PCB 조립 필수 가이드: 설계부터 생산까지

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인쇄 회로 기판(PCB) 조립 공정은 완성품이 설계대로 작동하도록 적절한 순서로 수행해야 하는 다양한 단계와 지침으로 구성됩니다. 이를 보장하기 위해 PCB 제조사는 스크린 템플릿과 제어된 가열 및 냉각 메커니즘을 사용하여 부품이 적용되고 고정되는 방식을 조절합니다.

PCB를 조립할 때는 해당 부품 유형에 맞는 적절한 기술을 선택해야 합니다. 모든 부품과 조각은 PCB 설계에 지정된 지정된 위치에 정확히 정렬되어야 합니다. 아무리 사소한 편차라도 완성된 보드의 기능에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

PCBA 용어

PCB 조립 공정을 이해하려면 몇 가지 용어의 의미를 알아야 합니다.

• 기판(Substrate): 인쇄 회로 기판의 기초 소재로, 각 보드를 견고하고 단단하게 만듭니다.
• 구리(Copper): PCB의 각 작동 면에는 전도성을 위해 얇은 구리 층이 있습니다. 단면 보드에서는 구리가 활성 면에 배치됩니다. 양면 PCB에서는 양쪽에 구리가 나타납니다.
• 솔더 마스크(Solder mask): 모든 인쇄 회로 기판 표면의 층(일반적으로 녹색)입니다. 솔더 마스크는 구리와 다른 소재 사이에 절연을 제공하여 서로 다른 전도성 소재가 접촉할 경우 발생할 수 있는 쇼트를 방지합니다. 또한 PCB 레이아웃의 구조를 제공하여 모든 것을 제자리에 고정합니다. 각 보드에는 솔더 마스크를 관통하는 구멍이 있으며, 각 구멍에 솔더를 채워 보드에 추가되는 각 부품의 기초로 삼습니다.
• 실크스크린(Silkscreen): 모든 인쇄 회로 기판의 마지막 마감으로, 투명한 층이 주어진 보드의 여러 부품 옆에 숫자와 문자를 표시합니다. 이를 통해 제조사는 각 보드의 특정 부품을 식별할 수 있습니다.
• 수동 납땜(Manual soldering): 기술자가 일련의 인쇄 회로 기판에서 지정된 위치에 단일 부품을 수동으로 삽입하는 공정입니다. 완료되면 각 보드는 다음 기술자에게 전달되어 또 다른 부품이 추가되고 보드가 앞으로 전달됩니다.
• 웨이브 납땜(Wave soldering): 보드를 컨베이어에 올려 가열 챔버를 통과시키는 방식입니다. 여기서 솔더 웨이브가 보드 하부에 적용되어 보드의 모든 하단 핀을 한 번의 공정으로 고정합니다.

스루홀, 표면 실장, 혼합 기술 조립의 차이를 이해하는 것도 중요합니다.

스루홀 PCB 조립

스루홀 기술은 리드나 와이어가 보드의 구멍을 통해 통과한 후 반대쪽에서 솔더로 고정되는 인쇄 회로 기판에 이상적인 선택입니다. 대형 부품이 있는 PCB, 특히 커패시터에 특히 적합합니다.

스루홀 PCB 기술의 기본 단계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

1. 기술자가 PCB 설계 사양에 따라 인쇄 회로 기판의 특정 영역에 부품을 수동으로 조립합니다. 각 부품은 PCB가 제대로 작동하려면 지정된 정확한 위치에 배치되어야 합니다.
2. 모든 부품이 제대로 조립되었는지, 각 구성 요소가 정확한 위치에 있는지 확인하기 위해 보드를 검사합니다. PCB 부품 중 잘못 배치된 것이 있다면 지금이 바로잡을 때입니다.
3. 이제 부품들을 회로 기판에 납땜하여 고정합니다. 일반적으로 웨이브 납땜으로 수행하며, 보드가 뜨거운 액체 솔더 웨이브 위를 지나가면서 PCB 조립이 고체화됩니다. 수동으로 또는 선택적 납땜을 사용하여 수행할 수도 있습니다. 선택적 납땜은 웨이브 납땜과 유사하지만, 작업자가 특정 영역만 선택적으로 납땜할 수 있어 솔더가 닿지 않아야 하는 영역에 유용합니다.

