PCB 제조 마스터하기: 고품질 인쇄회로기판을 위한 핵심 원칙

인쇄회로기판 제조의 기초

어떤 제조 작업이든 제품의 수명과 기능성은 제작 품질에 크게 좌우됩니다. 인쇄회로기판(PCB)도 예외는 아닙니다.

PCB 제조 공정은 베어 인쇄회로기판을 생산하는데, 이는 모든 제품에서 가장 중요한 특징 중 하나입니다. 따라서 제조 공정은 전자 생산 라이프사이클의 핵심 구성요소이며 프로젝트 전체 성공에 중요한 역할을 합니다. 그러나 이 공정을 최대한 활용하려면 고객은 세 가지 핵심 질문에 대한 답을 이해해야 합니다.

 

• PCB 제조(Fabrication)란 무엇인가?
• 왜 중요한가?
• 제조가 PCB 조립 공정에서 어떤 역할을 하는가?

 

PCB에 대하여

인쇄회로기판은 전기 회로를 전달하고 신호와 전력이 장치 간에 라우팅되도록 합니다. PCB는 여러 소재 층으로 구성됩니다.

 

• 기판(Substrate): 보드 중심에 기판 또는 베이스 소재가 있습니다. 전통적 보드는 FR4라 불리는 유리섬유 소재를 사용하지만, 다른 보드는 알루미늄, 세라믹, 폴리머 기판을 사용할 수 있습니다.
• 구리(Copper): PCB 기판은 얇은 구리 포일로 덮여 있으며 열과 접착제로 라미네이트됩니다. 보드의 "레이어 수"는 구리 층 수로 결정됩니다. 예를 들어 양면 PCB는 기판 양쪽에 구리가 도포되고, 4층 보드는 총 4개의 구리 층을 가집니다. 대부분의 PCB는 평방피트당 1온스 구리를 포함하지만, 고전력 PCB는 2~3온스를 사용할 수 있습니다.

 

이 소재들은 제조 공정에서 결합되어 베어 PCB를 만듭니다. 이 베어 PCB는 조립 공정(PCBA)을 거쳐 솔더와 전자 부품이 실장되어 완전한 기능을 갖춘 PCB로 완성됩니다.

PCB 제조(Fabrication)란?

PCB 제조는 앞서 언급한 보드 소재들을 기능적 층으로 결합하여 베어 인쇄회로기판을 형성하는 공정입니다. 베어 인쇄회로기판 제조는 다음과 같이 진행됩니다.

 

1. 설계 검토(Design review): 엔지니어링 팀이 설계를 검토하기 전에는 제조 공정이 시작되지 않습니다. 이를 제조 가능성 설계(Design for Manufacturability, DFM) 검사라고 하며, 설계가 유효하고 제조 중 공차와 사양을 충족할 수 있는지 확인합니다.
2. 필름 적용(Film application): PCB 설계가 레이저 직접 이미징을 사용하여 필름에 인쇄되어 보드 레이아웃의 포토 네거티브를 제공합니다. 이 필름들은 소재 층에 적용되어 각 제조 공정의 가이드로 사용됩니다.
3. 구리 에칭(Copper etching): 다양한 방법을 사용해 불필요하거나 과도한 구리를 에칭/제거하여 트레이스와 패드를 만듭니다. 이 공정은 보통 과도한 소재와 원치 않는 화학물질을 제거하기 위해 여러 번의 세척 라운드를 포함합니다.
4. 레이어 스택업 및 라미네이션(Layer stack-up and lamination): 다층 보드인 경우 구리 에칭 공정 후 내층과 외층이 서로 정렬됩니다. 이는 보통 보드 자체의 정렬 홀을 사용하여 수행됩니다. 층 검사 후 에폭시 기반 프리프레그를 각 층 사이에 배치하고 열을 가해 보드를 라미네이트합니다. 열이 에폭시를 녹여 층들을 접착시킵니다.
5. 드릴링(Drilling): 보드 층들이 라미네이트된 후 드릴을 사용하여 보드에 구멍을 뚫습니다. 이 구멍들은 마운팅 홀, 스루홀, 비아로 사용됩니다.
6. 도금(Plating): 드릴링 완료 후 보드에 미크론 두께의 구리 층을 도금하여 드릴링된 구멍 내부를 코팅하고 도금 스루홀을 만듭니다. 보통 외층에서 추가 에칭과 구리 제거가 이어집니다.
7. 솔더 마스크 적용(Solder mask application): 구리 층이 완료되면 패널을 세척하고 솔더 마스크로 덮습니다. 솔더 마스크는 PCB에 특유의 녹색을 부여합니다. 솔더 마스크는 구리 트레이스를 다른 전도성 소재와의 우발적 접촉으로부터 절연시켜 기능적 문제를 방지하고, 조립 시 솔더가 올바른 위치에만 도포되도록 돕습니다. 적용 후 원치 않는 솔더 마스크 영역을 제거하고 PCB를 오븐에 넣어 솔더 마스크 층을 경화시킵니다.
8. 실크스크린(Silkscreen): 필요 여부에 관계없이 다음 단계는 실크스크린 적용이며, 이후 보드는 최종 경화 단계를 거칩니다. 솔더 마스크 층 위에 실크스크린 층이 적용됩니다. 실크스크린은 보통 흰색으로 PCB에 문자, 숫자, 기호를 추가합니다. 이 실크스크린 층은 PCB 조립 시 부품 유형과 위치를 식별하는 데 도움을 줍니다.
9. 표면 마감(Surface finishing): 솔더 마스크와 실크스크린 경화 후, PCB는 금, 은 또는 다른 표면 마감으로 도금되어 보호와 기능성을 보장받습니다.

