정밀하고 효율적인 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정의 모든 것

1. 요약

• 정밀하고 효율적인 인쇄 회로 기판(PCB) 제조 공정은 현대 전자 기기의 필수 요소로 자리 잡고 있습니다. 이 공정은 복잡한 전자 회로를 지원하고 연결하는 데에 중요한 역할을 수행합니다. 본 과정을 통해 독자는 PCB의 정의, 다양한 유형 및 설계의 중요성을 깊이 있게 이해할 수 있습니다. PCB는 기본적으로 유리 섬유와 에폭시 수지로 이루어진 기판이며, 그 위에는 전도성 구리 트랙이 에칭되어 회로가 형성됩니다. 특히, 단면 PCB, 양면 PCB 및 다층 PCB와 같은 다양한 유형은 사용 목적과 회로의 복잡성에 따라 선택됩니다. 이러한 다양한 PCB는 현대의 스마트폰, 자동차 전자 기기, 통신 장비 등 여러 분야에서 광범위하게 활용되고 있으며, 그 중요성은 날로 증가하고 있습니다.

• PCB 제조 공정의 각 단계는 그 자체로 높은 기술력을 요구하며, 설계, 인쇄, 에칭, 조립 및 검사를 포함하는 전 과정이 유기적으로 연결되어 있습니다. 이러한 단계에서는 설계의 투명성과 정밀성이 보장되어야 하며, 제조업체들은 공정 중 발생할 수 있는 오류를 최소화하기 위해 각별한 주의를 기울여야 합니다. 특히, 다층 PCB의 경우 정밀한 설계와 공정이 필수적이며, 내부 레이어에서의 전기적 신호 처리가 중요한 상황에서도, 동박의 역할이 주목받고 있습니다. 동박은 전기 전도성을 제공하는 필수 재료로, 차폐기능과 정전기 방지기능 또한 함께 수행하여 전자 기기의 안정성과 성능을 높이고 있습니다. 이와 같은 기술적 배경을 통해 독자들은 향후 PCB 제조 공정 및 기술 발전에 대한 통찰을 기대할 수 있게 됩니다.

2. PCB의 정의와 유형

• 2-1. PCB의 기본 정의

• PCB(인쇄 회로 기판)는 전자 회로를 전기적으로 지원하고 연결하는 데 사용되는 기판입니다. 일반적으로 유리 섬유와 에폭시 수지로 제조되며, 그 위에 전도성 구리 트랙이 에칭되어 회로를 형성합니다. PCB는 표면 실장 소켓 구성 요소를 물리적으로 지지하고 연결하는 역할을 맡으며, 현대 전자 기기에서 필수적인 요소로 자리 잡고 있습니다.

• 2-2. 다양한 PCB의 종류 (고주파 PCB, 고속 PCB, 다중 계층 PCB 등)

• PCB는 다양한 종류로 분류됩니다. 기본적으로는 단면 PCB(단층 PCB), 양면 PCB(더블 레이어 PCB), 그리고 다층 PCB가 있습니다. 1층 PCB는 한 쪽 면만 전도층이 존재하는 가장 간단한 형태로, 주로 저비용의 간단한 전자 회로에 사용됩니다. 양면 PCB는 양면에 구리 전도층이 있어 더욱 복잡한 회로 설계가 가능하여, 휴대폰 시스템, 전원 장치 등에서 활용됩니다.

• 다층 PCB는 4L, 6L, 8L와 같이 두 개 이상의 구리 층으로 구성되어 있으며, 복잡한 회로 연결을 효율적으로 구현할 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 설계는 고속 회로에서 중요한 역할을 하며, 공간 절약과 높은 밀도를 가능하게 합니다.

• 또한, 고주파 PCB는 높은 주파수를 처리하는 데 적합하게 설계된 PCB이며, 고속 PCB는 빠른 데이터 전송이 요구되는 애플리케이션에서 사용됩니다.

• 2-3. PCB의 사용 용도와 필요성

• PCB는 전자 제품에서 중요한 기반이 되는 요소로, 통신 장비, 컴퓨터, 소비자 전자 제품 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용됩니다. 예를 들어, 현대의 리튬 이온 배터리, 자동차 전자 기기, 게임 콘솔 등에도 필수적으로 포함되어 있습니다.

• PCB의 필요성은 전기적 연결을 통해 회로를 효율적으로 설계하고 제작할 수 있도록 해줍니다. 이는 전자 장비의 최소화, 고집적화 및 경량화와 같은 현대 기술의 요구에 부합하는 데 중요한 역할을 하며, 전자기기의 성능 향상과 제조 비용 절감에도 기여합니다.