스루홀 보드는 일반적으로 축방향 또는 방사형 와이어 리드가 있는 부품을 포함합니다. 표면 실장 기술과 비교하면 스루홀 보드는 일반적으로 더 강한 결합력을 가집니다. 그러나 추가 드릴링이 필요하기 때문에 스루홀 조립을 생산하는 데 더 많은 작업이 필요합니다.

스루홀 보드가 다층으로 구성된 경우, 구멍이 상단과 하단 표면 사이를 관통하기 때문에 내부 층에서 신호 트레이스의 라우팅이 제한됩니다. 따라서 스루홀 기술은 전해 커패시터 및 반도체와 같은 비교적 부피가 큰 PCB 부품으로 제한되는 경우가 많습니다. 추가적인 견고함과 지지가 필요한 보드(예: 전자 기계식 릴레이 및 플러그 커넥터)도 스루홀 기술로 제작됩니다.

시제품 제작 단계에서는 기술자들이 브레드보드 소켓과 더 쉽게 작동하는 더 큰 스루홀을 표면 실장보다 선호하는 경우가 많습니다. 그러나 보드가 고속 또는 고주파용으로 설계된 경우, 리드의 인덕턴스나 커패시턴스로 인해 회로 기능이 저하되지 않도록 표면 실장 기술이 필요할 수 있습니다.

솔더 페이스트 적용 시, 솔더 스텐실을 인쇄 회로 기판 위에 올려 설계에서 지정된 범위 내에 솔더가 머물도록 합니다. 스텐실은 원래 설계의 얇은 복제본으로, 부품이 배치될 영역에 컷아웃이 있습니다.

부품이 제자리에 배치되고 보드가 첫 검사를 거치면, 솔더 페이스트는 플럭스라는 결합 화학 물질과 페이스트 내의 미세한 금속 볼이 고체화될 때까지 뜨거운 액체 위에서 가열됩니다. 이로써 부품이 보드에 영구적으로 결합됩니다. 가열과 결합이 완료되면 보드는 제어된 환경에서 냉각됩니다. 이는 보드를 정상 상태로 되돌리고 충격을 방지합니다.

이제 완성된 인쇄 회로 기판은 부품에 대한 가능한 오정렬 여부를 검사해야 합니다. 부품이 비교적 크다면 육안 검사로도 가능합니다. 요즘은 광학 및 X-레이 검사기로 훨씬 더 높은 정확도로 PCB를 검사할 수 있습니다. 설계 결함이 감지되면 더 많은 보드가 공정을 거치기 전에 문제를 수정해야 합니다.

표면 실장 기술

표면 실장 기술은 손상 없이 배치하기 어려울 수 있는 작고 민감한 부품이 포함된 인쇄 회로 기판에 실용적인 옵션입니다. 이 공정을 거치는 부품의 예로는 다이오드와 저항기가 있습니다.

표면 실장 기술의 기본 단계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다:

1. 첫 단계는 솔더 페이스트 적용을 위해 설계된 프린터를 사용합니다. 솔더 스크린 템플릿을 사용하여 미세한 부품이 적절한 위치에 놓이도록 합니다. 부품이 실제로 배치되기 전에 스텐실이 올바르게 정렬되었는지 검사합니다.
2. 이제 보드는 솔더 스크린 템플릿의 설계에 따라 부품이 제자리에 놓이는 기계로 이동합니다. 기계의 릴은 부품이 정렬되고 해당 패드에 부착되도록 합니다.
3. 부품이 보드에 제대로 설정되면 가열 공정을 통해 모든 것을 제자리에 고체화합니다. 이 단계에서 PCB는 솔더를 액화시키는 가열 챔버를 통과하여 부품을 고정합니다.

