규칙을 확인하는 것이었습니다. 이는 실제 라인/도체의 물리적 특성이 보다 중요한 역할을 차지하면서 더 높은 임피던스 제어가 요구되는 오늘날의 PCB에는 충분하지 않습니다. 현재 소수의 AOI 툴들 만이 측정 기능을 가지고 있지만, 도체 상단의 트레이스 폭 만을 측정하며 하단 폭은 완전히 무시합니다. 앞에서 언급한 사항들을 지원하기 위해서는 상단 및 하단 측정이 모두 이루어져야 합니다. 현재까지 이러한 측정은 현미경을 이용하여 수동으로 수행되어 왔는데, 이는 번거로운 오프라인 공정으로서 생산 속도를 크게 하락시키는 요인입니다. 그 결과 이 측정 작업은 적은 양의 패널 샘플에 대해서만 수행되고, 대다수의 패널에 대해서는 시험이 이루어지지 않습니다.

전자 장치의 크기는 줄어드는 반면에 기능은 점점 더 풍성해지면서 예를 들어 더 많은 양의 I/O를 수용하는데 필수적인 레이저 비아홀(LV) 형태의 HDI를 가능케 하는 첨단 PCB 제조 방식이 요구됩니다.  HDI와 플렉시블 PCB가 공간을 절약하기 위해 더 미세한 라인을 필요로 하듯이 작아진 전자 장치 역시 기판 연결을 위해 고밀도 설계된 더 작은 비아홀를 필요로 합니다. 현재 PCB 제조사들은 드릴 단계(DLD, 직접 레이저 드릴링) 직후에 LV에 대해 저속 샘플링 검사를 실시합니다. 도금 공정에서 발생하는 LV 하자에 대해 패터닝 작업 후에 패널의 100%를 검사하여 공정 품질과 높은 수율을 보장할 필요가 있습니다. 현재 단일 스캔에서 미세한 라인 패턴과 작은 비아홀를 검사하는데 필요한 기능은 비용 효율적이지 않으며, 일반적으로 전통적인 AOI 시스템에서는 이를 지원하지 않습니다.

AOI의 발전

현재까지 앞에서 언급한 AOI 기능(그리고 패턴 검사 또는 다중 이미지 검증과 같은 기타 기능)을 원하는 PCB 제조사들은 상당한 공정 비효율을 발생시키고 귀중한 제조 공간을 희생시키는 여러 가지 솔루션들과 툴들을 꿰어 맞춰 사용해야만 했습니다. 설상가상으로 수동 현미경 측정을 위해 패널을 샘플링 할 때마다 생산이 중단되곤 합니다. 상당한 시간이 여기에서 낭비될 수 있습니다. 대규모 5G 시장 기회 속에서 주도권을 확보하기 위해 경쟁하는 PCB 제조사들에게 시간은 특히 귀중한 자원입니다.

다행히도 AOI 기술의 지속적인 혁신으로 인해 이러한 문제들의 극복이 가능해졌습니다. 최근 PCB 제조사들은 2D 계측 기술(그림 1)을 이용하여 PCB 상단 및 하단의 트레이스 도체를 자동으로 검사하고 측정하는 능력을 갖추게 되었습니다. 이 능력은 최적의 라인 형태와 폭을 보장하고, 그에 따라 고주파 5G 장치에 대한 임피던스 제어를 개선시킬 수 있습니다. 이 시험은 또한 높은 샘플링 속도에서 높은 처리 속도로 균일하게 수행될 수 있어서 제조사의 전반적인 수율을 향상시킵니다.

AOI 시스템 통합이 진행되면서 PCB 제조사들은 패턴 및 레이저 비아홀 검사 또는 트레이스 및 패드 측정과 같은 AOI 공정들을 보다 작은 물리적 공간에 설치된 단일 플랫폼 위에서 통합할 수 있게 되었습니다. 단일 AOI 솔루션이 여러 기능을 수행하는 스마트하고 기술적으로 진보한 AOI 시스템 통합을 통해 상당한 시간과 인력을 절감할 수 있으며, 관련된 처리량도 크게 향상됩니다. AOI 의 개별 기능들은 패턴 및 레이저 비아홀에 대한 하자 감지율을 향상시키기 위해 복수의 이미지들을 동시에 분석할 수 있는 새로운 단일 스캔 검사 기술을 활용하여 통합할 수 있습니다.

검증 공정의 개선

이제 검증 공정 역시 AOI 작업 흐름에 매끄럽게 통합할 수 있게 되면서 거짓 경보(False Alarm)로부터 PCB 하자를 식별하고 분류하기 위한 독립 시스템을 추가할 필요가 없게 되었습니다. 검사 공정과 비교할 때 검증 공정은 최대 3:1의 비율로 보다 더 자원 집약적일 수 있다는 점을 감안할 때 이는 특히 중요한 부분입니다. 보다 엄격한 검증 및 품질 요건을 부과하는 5G와 같은 까다로운 애플리케이션의 경우 전통적인 이기종 AOI 툴들을 사용하는 제조사들은 새로운 세대의 통합 AOI 플랫폼에서 요구되는 것 보다 많은 운영자들에 의해 수동으로 운영되며 더 넓은 상면적이 요구되는 다수의 스테이션을 사용할 필요가 있으며, 여기에는 상당한 비용 증가가 수반됩니다..