3. PCB 제조 공정 단계별 설명

• 3-1. 1단계: PCB 설계

• PCB 제조 공정의 첫 번째 단계는 PCB 설계입니다. 이 단계는 제품의 성능과 기능에 따라 설계자가 회로 기판에 대한 상세한 청사진을 작성하여 시작됩니다. 이때 사용하는 설계 소프트웨어는 주로 Extended Gerber와 같은 프로그램으로, 이를 통해 요구 사항과 설계 의도를 정확하게 반영할 수 있습니다. 설계자는 PCB의 층 수, 부품 배치, 신호 경로 및 전기적 특성을 모두 고려하여 최적의 결과를 도출하려고 합니다.

• 3-2. 2단계: 설계 검토 및 엔지니어링 질문

• 설계 단계가 완료된 후, PCB는 엔지니어링 검토를 거쳐야 합니다. 이 과정에서 설계자는 누락된 구성 요소나 잘못된 연결 사항이 없는지 체크합니다. 설계 검토가 통과되면, PCB는 인쇄 단계로 넘어갑니다. 이 단계에서 발생할 수 있는 오류는 나중에 발생할 수 있는 전기적 문제로 이어질 수 있으므로, 신중한 검토가 필수적입니다.

• 3-3. 3단계: PCB 디자인 인쇄

• PCB 디자인 인쇄 단계에서는 플로터 프린터를 사용하여 PCB의 달라붙은 '필름'을 만듭니다. 이 '필름'은 보드의 네거티브 사진과 같은 역할을 하며, 검정 잉크로 구리 트레이스와 회로가 표시되고, 투명 잉크로는 비전도성 영역이 표시됩니다. 이 프린팅 과정이 완료되면, PCB의 각 레이어마다 필요한 솔더 마스크와 라미네이트 재료가 준비됩니다.

• 3-4. 4단계: 내부 레이어용 구리 인쇄

• 이 단계에서 PCB에 구리가 인쇄됩니다. 라미네이트 조각에 접착된 상태에서 구리를 에칭하여 설계된 패턴이 드러납니다. 또한 광 반응성 화학 물질로 만들어진 포토레지스트를 붙여서 원하는 형상으로 구리를 보호한 후, 나중에 에칭을 통해 필요 없는 부분을 제거하게 됩니다. 이를 통해 설계된 회로 패턴이 PCB에 정확히 남도록 합니다.

• 3-5. 5단계: 내부 레이어 또는 코어를 에칭하여 구리 제거

• PCB의 내부 레이어에서 여분의 구리를 제거하기 위해 에칭 과정을 거칩니다. 이 과정에서 화학 약품을 사용하여 위치에 따라 남겨져야 할 구리 패턴 외의 부분이 제거되며, 이로써 전기적 연결을 위한 통로를 만듭니다. 에칭 공정에서는 시간과 사용하는 화학약품의 양이 중요한 변수입니다.

• 3-6. 6단계: 레이어 정렬

• PCB의 각 레이어가 정렬되어야 하는 중요성을 가진 단계입니다. 레이어를 정렬하기 위해 광학 펀치를 사용하여 정확한 위치에 구멍을 만듭니다. 이를 통해 나중에 연관된 레이어 간의 위치가 정확하게 맞추어질 수 있도록 준비합니다. 이 과정에서 미세한 오차라도 큰 문제를 일으킬 수 있으므로 주의 깊게 진행해야 합니다.

• 3-7. 7단계: 자동 광학 검사

• AOI(자동 광학 검사)는 PCB의 결함을 조기에 발견하기 위한 중요한 절차입니다. 이 단계에서 병행되는 기계가 제작자의 기준 모델과 PCB의 디자인을 비교하여 전기적 및 기계적 오류를 감지합니다. 이러한 검사를 통해 결함이 있는 PCB가 다음 단계로 넘어가지 않도록 방지할 수 있습니다.

• 3-8. 8단계: PCB 레이어 라미네이팅

• 이 단계에서는 모든 PCB 레이어가 서로 결합되어 강한 구조를 형성하도록 라미네이팅(overlapping)됩니다. 이 과정에서 에폭시 수지로 코팅된 레이어가 서로 결합하여 완전한 회로 보드가 완성됩니다. 적층 과정에서 압력과 열을 가하게 되므로, 각 레이어가 제대로 결합되도록 확인하는 것이 필요합니다.

4. PCB 제조에서 동박의 역할

• 4-1. 동박의 정의와 특성

• 동박은 인쇄 회로 기판(PCB) 제조에서 필수적인 재료로, 전기 전도성이 뛰어난 구리로 만들어진 얇은 필름입니다. 일반적으로 동박의 순도는 99.7% 이상이며, 두께는 다양한 요구 사항에 따라 5μm에서 105μm까지 적용할 수 있습니다. 동박의 제조는 주로 두 가지 방식으로 이루어지며, 하나는 압연 방식으로 우수한 연성을 제공하고, 다른 하나는 전해 방식으로 비용 효율성이 높습니다. 동박의 중요한 특성 중 하나는 낮은 산소 비율을 가지고 있어, 다양한 기판과 쉽게 부착될 수 있다는 점입니다.

