인쇄 회로 기판

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배경

인쇄 회로 기판 또는 PCB는 일반적인 비퍼, 또는 호출기 및 라디오를 정교한 레이더 및 컴퓨터 시스템에 연결합니다. 회로는 기판으로 알려진 절연 기판의 표면에 증착된 또는 "인쇄된" 전도성 물질의 얇은 층에 의해 형성됩니다. 개별 전자 부품은 기판 표면에 배치되고 상호 연결 회로에 납땜됩니다. 기판의 하나 이상의 가장자리를 따라 있는 접촉 핑거는 다른 PCB 또는 온-오프 스위치와 같은 외부 전기 장치에 대한 커넥터 역할을 합니다. 인쇄 회로 기판에는 신호 증폭기와 같은 단일 기능 또는 여러 기능을 수행하는 회로가 있을 수 있습니다.

인쇄 회로 기판 구성에는 단면, 양면 및 다층의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 단면 보드는 기판의 한 면에 구성 요소가 있습니다. 단면 보드에 비해 부품 수가 너무 많을 경우 양면 보드를 사용할 수 있습니다. 각 측면의 회로 사이의 전기적 연결은 적절한 위치에서 기판을 통해 구멍을 뚫고 구멍 내부를 전도성 물질로 도금하여 이루어집니다. 세 번째 유형인 다층 기판은 절연 층으로 분리된 인쇄 회로 층으로 구성된 기판을 가지고 있습니다. 표면의 구성 요소는 적절한 회로 레이어로 드릴다운된 도금 구멍을 통해 연결됩니다. 이것은 회로 패턴을 크게 단순화합니다.

인쇄 회로 기판의 구성 요소는 이전 "스루 홀 기술"과 최신 "표면 실장 기술"이라는 두 가지 다른 방법으로 회로에 전기적으로 연결됩니다. 스루 홀 기술을 사용하면 각 구성 요소에 얇은 와이어 또는 리드가 있는데, 이 리드는 기판의 작은 구멍을 통해 밀어내고 반대쪽 회로의 연결 패드에 납땜됩니다. 리드와 구멍 측면 사이의 중력과 마찰은 부품이 납땜될 때까지 부품을 제자리에 유지합니다. 표면 실장 기술을 사용하면 각 구성 요소의 뭉툭한 J형 또는 L형 다리가 인쇄 회로와 직접 접촉합니다. 접착제, 플럭스 및 솔더로 구성된 솔더 페이스트는 최종 연결을 위해 오븐에서 솔더가 녹거나 "리플로우"될 때까지 부품을 제자리에 유지하기 위해 접촉 지점에 적용됩니다. 표면 실장 기술은 구성 요소 배치에 더 많은 주의가 필요하지만 스루 홀 기술에 내재된 시간 소모적인 드릴링 프로세스와 공간 소모적인 연결 패드를 제거합니다. 두 기술 모두 오늘날 사용됩니다.

두 가지 다른 유형의 회로 어셈블리가 인쇄 회로 기판과 관련되어 있습니다. 집적 회로 IC 또는 마이크로칩이라고도 하는 이 칩은 매우 작은 실리콘 칩의 표면에 전기화학적으로 "성장"되는 더 많은 회로와 구성 요소가 IC에 포함되어 있다는 점을 제외하고는 인쇄 회로 기판과 유사한 기능을 수행합니다. 하이브리드 회로는 이름에서 알 수 있듯이 인쇄 회로 기판처럼 보이지만 표면에 배치되고 납땜되는 것이 아니라 기판 표면에 성장하는 일부 구성 요소를 포함합니다.

연혁

인쇄 회로 기판은 1850년대에 개발된 전기 연결 시스템에서 발전했습니다. 금속 스트립 또는 막대는 원래 나무 받침대에 장착된 대형 전기 부품을 연결하는 데 사용되었습니다. 시간이 지나면서 금속 스트립은 나사 단자에 연결된 전선으로 교체되었고 나무 받침대는 금속 섀시로 교체되었습니다. 그러나 회로 기판을 사용하는 제품의 작동 요구가 증가함에 따라 더 작고 컴팩트한 디자인이 필요했습니다. 1925년 미국의 Charles Ducas는 전기 전도성 잉크로 스텐실을 통해 인쇄하여 절연된 표면에 직접 전기 경로를 만드는 방법에 대한 특허 출원을 제출했습니다. 이 방법으로 "인쇄 배선" 또는 "인쇄 회로"라는 이름이 탄생했습니다.

