신뢰성이 중요한 애플리케이션을 위한 베어 PCB 품질 완벽 해설

베어 PCB는 제조 불량이 값비싼 조립 불량으로 이어지기 전에 잡아낼 수 있는 마지막 기회입니다. 이 단계에서 작은 결함을 고치면 기판 비용만 들 수도 있습니다. 하지만 부품을 납땜한 뒤에는 같은 결함 때문에 부품을 버리고, 리워크를 하고, 제작 일정이 늦어질 수 있습니다. 따라서 부품 조립을 시작하기 전, 이 마지막 제조 점검 단계에 세심한 주의를 기울여야 합니다. 구리 두께, 라미네이트 특성, 표면 처리, 전기 테스트가 완성된 기판이 제대로 조립되고 사용 수명 내내 정상 작동할지를 결정합니다.

이 가이드에서 다루는 내용:

• 베어 PCB란 무엇이며, 제조와 조립 사이에서 어떤 위치에 있는가
• 제로 PCB가 대체재가 될 수 없는 이유와 그 한계
• 직접 확인할 수 있는 수치로 보는 구리 무게, 라미네이트 Tg, Td, CTI
• 표면 처리별 두께와 보관 기간
• 베어 보드 테스트가 육안으로 찾을 수 없는 개방과 단락을 찾아내는 방법
• AOI가 잡아내는 것, 전기 테스트가 잡아내는 것, 그리고 둘 다 잡지 못하는 것

베어 PCB의 본질 이해하기

차량이 다니기 전에 도로와 교차로가 모두 완성된 도시를 떠올려 보십시오. 베어 PCB도 이와 비슷합니다. 구리 배선, 홀, 보호 코팅은 모두 완성되어 있지만, 아직 전류를 흘리는 부품은 없습니다. 조립 단계에서 부품이 더해지면서 설계한 회로가 비로소 동작하게 됩니다.

베어 PCB란 무엇이며 제품 개발 과정에서 어디에 위치하는가?

베어 PCB는 조립 단계에서 부품이 추가되기 전의 완성된 기판입니다. 공장에서 이미 도전 경로와 보호층을 모두 만들어 두었으며, 부품은 나중에 직접 또는 조립 라인에서 실장합니다.

베어 PCB를 하나씩 분해해 보면 여섯 가지 작업층이 있습니다.

• 기판 소재: 대개 FR-4로, 유리 직물에 에폭시를 함침해 단단하게 경화시킨 것입니다
• 에칭된 구리: 양쪽 외층과 매립된 내층에 있습니다
• 도금 관통홀: 층과 층 사이로 신호를 전달하는 구리 배럴입니다
• 솔더 마스크: 패드를 제외한 모든 곳에 솔더가 묻지 않도록 막아 주는 코팅입니다
• 실크스크린: 부품 기호와 극성 표시를 인쇄한 흰색 문자입니다
• 표면 처리: 노출된 구리를 덮는 얇은 보호 코팅입니다

이 인계 시점은 제조의 끝이자 조립의 시작이며, 저렴한 비용으로 점검할 수 있는 마지막 단계입니다. 2층 베어 보드는 2달러 정도에 불과할 수 있습니다.

베어 보드 vs 제로 PCB: 만능기판 시제품 단계를 넘어서

제로 PCB는 설계가 비어 있는 버전이 아닙니다. 설계가 전혀 들어 있지 않은 범용 기판으로, 2.54mm(100mil) 피치로 서로 절연된 홀이 격자 형태로 배열되어 있고 각 홀은 구리 패드로 둘러싸여 있습니다. 만능기판(perfboard) 또는 도트 매트릭스 기판이라고도 부릅니다.

세 가지 요소가 빠져 있으며, 각각 실무상 문제를 일으킵니다.

1. 도금 관통홀이 없음: 동박이 패드 한쪽 면에만 접착되어 있습니다. 납땜을 여러 번 반복하면 접착제가 물러져 부품과 함께 패드가 떨어질 수 있습니다.
2. 솔더 마스크와 실크스크린이 없음: 패드가 노출되어 있어 촘촘한 접합부 사이에 브리지가 생기기 쉽고, 표시가 없어 부품이나 홀을 식별할 수 없습니다.
3. 구리 배선이 없음: 모든 연결을 전선으로 해야 하며, 전선에는 자체 저항과 인덕턴스 등이 있습니다.

정확한 수치로 살펴보겠습니다: 예를 들어 30 AWG 전선 50mm(2인치)의 인덕턴스는 약 60nH입니다. 2ns 동안 전류가 20mA 변하면 이 인덕턴스로 인해 전원 레일에 약 0.6V의 노이즈가 생길 수 있습니다. 이는 3.3V 기판의 로직 마진에 큰 타격입니다. PCB 트레이스를 그라운드 플레인 위에 배선하면 인덕턴스가 약 15~25nH로 줄어들고, 전원 플레인을 사용하면 1nH 미만까지 낮출 수 있습니다.