부품이 PCB에 배치되기 전에, 보드 자체의 선택된 영역을 먼저 솔더 페이스트로 코팅해야 합니다. 이는 보드의 고유한 부품을 위한 접착제 역할을 합니다. 솔더가 필요한 영역은 주로 해당 부품의 패드가 존재할 지점입니다.

솔더 페이스트는 미세한 입자와 플럭스로 구성됩니다. 솔더 페이스트를 인쇄 회로 기판에 배치하는 과정은 인쇄 응용 과정과 매우 유사합니다. 솔더 스크린을 보드 위에 정확하고 지정된 정렬로 설정합니다. 그런 다음 롤러를 스크린 위로 굴려 솔더 페이스트를 보드에 압착합니다.

솔더 스크린은 PCB 설계에 따라 미리 인쇄됩니다. 따라서 스크린의 개구부는 보드의 부품 패드와 정렬됩니다. 이는 솔더 마스크가 해당 영역에만 독점적으로 분포되도록 보장합니다. 이 과정에서 분포되는 솔더의 양은 각 조인트가 과도하게 덮이거나 부족하게 덮이지 않도록 조절되어야 합니다.

페이스트가 도포되면 보드는 픽앤플레이스 기계로 이동하여 지정된 부품이 솔더된 영역에 적용됩니다. 이 과정에서 외부 힘이 보드를 흔들지 않는 한, 솔더의 장력이 부품을 제자리에 고정하기에 충분해야 합니다.

일부 픽앤플레이스 기계에서는 지정된 영역에 소량의 접착제를 추가하여 부품을 고정합니다. 이는 주로 웨이브 납땜 공정을 거치는 인쇄 회로 기판을 위한 것입니다. 이 추가 접착제의 단점은 원래 설계 사양에 맞춰 부품이 잘못 정렬된 보드에서 수정을 어렵게 만들 수 있다는 것입니다.

부품이 적절한 위치에 고정되면 PCB는 납땜 기계를 통과합니다. 과거에는 웨이브 납땜을 자주 사용했으나, 현재는 대부분 사용되지 않습니다. 웨이브 납땜 방식을 사용하는 생산에서는 솔더 페이스트를 사용하지 않는데, 솔더가 웨이브 납땜 기계에 의해 도포되기 때문입니다. 오늘날 PCB 제조사들 사이에서는 리플로 납땜이 더 일반적으로 사용됩니다.

인쇄 회로 기판이 납땜 기계에서 나오면 기술자들은 보드 구성의 결함 여부를 검사합니다. 보드에 100개 이상의 서로 다른 부품이 포함된 경우, 보드는 자동 광학 검사기(AOI)를 통과하여 정렬 불량 조인트, 위치 이탈 부품, 잘못된 배치 등 미세한 결함까지 감지합니다.

각 인쇄 회로 기판은 조립 라인을 떠나기 전에 일련의 테스트를 거쳐야 합니다. 보드는 원래 설계대로 기능할 수 있는지 확인하기 위해 여러 테스트를 견뎌냅니다.

작업이 진행되는 동안 장비가 의도대로 작동하는지 확인하기 위해 장비를 검사해야 합니다. 가장 먼저 확인할 곳은 출력입니다. 이는 주어진 생산의 성공 여부를 검증하는 데 도움이 됩니다. 납땜 기계의 출력은 각 생산 시작 시, 그리고 출력을 통해 나오는 초기 보드들과 함께 검사되어야 합니다. 이렇게 하면 오인쇄 오류가 크고 비용이 많이 드는 문제로 커지기 전에 초기에 포착할 수 있습니다.