1943년 영국의 Paul Eisler는 유리로 강화된 비전도성 베이스에 결합된 구리 호일 층에 전도성 패턴 또는 회로를 에칭하는 방법에 대한 특허를 받았습니다. Eisler의 기술이 널리 사용되기 시작한 것은 트랜지스터가 상업적 용도로 도입된 1950년대에 이르러서였습니다. 그 시점까지는 진공관 및 기타 구성 요소의 크기가 너무 커서 기존의 장착 및 배선 방법만 있으면 되었습니다. 그러나 트랜지스터의 출현으로 구성 요소가 매우 작아졌고 제조업체는 전자 패키지의 전체 크기를 줄이기 위해 인쇄 회로 기판으로 눈을 돌렸습니다.

스루홀 기술과 다층 PCB에서의 사용은 1961년 미국 Hazeltyne에 의해 특허를 받았습니다. 결과적으로 부품 밀도의 증가와 밀접하게 배치된 전기 경로는 PCB 설계의 새 시대를 열었습니다. 집적 회로 칩은 1970년대에 도입되었으며 이러한 구성 요소는 인쇄 회로 기판 설계 및 제조 기술에 빠르게 통합되었습니다.

디자인

표준 인쇄 회로 기판과 같은 것은 없습니다. 각 보드는 특정 제품에 대한 고유한 기능을 가지며 할당된 공간에서 해당 기능을 수행하도록 설계되어야 합니다. 기판 설계자는 특수 소프트웨어와 함께 컴퓨터 지원 설계 시스템을 사용하여 기판에 회로 패턴을 배치합니다. 전기 전도 경로 사이의 공간은 종종 0.04인치(1.0mm) 이하입니다. 부품 리드 또는 접점을 위한 구멍의 위치도 표시되며 이 정보는 컴퓨터 수치 제어 드릴 머신 또는 제조 공정에서 사용되는 자동 솔더 페이스트에 대한 지침으로 번역됩니다.

회로 패턴이 배치되면 네거티브 이미지 또는 마스크가 투명한 플라스틱 시트에 정확한 크기로 인쇄됩니다. 네거티브 이미지의 경우 회로 패턴의 일부가 아닌 영역은 검은색으로 표시되고 회로 패턴은 선명하게 표시됩니다.

원자재

인쇄 회로 기판에 가장 일반적으로 사용되는 기판은 유리 섬유 강화 (유리 섬유) 한 면 또는 양면에 동박이 접착된 에폭시 수지. 종이로 강화된 페놀수지와 동박을 접착하여 만든 PCB는 가격이 저렴하고 가정용 전기 장치에 자주 사용됩니다.

인쇄 회로는 구리로 만들어지며 원하는 패턴을 남기기 위해 기판 표면에 도금되거나 에칭됩니다. (제조 공정의 3단계에 설명된 "가산" 및 "빼기" 공정 참조). 구리 회로는 산화를 방지하기 위해 주석-납 층으로 코팅됩니다. 접촉 핑거는 주석-납, 니켈, 금으로 도금되어 탁월한 전도성을 제공합니다.

구입한 부품에는 저항기, 커패시터, 트랜지스터, 다이오드, 집적 회로 칩 등이 포함됩니다.

제조
프로세스

인쇄 회로 기판 처리 및 조립은 공기 및 구성 요소가 오염되지 않은 상태로 유지될 수 있는 매우 깨끗한 환경에서 수행됩니다. 대부분의 전자 제조업체에는 고유한 프로세스가 있지만 일반적으로 양면 인쇄 회로 기판을 만드는 데 다음 단계를 사용할 수 있습니다.

기판 만들기

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1 직조된 유리 섬유는 롤에서 풀려 공정 스테이션을 통해 공급됩니다. 위의 그림은 PCB 부분을 확대한 것입니다. 침지 또는 스프레이에 의해 에폭시 수지로 함침되는 곳. 그런 다음 함침된 유리 섬유가 롤러를 통과하여 재료를 완성된 기판에 대해 원하는 두께로 롤링하고 과잉 수지를 제거합니다.

2 기판 재료는 오븐을 통과하여 반경화됩니다. 오븐 후 재료를 큰 패널로 자릅니다.

3 패널을 여러 겹으로 쌓고 뒷면에 ​​접착력이 있는 동박 층이 번갈아 가며 있습니다. 스택은 약 170°C(340°F)의 온도와 1500psi의 압력에 1시간 이상 노출되는 프레스에 배치됩니다. 이것은 수지를 완전히 경화시키고 구리 호일을 기판 재료의 표면에 단단히 결합시킵니다.