따라서 제로 PCB는 다음 네 가지 지점에서 더 이상 쓸 수 없게 됩니다.

1. 약 10~20MHz 이상: 기준 플레인도, 임피던스 제어도 없기 때문입니다.
2. 1.27mm(50mil) 미만 피치: 격자가 2.54mm(100mil)로 고정되어 있기 때문입니다.
3. 1~2A 이상: 전류가 구리 푸어가 아닌 수작업 납땜 접합부를 통해 흐르기 때문입니다.
4. 2개 이상 제작: 하나를 만드는 데 몇 시간이 걸리고, 똑같은 결과물이 두 개 나오지 않기 때문입니다.

스트립보드(베로보드)는 그 중간에 해당합니다. 연속된 구리 스트립 덕분에 배선이 일부 줄어들지만, 여전히 도금 홀, 마스크, 플레인이 없습니다. PCB 설계 규칙 가이드도 참고해 보십시오.

부품 미실장 기판의 핵심 생산 품질 지표

외관만으로는 베어 보드의 품질을 확인할 수 없습니다. 똑같아 보이는 두 기판도 구리 두께, 레진 품질, 코팅 두께가 두 배씩 차이 날 수 있으며, 각각의 차이가 일반적인 사용 기간 내내 신뢰성을 좌우합니다.

기판 무결성, 구리 무게, 층간 접착력

가장 자주 잘못 이해되는 수치인 구리 무게부터 살펴보겠습니다. 1온스는 1제곱피트 면적에 구리 1온스를 펼친 것으로, 두께로는 35µm(1.4mil)입니다. 0.5온스는 17.5µm(0.7mil), 2온스는 70µm(2.8mil)입니다. 외층의 경우 공장에서는 더 얇은 동박으로 시작해 도금으로 두께를 올리므로, "외층 1oz"는 시작 두께가 아니라 완성 두께입니다. 반드시 확인해야 할 수치는 홀 내부의 구리입니다. IPC-6012는 도금 배럴의 평균 구리 두께로 Class 2에 20µm(0.8mil), Class 3에 25µm(1mil)를 요구합니다.

라미네이트의 세 가지 수치가 기판이 무엇을 견딜 수 있는지 알려 줍니다.

• Tg, 유리 전이 온도: 이 온도를 넘으면 레진이 물러지면서 두께 방향으로 몇 배 더 빠르게 팽창하고, 이로 인해 배럴이 벌어집니다. 표준 FR-4는 130~140°C, 고Tg는 170~180°C입니다. 최고 동작 온도를 Tg보다 20~30°C 낮게 유지하시고, PCB의 Tg 선택 방법도 참고하십시오.
• Td, 열분해 온도는 레진 질량의 5%가 손실되는 온도입니다. 무연 리플로우는 최고 245~260°C에 이르므로, 리플로우를 2~3회 거치는 기판에는 Td 340°C 이상을 요구하십시오.
• CTI, 비교 트래킹 지수: 오염된 물방울 50방울을 떨어뜨려도 표면에 탄화 트랙이 생기지 않고 견디는 전압입니다. 표준 FR-4는 약 175~250V, 고CTI 등급은 600V에 이르므로, CTI가 낮으면 상용 전원 회로에서 연면 거리를 더 넓혀야 합니다.

층간 접착력은 IPC-A-600의 판정 영역입니다. 미즐링(measling)은 레진이 유리 직조에서 떨어져 생긴 흰 반점이고, 크레이징(crazing)은 같은 현상이 선 형태로 이어진 것이며, 박리(delamination)는 완전히 분리되어 물집처럼 보이는 상태입니다. 세 가지 모두 도체 사이의 간격을 얼마나 좁히는지를 기준으로 판정합니다. Tg는 기판이 사용 중에 무엇을 견디는지를, Td는 오븐 안에서 무엇을 견디는지를 알려 줍니다.

납땜성과 보호 표면 코팅의 균일성

노출된 구리는 즉시 산화되기 시작하며, 솔더 는 산화막 위에서 안정적으로 젖지 않습니다. 표면 처리는 산소를 차단해 각 패드를 보호합니다. 표면 처리는 두께와, 그에 못지않게 중요한 패널 전체에 걸친 도포 균일성으로 평가하십시오.

약 0.125µm(5마이크로인치)보다 두꺼운 금은 오히려 장점이 아니라 경고 신호일 수 있습니다. 금이 너무 많으면 솔더 접합부가 취약해질 수 있고, 도금 공정이 아래 니켈을 침식할 수도 있습니다.