혼합 기술

컴퓨터 기술의 급속한 발전으로 인해 점점 더 많은 인쇄 회로 기판이 더 작고 작은 부품으로 제작되고 있습니다. 이는 오늘날 많은 PCB가 일반적으로 혼합 기술이라 불리는 방법의 조합으로 제작됨을 의미합니다. 혼합 기술을 포함하는 조립은 다음 접근 방식 중 하나를 포함합니다.

• 단면 혼합 조립: 인쇄 회로 기판이 보드의 같은 면에서 표면 실장 기술과 스루홀 기술을 모두 거칩니다.
• 분할 조립: 인쇄 회로 기판의 한 면은 표면 실장 기술로 조립되고 다른 면은 스루홀 기술로 조립됩니다. 이런 PCB는 한 면에 일반 크기 부품, 다른 면에 더 작은 부품이 있습니다.
• 양면 혼합 조립: 인쇄 회로 기판의 양면이 스루홀 기술과 표면 실장 기술의 조합으로 조립됩니다. 이런 유형의 보드는 양쪽에 일반 부품뿐만 아니라 작고 섬세한 부품을 모두 갖추고 있습니다.

PCB 설계가 생산에 들어가기 전에, 사용될 보드를 품질 목적으로 검사해야 합니다. 부품에서 발산화 또는 기름기 잔여물은 위험 신호가 될 수 있습니다. 서늘한 환경에 보관된 경우, 솔더 페이스트는 해동되고 교반된 후에만 적용할 수 있습니다. PCB는 표면에 페이스트가 도포되기 전에 건조해야 합니다.

혼합 기술이 적용된 인쇄 회로 기판에서는 픽앤플레이스 기계 내에서 더 복잡한 공정 세트가 필요합니다. 여기에서는 한 면 또는 양면에 다양한 크기의 부품 혼합을 고려해야 합니다.

인쇄 회로 기판이 양면 조립으로 구성된 경우, 납땜 공정을 양면에 적용해야 합니다. 기본적으로 한 면에서 일어나는 모든 일이 다른 면에서도 일어납니다. 유일한 차이점은 특정 부품과 그 배치입니다. 한 면에는 다른 면보다 더 작은 부품이 포함될 수 있습니다. 웨이브 납땜은 양면 PCB에 불가능합니다. 보드를 두 번째 면을 위해 다시 제출하면 첫 번째 면의 섬세한 부품이 망가지기 때문입니다.

혼합 기술로 구성된 모든 인쇄 회로 기판은 자동 광학 검사기에 제출해야 합니다. 이렇게 하면 기술자들은 미세한 부품의 사소한 오배치 등 가장 작은 결함까지 감지하는 완벽한 검사를 보장받을 수 있습니다.

양면 혼합 기술 보드의 복잡성을 고려하여, 그러한 라인에서 생산된 초기 PCB에 대해 더 철저한 테스트 세트가 필요합니다. 고려해야 할 부품이 더 많으므로, 단 한 부품이라도 정렬이 어긋나면 더 많은 잠재적 문제가 발생합니다.

Millennium Circuits Limited의 PCB 제조

오늘날의 첨단 기술 세계에서 인쇄 회로 기판은 기술자들이 더 많은 데이터와 에너지를 더 작고 작은 칩에 로드하는 방법을 찾으면서 점점 더 복잡해지고 있습니다. 컴퓨터 기기와 전자 제품이 작아짐에 따라, 이러한 기기를 구동하고 무선 그리드에 연결하는 PCB도 작아질 것입니다. PCB 제조사에게 이는 인쇄 회로 기판 생산이 고급 수준의 엔지니어링을 요구함을 의미합니다.

현재 표준으로 PCB를 효율적으로 만들려면, 조립 공정의 각 단계를 더 효율적으로 수행할 수 있도록 적절히 지정된 베어 PCB가 있어야 합니다. Millennium Circuits에서는 최신 기술을 우리 시설에서 사용하여 고객 사양에 따라 각 베어 PCB 주문을 이행합니다. PCB 제조에 대한 자세한 정보는 Millennium Circuits에 문의하세요.

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