구멍 드릴링 및 도금

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4 인쇄회로기판을 여러 개 만들 수 있을 만큼 큰 기판의 여러 패널을 서로 겹쳐서 고정하여 움직이지 않도록 합니다. 적층된 패널을 CNC 기계에 놓고 보드를 배치할 때 결정된 패턴에 따라 구멍을 뚫습니다. 구멍의 가장자리에 달라붙는 과도한 재료를 제거하기 위해 구멍을 디버링합니다.

5 기판의 한 면에서 다른 면으로 전도성 회로를 제공하도록 설계된 구멍의 내부 표면은 구리로 도금됩니다. 비전도성 구멍은 도금되지 않도록 막혀 있습니다. 또는 더 큰 패널에서 개별 보드를 자른 후 드릴로 뚫습니다.

기판에 인쇄 회로 패턴 생성

인쇄 회로 패턴은 "가산" 공정 또는 "감산" 공정에 의해 생성될 수 있다. 추가 공정에서 구리는 원하는 패턴으로 기판 표면에 도금되거나 추가되어 나머지 표면은 도금되지 않은 상태로 남습니다. 감산 공정에서는 먼저 기판의 전체 표면을 도금한 다음 원하는 패턴의 일부가 아닌 영역을 식각하거나 빼냅니다. 우리는 덧셈 과정을 설명할 것이다.

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6 기판의 호일 표면이 탈지됩니다. 패널은 포지티브 포토레지스트 재료 층이 포일의 전체 표면에 단단히 눌러지는 진공 챔버를 통과합니다. 포지티브 포토레지스트 재료는 자외선에 노출되면 더 잘 용해되는 특성을 갖는 폴리머입니다. 진공은 포일과 포토레지스트 사이에 기포가 갇히지 않도록 합니다. 포토레지스트 위에 인쇄 회로 패턴 마스크를 놓고 패널을 강한 자외선에 노출시킵니다. 마스크는 인쇄 회로 패턴 영역에서 투명하기 때문에 해당 영역의 포토레지스트가 조사되어 매우 용해됩니다.

7 마스크를 제거하고 패널 표면에 알칼리 현상액을 분사하여 조사된 포토레지스트를 인쇄 회로 패턴 영역에 용해시켜 기판 표면에 노출된 구리 호일을 남깁니다.

8 그런 다음 패널에 구리를 전기도금합니다. 이 과정에서 기판 표면의 포일은 음극 역할을 하고 구리는 노출된 포일 영역에 약 0.001-0.002인치(0.025-0.050mm)의 두께로 도금됩니다. 여전히 포토레지스트로 덮인 영역은 음극으로 작용할 수 없으며 도금되지 않습니다. 주석 납 또는 다른 보호 코팅은 구리 도금 위에 도금되어 구리가 산화되는 것을 방지하고 다음 제조 단계를 위한 레지스트로 사용됩니다.

9 기판의 구리박이 도금된 인쇄 회로 패턴 사이에 노출되도록 솔벤트로 기판에서 포토레지스트를 벗겨냅니다. 보드는 구리 호일을 먹어 치우는 산성 용액으로 분무됩니다. 인쇄 회로 패턴의 구리 도금은 주석-납 코팅으로 보호되며 산의 영향을 받지 않습니다.

접촉 손가락 부착

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10 접촉 핑거는 인쇄 회로와 연결하기 위해 기판의 가장자리에 부착됩니다. 접촉 핑거는 나머지 보드에서 마스킹된 다음 도금됩니다. 도금은 세 가지 금속으로 이루어집니다. 첫 번째는 주석-납, 다음은 니켈, 그 다음은 금입니다.

주석 납 코팅의 융합

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11 구리 인쇄 회로 패턴 표면의 주석-납 코팅은 다공성이 매우 커서 쉽게 산화됩니다. 패널을 보호하기 위해 패널은 "리플로우" 오븐이나 뜨거운 오일 수조를 통과하여 주석 납이 녹거나 반짝이는 표면으로 리플로우됩니다.

패널 밀봉, 스텐실 및 절단

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12 각 패널은 구성 요소가 부착되는 동안 회로가 손상되는 것을 방지하기 위해 에폭시로 밀봉됩니다. 지침 및 기타 표시는 보드에 스텐실화되어 있습니다.

13 그런 다음 패널을 개별 보드로 자르고 가장자리를 매끄럽게 만듭니다.