두께만으로는 충분하지 않으며, 도포도 균일해야 합니다. 패널 전체의 패드, 특히 가장자리와 중앙을 확인하십시오. 중앙에서는 4µm, 가장자리에서는 1µm에 불과한 표면 처리는 평균값으로는 합격할 수 있지만, 솔더 페이스트 인쇄와 리플로우 단계에서 조립 불량을 일으킬 수 있습니다.

베어 보드 테스트의 중요한 역할

베어 보드 테스트는 거치게 될 품질 관문 중 가장 비용이 적게 드는 단계입니다. 여기서 결함을 잡으면 기판 하나의 비용만 듭니다. 조립 후에 발견하면 기판, 부품, 실장 시간, 그리고 일정의 한 자리까지 대가로 치르게 됩니다.

부품 실장 전 개방 및 단락 회로 제거

베어 보드 테스트는 설계상의 모든 네트를 상호 보완적인 두 가지 방식으로 검사합니다. 도통 검사는 의도한 연결이 존재하는지 확인하고, 절연 검사는 분리되어야 할 도체가 전기적으로 분리되어 있는지 확인합니다. 두 검사를 함께 수행하면 숨어 있는 개방과 단락이 드러납니다.

이러한 불량은 몇 가지 원인에서 비롯되며, 대부분 눈에 보이지 않습니다.

1. 언더 에칭으로 남은 구리 슬리버: 절대 만나서는 안 되는 두 트레이스를 이어 버립니다.
2. 에칭 레지스트의 긁힘: 트레이스가 가늘어지다가 결국 끊어집니다.
3. 도금 비아 배럴 내부의 보이드: 홀 안쪽의 구리관이 끊겨 있습니다.
4. 드릴 브레이크아웃: 드릴이 패드 밖으로 벗어난 경우입니다.
5. 내층 정합 불량: 매립된 층이 드릴 홀에 대해 어긋난 경우입니다.

결함 검출 비용은 다음 단계로 넘어갈 때마다 대략 10배씩 커지며, 베어 보드는 가장 이른 단계입니다. 여기서 불합격한 기판은 폐기됩니다. 같은 기판을 최종 테스트에서 발견하면 부품과 납기일까지 함께 잃게 됩니다.

전기 도통 테스트: 플라잉 프로브 vs 자동 베드 오브 네일즈

장비를 선택하기 전에 중요한 질문에 먼저 답해야 합니다. 테스터는 무엇을 기준으로 기판을 판정합니까?

정답은 IPC-D-356A 넷리스트입니다. 이는 CAD 툴이 거버 파일과 함께 출력하는 텍스트 파일로, 모든 네트의 이름과 각 네트에 속한 모든 패드의 위치, 층, 홀 크기, 접근 방향을 담고 있습니다. 이 파일을 보내면 제조업체는 회로도를 기준으로 구리 배선을 테스트합니다. 거버 파일만 보내면 제조업체가 아트워크에서 넷리스트를 추출하는데, 이 경우 에칭과 드릴 불량은 찾을 수 있지만 아트워크 자체가 잘못되었다는 사실은 결코 알려 주지 못합니다.  예전 방식으로는 골든 보드 자기 학습이 있습니다. 정상으로 확인된 첫 번째 기판을 테스터에 통과시켜 그 연결 상태를 기준으로 저장하는 방식입니다. 함정은 분명합니다. 골든 보드에 결함이 있다면, 이후의 모든 기판이 같은 결함과 일치해 합격하게 됩니다.

전용 픽스처는 특정 기판 하나의 테스트 포인트마다 별도의 스프링 프로브를 사용합니다. 범용 그리드 픽스처는 일반적으로 2.54mm(100mil)에서 약 0.64mm(25mil) 피치까지의 고정된 프로브 베드를 사용합니다. 그리고 드릴 가공한 판으로 만든 트랜슬레이터가 각 프로브를 PCB의 실제 패드로 안내합니다. 가장 큰 차이는 유연성입니다. 범용 픽스처는 기판마다 트랜슬레이터 판만 교체하면 됩니다. 두 방식 모두 양산에서 같은 PCB를 반복적으로 테스트할 때 적합합니다.

전기 테스트로 확인할 수 없는 것:

• 지금은 도통되지만 두께가 8µm(0.3mil)에 불과해 리플로우에서 균열이 생길 배럴
• 설계 폭의 60%로 좁아진 트레이스: 도통 검사는 통과하지만 여전히 과열됩니다
• 패드 위로 어긋난 솔더 마스크 또는 패드 위에 인쇄된 실크스크린 잉크
• 산화나 오염: 솔더가 실제로 젖을지에 대해서는 아무것도 알 수 없습니다
• 임피던스 제어, 기판 두께, 휨, 외형 치수

JLCPCB가 무결점 베어 PCB 제조를 보장하는 방법

AOI와 전기 테스트는 서로 다른 베어 보드 불량을 잡아냅니다. 자동 광학 검사는 물리적 형상을, 전기 테스트는 연결 상태를 검사합니다. 둘 중 하나라도 빠지면 한 부류의 불량 전체가 부품 조립이 시작된 후까지 숨어 있게 됩니다.