새로운 접근 방식에서는 첨단 인공 지능(AI) 기능을 사용하여 공정의 프론트 엔드에서 이미지를 검사하고, 실제 하자로부터 거짓 경보를 필터링 함으로써 운영자 검사에 앞서 많은 수의 거짓 경보를 자동적으로 제거합니다. 공정의 백 엔드에서는 추가 자동화를 통해 운영자는 단일 디스플레이에서 여러 이미지들을 동시에 확인할 수 있으며, 유기 물질 및 산화와 같은 거짓 경보는 사전에 정의된 컬러 코드 분류에 따라 스크린에 표시됩니다. 이를 통해 운영자는 남아있는 모든 거짓 경보를 신속히 제거하고, 자동 광학 수정 (AOS) 시스템을 통해 수정/리워크/복원이 필요한 하자를 파악할 수 있습니다.

검증 공정을 자동화하고 통합 AOI 작업 흐름 내에 긴밀하게 통합함으로써 제조사들은 각 패널을 여러 검증 스테이션들 중 하나로 이동하고 비디오 이미지를 하나씩 관리하는데 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있습니다. 이제 이러한 작업들은 공장 외부에 위치한 중앙 집중화된 단일 원격 다중 이미지 검증(RMIV) 스테이션에서 수행할 수 있습니다. 그 외의 혜택으로서 각 패널을 운반하고 검사 테이블에 올리거나 내리는 데 필요한 취급을 제거함으로써 패널에 대한 물리적 손상 위험을 크게 줄일 수 있습니다.

데이터 분석 및 장치 추적성

AOI 시스템 통합의 부수적 혜택은 귀중한 생산 데이터를 공장에 설치된 이기종 AOI 시스템을 이용할 때 보다 훨씬 효율적으로 소싱, 축적 및 분석할 수 있다는 것입니다. 단일 소스 데이터는 PCB 제조사들이 관련 정보를 신속하게 추출하고 소중한 통찰을 얻을 수 있게 해주며, 이는 더 많은 정보에 입각한 보다 신속한 의사 결정으로 이어집니다.

통합 AOI 작업 흐름은 PCB에 손쉽게 바코드를 부착하여 생산 공정 전반에 걸쳐 PCB를 추적하고, 언제, 어디에서, 어떻게 각 PCB가 처리 되었는지 확인하고 목록을 작성할 수 있게 해 줍니다. 생산 공정에 대한 완전한 기록을 이용하여 제조사들은 하자 PCB가 최종 장치에 장착되기 훨씬 전에 하자 PCB를 파악 및 격리시킴으로써 공정을 개선하고 수율을 높일 수 있습니다.

5G에 대한 대비

5G 연결이 완전히 실현되기까지는 어느 정도 시간이 필요합니다. 시험 및 시운전을 위한 구축이 현재 진행 중이며, 2018년 하반기를 목표로 제한된 상용 구축이 이루어지고 있습니다. 그러나 대규모 상용 구축은 2019년 전까지는 시작되지 않을 것으로 보입니다. . 5G가 주류로 채택되기 위해서는 무수한 법적 및 기술적 과제들이 해결되어야 합니다.

한편 무선 통신 사업자, 스마트 폰 및 자율 주행 자동차 OEM부터 전자 장치 및 PCB 제조사에 이르기까지 5G 기술 가치 사슬의 모든 참여자는 거대한 시장의 변화에 대비하고 있습니다. 공공 안전과 산업 생산성에 영향을 미치는 중요한 데이터를 포함하여 5G 네트워크 노드들에게 폭주하도록 설정된 엄청난 양의 데이터로 인해 우리는 네트워크에서 시스템, 그리고 부품에 이르기까지의 품질 보증에 주의를 기울여야 합니다.

고주파 저지연 5G 시스템을 목표로 하는 PCB 제조사들은 첨단 통합 AOI 기술을 활용하여 보다 빠르고 정밀한 PCB 검사 및 검증, 그리고 생산 공정 전반에 걸친 향상된 PCB 추적 기능을 이용할 수 있습니다. 그로 인해 얻어지는 향상된 제조 및 비용 효율성을 통해 PCB 제조사들은 대규모의 지속 가능한 5G 인프라의 구축이 이루어지기 전에 경쟁 우위를 강화할 수 있습니다.

Author: Benny Solomon, AOI Marketing Director, PCB Division, Orbotech

Published by: Evaluation Engineering

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