구성 요소 장착

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14 개별 보드는 전자 부품을 회로의 적절한 위치에 배치하는 여러 기계를 통과합니다. 표면 실장 기술을 사용하여 구성 요소를 실장하려는 경우 기판은 먼저 자동 솔더 페이스트를 통과하여 각 구성 요소 접점에 솔더 페이스트를 소량 도포합니다. 매우 작은 구성 요소는 보드에 구성 요소를 빠르게 배치하거나 쏘는 "칩 슈터"에 의해 배치될 수 있습니다. 더 큰 구성 요소는 로봇으로 배치될 수 있습니다. 일부 구성 요소는 로봇 배치에 너무 크거나 이상한 크기일 수 있으며 나중에 수동으로 배치하고 납땜해야 합니다.

15 그런 다음 구성 요소가 회로에 납땜됩니다. 표면 실장 기술을 사용하면 다른 리플로우 프로세스를 통해 기판을 통과시켜 납땜이 수행되며, 이는 납땜 페이스트를 녹여 연결을 만듭니다.

16 땜납의 플럭스 잔류물은 사용하는 땜납의 종류에 따라 물이나 용제로 세척합니다.

포장

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17 인쇄 회로 기판을 즉시 사용하지 않는 한, 보관 또는 배송을 위해 보호용 비닐 봉투에 개별 포장됩니다.

품질 관리

결함을 감지하기 위해 제조 공정 전반에 걸쳐 육안 및 전기 검사가 이루어집니다. 이러한 결함 중 일부는 자동화된 기계에 의해 생성됩니다. 예를 들어, 부품이 기판에서 잘못 배치되거나 최종 납땜 전에 이동하는 경우가 있습니다. 다른 결함은 너무 많은 솔더 페이스트를 적용하여 발생하며, 이로 인해 과도한 솔더가 두 개의 인접한 인쇄 회로 경로를 가로질러 흐르거나 브리지될 수 있습니다. 최종 리플로우 프로세스에서 솔더를 너무 빨리 가열하면 구성 요소의 한쪽 끝이 보드에서 들어 올려져 접촉하지 않는 "툼스톤" 효과가 발생할 수 있습니다.

완성된 보드는 또한 출력이 원하는 한계 내에 있는지 확인하기 위해 기능적 성능을 테스트합니다. 일부 보드는 극한의 열, 습도, 진동 및 충격에서 성능을 확인하기 위해 환경 테스트를 거칩니다.

독성 물질 및
안전 고려 사항

PCB에서 전기 연결을 만드는 데 사용되는 땜납에는 납, 독성 물질로 간주됩니다. 땜납에서 나오는 연기는 건강상의 위험으로 간주되며 땜납 작업은 밀폐된 환경에서 수행해야 합니다. 연기는 대기로 배출되기 전에 적절한 추출 및 청소가 이루어져야 합니다.

PCB를 포함하는 많은 전자 제품은 12-18개월 이내에 쓸모 없게 됩니다. 이러한 구식 제품이 폐기물로 유입되어 결국 매립지에 들어갈 가능성에 대해 많은 환경 운동가들이 우려하고 있습니다. 전자 제품에 대한 재활용 노력에는 구형 제품을 리퍼브하여 최신 전자 제품이 필요하지 않거나 사용할 수 없는 고객에게 재판매하는 작업이 포함됩니다. 다른 전자 제품을 분해하고 컴퓨터 부품을 회수하여 재판매 및 다른 제품에 재사용합니다.

유럽의 많은 국가에서는 법률에 따라 제조업체가 중고 제품을 다시 구매하여 폐기하기 전에 환경에 안전하게 만들 것을 요구하고 있습니다. 전자 제품 제조업체의 경우 이는 PCB에서 독성 솔더를 제거하고 재생해야 함을 의미합니다. 이것은 비용이 많이 드는 과정이며 전기 연결을 만드는 무독성 수단의 개발에 대한 연구에 박차를 가했습니다. 한 가지 유망한 접근 방식은 전선과 땜납을 대체하기 위해 수용성의 전기 전도성 성형 플라스틱을 사용하는 것입니다.

미래

전자 제품의 소형화는 인쇄 회로 기판 제조를 계속해서 전자 기능이 향상된 더 작고 더 조밀하게 포장된 기판으로 이끌고 있습니다. 여기에 설명된 보드 이상의 발전에는 3차원 성형 플라스틱 보드와 집적 회로 칩의 사용 증가가 포함됩니다. 이러한 발전과 기타 발전은 인쇄 회로 기판의 제조를 수년 동안 역동적인 분야로 유지할 것입니다.