 

이 단계들을 완료한 보드들은 일반적으로 전기적 신뢰성 테스트를 거쳐 기능성을 검증합니다. 이후 패널로 생산된 경우 보드들을 분리하고, 검사하고, 필요시 수리합니다.

제조가 전체 생산 공정에서 차지하는 위치

제조는 PCB 제조 공정의 한 단계일 뿐입니다. 인쇄회로기판 제조의 중요성을 완전히 이해하려면 전체 사이클에서 어디에 위치하는지 알아야 합니다.

PCB 제조 공정은 아래와 같이 세 가지 일반적인 단계로 나뉩니다.

 

1. PCB 개발(PCB development): 제조 공정의 초기 단계입니다. 본질적으로 PCB 설계가 개념화, 수정, 확정되는 단계입니다. PCB 개발은 특히 복잡한 설계의 경우 설계, 프로토타이핑, 테스트의 여러 라운드를 포함합니다.
2. PCB 제조(PCB manufacturing): 개발 단계에서 PCB 설계가 확정되면 제조 공정으로 넘어갑니다. 제조는 두 단계(제조와 조립)로 구성됩니다. 제조(Fabrication)는 보드 설계를 생산하고, 조립(Assembly)은 보드 표면에 부품을 실장합니다. 이 공정이 끝나면 보드들이 완성됩니다.
3. PCB 평가(PCB evaluation): 제조 공정의 최종 단계는 평가입니다. 제조 공정 완료 후 최종 테스트 라운드가 포함됩니다. 이 테스트 단계는 조립된 보드의 의도된 성능 능력을 평가하고 테스트 실패 보드를 걸러냅니다. 경우에 따라 테스트에서 설계 조정이 필요함이 드러나면 사이클이 처음부터 다시 시작됩니다. 테스트를 통과하면 최종 결함 검사 후 출하됩니다.

 

PCB 제조가 중요한 이유

PCB 제조는 고객이 제공한 설계를 사용하여 제3자 제조사가 수행하는 아웃소싱 활동입니다. 제조사는 설계만 볼 뿐 고객 설계의 의도된 성능은 알지 못합니다. 설계자가 설계 과정에서 제조 공정과 한계를 염두에 두지 않으면 제조된 보드는 다음 영역에서 영향을 받을 수 있습니다.

 

• 제조 가능성(Manufacturability): 설계 선택이 PCB 제조 가능성에 영향을 미칩니다. 보드 설계는 보드 소재 특성을 고려하고 표면 요소 간 적절한 클리어런스를 허용해야 합니다. 패널 생산이 필요한 경우 이 또한 최종 설계에 영향을 주어야 합니다. 이러한 요소를 간과한 설계는 재설계 없이는 제조 불가능할 수 있습니다.
• 수율(Yield rate): 어떤 경우 기존 설계로 보드가 성공적으로 제조될 수 있습니다. 하지만 특정 설계 선택이 제조 이슈를 야기해 여러 보드를 불용하게 만들 수 있습니다. 예: 제조 장비의 공차 한계를 넘어서 설계하는 경우.
• 신뢰성(Reliability): 대부분의 보드는 업계 사양 규정을 받으며 요구되는 성능 신뢰성 수준을 명시합니다. 설계 시 업계 요건을 따르지 않으면 신뢰할 수 없거나 비기능적인 보드가 될 수 있습니다.

 

이러한 이슈를 피하는 최선의 방법은 설계 주기 동안 PCB 제조 공정을 고려하는 것입니다. 설계 주기 동안 제조 가능성 설계(DFM) 규칙을 활용하고 PCB 제조사의 역량을 확인하면 됩니다. 고품질 PCB 제조사와 파트너십을 맺으면 설계 단계에서 긴밀히 협력하여 PCB 제조 공정에 맞게 설계를 최적화할 수 있습니다.

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