스루홀 기술: 현대 PCB 설계에서 여전히 필수적인 이유

1. 스루홀 기술(Through-Hole Technology)이란?

전자 부품 제조 시 PCB는 품질과 사용성에 핵심적 역할을 합니다. PCB 최종 기능성은 설계에 달려 있으며, 널리 쓰이는 두 설계는 스루홀 기술(Through-Hole)과 표면 실장 기술(SMT)입니다.

본 문서는 스루홀 기술에 초점을 맞춰 전자 제품 제조에서 여전히 널리 쓰이는 이유를 상세히 다룹니다.

스루홀 기술은 전자 부품의 리드와 칩을 PCB의 스루홀에 삽입하는 실장 기법입니다. 여기서 핀은 보드 반대편 패드에 하부에서 솔더링됩니다. 주로 수작업이나 삽입 실장 머신으로 수행됩니다. 이 기술은 1980년대 후반까지 번성했으나 표면 실장 기술(SMT) 등장으로 위축되었습니다. SMT 도입 시 스루홀이 구식이 될 것으로 예상되었으나, 고유한 장점과 신뢰성으로 시간의 시험을 견뎌냈습니다.

2. 스루홀 리드(Through-Hole Leads)

스루홀을 사용하는 PCB는 두 타입의 와이어 리드를 가집니다: 래디얼(Radial) 또는 액시얼(Axial) 리드.

2.1 액시얼(Axial) 리드

액시얼 리드는 와이어 점퍼와 유사한 형상으로, 박스형 또는 원통형 부품의 양 끝단에서 돌출합니다. 이 돌출부는 거의 완벽한 기하학적 대칭 축을 형성합니다. 돌출되지만 PCB 표면에서 크게 솟지 않아 평평하게 놓입니다.

액시얼 리드는 PCB 상 짧은 거리 브리징과 개방 공간이 지지하지 않는 포인트-투-포인트 배선에 흔히 사용됩니다.

2.2 래디얼(Radial) 리드

래디얼이라는 명칭은 부품에서 보드 표면으로 평행하게 돌출하는 리드 형상에서 유래했으며, 리드는 패키지 끝단과 정렬됩니다. 과거에는 돌출한 원통형 부품의 반경 형태를 띠어 식별되었으나, 액시얼 리드 등장으로 이 정의는 무의미해졌습니다.

보드 상에서 래디얼 부품은 액시얼 리드보다 작은 풋프린트(Footprint)로 90도 각도를 형성합니다. 평행 구성으로 플러그인 성격을 가져 고속 자동화가 필요한 부품에 상당한 선택지가 됩니다.

3. 스루홀 솔더링(Through-Hole Soldering)

솔더링은 전자 분야 입문에 필수 기술입니다. PCB 보드에서 무엇을 교체해야 하고 어디인지 아는 것이 매우 중요합니다. 다만 스루홀 기술을 사용하는 보드 수리 시 많은 정밀함이 요구됩니다.

3.1 고급 PTH(Advanced PTH)

필요한 솔더링 기술을 갖췄다면 고급 PTH 기법을 선택할 수 있습니다. 필수 팁을 살펴보겠습니다.

1. 솔더 흐름 제어법 익히기. 가장 먼저 배우는 기술로, 시간과 연습으로 숙달 가능
2. 납땜 인두 다양한 팁 사용 및 제어법 익히기. 용도별 별도 팁 필요
3. 인두 선택 후 리드와 패드 가열, 솔더가 보드 홀을 통해 매끄럽게 흐르도록 유도
4. 납땜 인두 냉각 후 연결 완료
5. 두 스루홀 간 브리지 생성 시에도 이 기법 활용 가능

3.2 세척(Cleaning)

솔더링 후 세척법을 아는 것이 중요합니다. 무엇을 세척하냐고요? 무연 솔더 사용 시 플럭스로 PCB가 지저분해지기 쉽습니다. 플럭스는 납땜 인두 자체에서 나오거나 잘못된 연결 방지를 위해 의도적으로 도포할 수 있습니다. 어떻게 처리할까요?

최적의 권장법: 작은 칫솔에 이소프로필 알코올을 묻혀 보드를 닦는 것입니다. 다량 보드 작업으로 플럭스 건조 위험 시 증류수를 채운 크록팟(Crockpot) 사용. 증류수는 회로 내 불순물 유입을 방지합니다.

4. 스루홀 기술의 장점

스루홀 기술은 오랜 역사에도 불구하고 여전히 매력적이며, 신기술이 대체할 수도 있는 상황에서도 여전히 선호됩니다. 표면 실장 기술보다 여전히 선호되는 이유는 무엇일까요? PCB 설계에 대한 이 기술의 장점을 살펴보겠습니다.

4.1 견고함(Sturdy)

스루홀 부품은 층간 안전한 연결이 필요한 제품에서 내구성과 효과면에서 진가를 발휘합니다.

이 기술로 작업 시 어떤 환경 스트레스에도 접촉 상태를 유지합니다. 스루홀 부품은 보드를 관통하며 보강되는 반면, SMT 부품은 PCB 표면에만 솔더링됩니다.

이 특성으로 군용 및 항공우주 전자장비에 흔히 사용되며 극한 가변 조건을 견딜 수 있습니다.

4.2 강력한 기계적 결합(Stronger Mechanical Bonds)

스루홀 기술은 무겁거나 부피가 큰 구성 부품에 완벽합니다. 이러한 전자장치는 PCB에서 더 강력한 기계적 결합을 필요로 하며, 일반 SMT는 이를 제공하지 못합니다.

4.3 쉬운 프로토타이핑(Easier Prototyping)

스루홀 기술로 설계자는 수동 교체와 조정 편의성 덕분에 더 수월합니다. 브레드보드 소켓도 프로토타이핑에 필수적으로 사용됩니다.

5. 스루홀 기술 관련 제약사항

스루홀 기술이 독특하고 매력적이어도 표면 실장 등장 후 몇 가지 단점은 남아 있습니다. 와이어 리드에 약간의 기생 정전용량과 인덕턴스가 필요한 고속 부품에는 비현실적입니다.

5.1 보드 공간 더 많이 차지

스루홀 기술 선택 시 보드 공간 상당 부분이 와이어 리드 수용에 할애되어 더 큰 PCB 투자가 필요합니다. 큰 PCB는 배선 최소화와 일반적으로 작업 가능한 크기로 보드 축소의 본질을 떨어뜨립니다.

6. 표면 실장 기술(SMT, Surface Mount Technology)

표면 실장 기술은 스루홀과 항상 연관되나 고유하게 구별됩니다. 이 기술은 부품 리드를 드릴링 없이 직접 솔더링으로 실장합니다. 스루홀과 달리 설계자가 더 쉽게 만들 수 있습니다. 이전 전자제품 대비 비교적 저렴한 생산·제조 비용으로 혁신적이었으며, 대부분이 이 기술을 채택할 수 있게 되었습니다.

결론

현재 두 설계는 끊임없는 경쟁 관계처럼 보이지만, 둘 다 전자제품 제조에 널리 쓰입니다. 스루홀 보드 수리와 솔더링 시 앞서 논의한 바와 같이 많은 정밀함이 필요합니다. 핀 리드가 단단히 맞물리도록 하고 솔더링할 부품을 단단히 고정해야 합니다. 이는 궁극적으로 전자 애호가로서의 바람이나 다루는 전자제품 종류에 달려 있습니다.