• 4-2. 동박의 제조 공정에서의 중요성

• PCB에서 동박은 전자기기의 전도성 경로를 형성하는 주요 역할을 합니다. 디자인된 PCB의 표면에 구리 홀을 마이크로비아와 함께 적절히 배치함으로써 전기적 신호와 전류의 흐름을 효율적으로 가능하게 합니다. 동박의 두께는 PCB의 최종 구리 두께와 직접적으로 연관되며, 각 레이어의 전기적 특성을 결정짓는 필수 요소입니다. 동박은 다층 PCB에서 내부 및 외부 레이어에 적용되며, 이는 PCB에서의 전기 신호 처리가 더욱 복잡해질 때 특히 중요합니다.

• 4-3. 전자파 차폐 및 정전기 방지 기능

• 동박은 전자파 차폐 기능과 정전기 방지 기능을 제공합니다. 이는 전자 기기가 주변 전자기 간섭으로부터 보호받을 수 있도록 도와줍니다. 전자기기 내의 동박이 금속 기판과 결합되면, 안정적인 전기적 연속성과 함께 전자파 차폐 성능을 향상시킵니다. 이러한 특성은 특히 고주파 및 고속 PCB에서 더욱 두드러지며, 동박의 선택이 이러한 요구사항을 충족시키는 것이 중요합니다. 제품이 안전하게 작동할 수 있도록 도움을 줌으로써 결국 사용자의 편의와 기기의 신뢰성을 높이는 데 기여합니다.

결론

• PCB 제조 공정은 전자 기기의 근본적인 품질을 보장하는 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 각 단계의 정밀함은 최종 제품의 성능에 지대한 영향을 미칩니다. 특히 동박은 이러한 공정에서 전자 기기에서 필수적으로 요구되는 전도성을 제공하는 중요한 재료입니다. 향후 PCB 기술이 더욱 발전하게 될 경우, 더 높은 효율성과 기능성을 갖춘 혁신적인 제품들이 시장에 등장할 것으로 기대됩니다. 이러한 변화는 전자기기 설계의 굴기를 가능하게 하며, 제조업체들은 질 높은 제품을 생산하기 위해 지속적으로 최신 기술 트렌드를 반영하고 품질을 개선해야 할 필요성이 높아질 것입니다.

• 결국, PCB 제조 공정의 정교함과 동박과 같은 기본 재료의 선택은 전자 기기의 성능, 신뢰성 및 사용자의 안전성에 직결됩니다. 따라서 PCB 제조업체는 기술 혁신과 품질 보장을 위한 지속적인 투자와 연구개발이 필수적이며, 이는 향후 전자 기기의 진화를 이끄는 중요한 밑거름이 될 것입니다. 이러한 면밀한 접근은 시장 경쟁력을 높이고, 궁극적으로는 사용자 경험을 향상시키는 결과로 이어질 것입니다.

용어집

• PCB [기술 용어]: 인쇄 회로 기판으로, 전자 회로를 지지하고 연결하는 기판으로 사용되며, 주로 유리 섬유와 에폭시 수지로 제조됨.

• 고주파 PCB [PCB 유형]: 높은 주파수를 처리하도록 설계된 인쇄 회로 기판으로, 주로 RF 응용 프로그램에서 사용됨.

• 고속 PCB [PCB 유형]: 빠른 데이터 전송이 요구되는 애플리케이션에 적합한 인쇄 회로 기판으로, 신호 전송 속도가 빠름.

• 다층 PCB [PCB 유형]: 두 개 이상의 구리 층으로 구성된 PCB로, 복잡한 회로 연결을 효율적으로 구현할 수 있음.

• 동박 [재료]: 전기 전도성이 뛰어난 구리로 만들어진 얇은 필름으로, PCB 내 전도성 경로 형성에 필수적임.

• 자동 광학 검사(AOI) [검사 기술]: PCB의 결함을 조기에 발견하기 위한 과정으로, 기계가 설계와 PCB를 비교해 오류를 검사함.

• 에칭 [제조 과정]: PCB에서 구리 패턴을 형성하기 위해 화학 약품을 사용해 구리를 제거하는 과정임.

• 라미네이팅 [제조 과정]: PCB의 각 레이어를 결합하여 강한 구조를 형성하는 과정으로, 주로 에폭시 수지를 사용해 진행됨.

• 포토레지스트 [재료]: 구리를 보호하고 PCB 회로 패턴을 형성하는 데 사용되는 광 반응성 화학 물질임.

출처 문서

• FPC PCB 조립 공정 설명https://www.ipcb.com/kr/pcb-blog/10134.html
• News - What is Copper Foil Used for PCB Manufacturing Process?http://ko.civen-inc.com/news/what-is-copper-foil-used-for-pcb-manufacturing-process/
• 인쇄회로기판 제조공정https://ko.mfgrobots.com/mfg/it/1008021891.html
• 인쇄 회로 기판 (PCB)이란? | 알아야 할 모든 것https://ko.fmuser.net/content/?5849.html