고정밀 CNC 가공과 자동 광학 검사(AOI)

드릴 정확도가 있어야 이후의 모든 공정이 가능해집니다. JLCPCB는 2층 이상 기판에 직경 0.15mm(6mil) 홀을 가공할 수 있으며, 최소 완성 비아는 0.25mm(10mil)입니다. 또한 1oz 구리 두께에서 홀 애뉼러 링은 최소 0.20mm(8mil)가 필요하며, 0.25mm(10mil)를 권장합니다. 애뉼러 링이란 홀을 드릴로 가공한 후 홀 주변에 남는 구리 테두리를 말합니다. 정합 위치는 패널 전체에서 수십 마이크론씩 틀어질 수 있으므로, 0.05mm(2mil)로 만든 링은 한쪽이 사라져 연결이 가느다란 구리 조각 하나에 의존하게 될 수 있습니다.

AOI(자동 광학 검사)는 에칭된 구리를 촬영하고, 각 층의 모든 이미지를 CAM 데이터와 픽셀 단위로 비교합니다. 슬리버, 니크(nick), 핀홀, 구리 누락, 간격 위반, 패드 위로 어긋난 솔더 마스크 등 눈에 보이는 형상을 가진 결함을 잡아냅니다. JLCPCB는 패턴 도금 후 AOI를 실시하고, 매립된 결함에 아직 접근할 수 있는 마지막 단계인 적층 전에 내층을 검사합니다.

엔터프라이즈급 신뢰성을 위한 100% 무료 베어 보드 테스트

JLCPCB는 모든 기판이 출하 전에 별도의 제조 비용 없이 100% AOI와 전기 테스트를 거친다고 밝히고 있습니다. 테스트는 플라잉 프로브 또는 베드 오브 네일즈 픽스처로 진행됩니다. 두 검사 모두 선택 항목이 아니라 기본으로 포함되어 있습니다. 2달러짜리 기판 5개를 주문할 경우 테스트 비용이 전체 금액의 상당 부분을 차지할 수 있어, 구매자가 테스트를 생략하고 싶어질 수 있습니다. 그러면 테스트하지 않은 기판 때문에 애초에 문제가 없던 회로를 하루 종일 프로빙하게 될 수도 있습니다.

나머지 사양은 설계와 직접 대조해 확인하십시오. JLCPCB는 Nan Ya, KB, Shengyi 등의 공급업체에서 조달한 A등급 라미네이트로 1~32층을 제작합니다. 트레이스/간격은 1oz 구리에서 0.10 / 0.10mm(4 / 4mil)부터 시작합니다. 기판 두께는 0.4~4.5mm(16~177mil)이며, 1.0mm 이상에서는 ±10% 공차가 적용됩니다. 표면 처리는 HASL, 무연 HASL, ENIG, OSP 중에서 선택할 수 있으며, 6층 및 RF 기판에는 ENIG가 필수입니다.

설계를 완성된 베어 PCB로 만들 준비가 되셨습니까?

베어 PCB에 관한 자주 묻는 질문

결론

베어 PCB는 제작 과정에서 가장 단순한 부분처럼 보이기 때문에 구매 시 가격이 우선시되는 경우가 많습니다. 하지만 납품된 기판은 배럴 구리, 라미네이트 Td, 표면 처리 균일성 면에서 사양과 다를 수 있습니다. 이러한 차이는 작업대 너머에서 봐서는 전혀 드러나지 않지만, 하나하나가 기판의 수명을 단축시킬 수 있습니다.

베어 보드의 품질은 직접 확인할 수 있는 근거로 판단하십시오. 구리 무게, 배럴 도금 등급, 라미네이트 Tg·Td·CTI, 표면 처리 두께, 제조일, 그리고 제공한 넷리스트 기준으로 전기 테스트를 했는지에 대한 확인이 그 근거입니다. 거버 파일과 함께 넷리스트를 보내십시오. 표면 처리는 설계하는 날짜가 아니라 조립할 날짜를 기준으로 선택하십시오. 이렇게 시점을 맞추면 보관 중에도 납땜성을 지킬 수 있습니다. 그래야 결함이 아직 2달러의 비용으로 끝나는 단계에서 베어 보드 테스트가 제 역할을 할 수 있습니다.