플렉시블 PCB를 위한 필수 설계 가이드라인

플렉시블 인쇄회로기판(Flex PCBs)은 현대 전자기기에서 작고 가벼운 설계를 가능하게 함으로써 중요한 역할을 합니다. 플렉시블 PCB는 새로운 기술이 아니며, 소형화된 전자기기의 거의 모든 제품에 포함되어 있습니다. 왜냐하면 배선을 구부리거나, 부품을 배치하거나, 전력을 공급하는 작업은 리지드(경성) PCB로는 작은 휴대용 기기에서 쉽게 구현하기 어렵기 때문입니다. 플렉스 PCB는 주로 전원선과 디스플레이 신호선의 라우팅을 위해 특별히 설계되고 사용됩니다. 반면에 CPU나 GPU 같은 고성능 전자 부품은 설계 및 신뢰성 문제로 인해 여전히 리지드 PCB에 장착됩니다. 이러한 플렉시블 PCB의 설계 및 제작 과정은 일반 PCB와는 다른 전문화된 설계 원칙을 따를 필요가 있습니다. JLCPCB의 전문적인 추천 사항을 기반으로, 신뢰성과 제조 가능성, 그리고 높은 성능을 갖춘 플렉스 PCB를 위한 10가지 핵심 설계 지침은 다음과 같습니다:

1. 충분한 홀 및 비아(Via) 간격 확보

관통홀(Through-Hole)과 보드 외곽선 간 간격: DRC(설계 규칙 검사)에 따라 관통홀과 보드 간의 최소 간격은 0.5mm 이상 유지해야 합니다. 구조적 결함을 방지하기 위해 프레임에 개방된 U자형 슬롯을 사용하는 것을 권장합니다.

비아와 솔더 마스크 간 간격: 비아는 솔더 마스크 개구부와 최소 0.2mm 이상 떨어지게 배치해야 합니다. 그렇지 않으면 구리 노출로 인해 단락이나 부식이 발생할 수 있습니다.

2. 패드 내 비아홀(Via-in-Pad) 설계 피하기

JLCPCB는 리지드 및 플렉시블 보드에서 패드 내 비아홀 기술을 제공합니다. 이 기술은 리지드 보드에서는 신뢰성 문제가 없기 때문에  적용이 가능합니다. 또한, 리지드 PCB 는 BGA(Ball Grid Array) 패키지를 자주 포함하고 있어 via-in-pad 의 필요성이 높아집니다. 하지만 리지드 PCB 보드와 달리 연성 PCB 보드는 수지 플러그 처리가 불가능하여 납이 비아 내부로 흘러 들어가는 솔더 윅킹(solder wicking) 현상이 발생할 수 있으며, 결과적으로 납땜 불량과 신뢰성 저하로 이어질 수 있습니다.

3. 넓은 구리 면의 산화 방지

구리가 솔더 마스크 없이 공기 중에 노출되면, 커버레이 부착 시 공기가 갇혀  산화가 발생할 수 있습니다. 이를 방지하려면:

● 해치(hatched) 구리 패턴을 사용하여 구리 표면적 감소해야합니다.

● 공기 배출을 위한 솔더 마스크 창 추가하여야합니다.

4. 패드 보강 및 전략적 배치

독립된 패드, 특히 양면에 겹치는 패드는 FPC 코어가 25μm 두께로 매우 얇기 때문에 쉽게 분리될 수 있습니다. 패드 주위에 구리 보강을 추가하거나 패드 모서리를 구리 영역에 연결, 반대쪽 패드를 오프셋하여 접착력을 높이는 것 또한 솔더마스크 정의 패드(SMD)를 설계하여 기계적 강도 확보하는 방법을 취할수도 있습니다.

● 특히 얇은 25μm 코어에서 고립되거나 겹치는 패드를 피합니다.

● 패드 모서리를 구리 영역에 연결하여 기계적 접착력을 강화합니다.

5. 커버레이 요구사항에 따른 설계

플렉시블 보드에서는 커버레이가 솔더 마스크 역할을 합니다. 적용 전에 창이 미리 형성되어야 하므로, 설계 시 다음을 고려하셔야합니다.

패드와 인접한 트레이스(traces) 간 0.2mm 간격을 보장하고, 패드 간 0.5mm 간격을 유지하셔야합니다. 그렇지 않으면 노출된 트레이스를 허용하는 브릿지 조리개를 사용해야 합니다. 좁은 간격(<0.5mm)의 경우, 연결 트레이스를 단일 창을 통해 노출하셔야합니다. 필요 시 반드시 방열 라우팅 라인(anti tear routing lines)을 추가합니다.

6. 골드 핑거 및 커넥터 패드 설계 최적화

FPC에서는 일반적으로 케이블 끝이 커넥터로 연결되는 골드 패드로 끝납니다. 이는 신호 무결성을 개선하고 수리 시 케이블을 쉽게 교체할 수 있도록 합니다. 이를 위해 커넥터에 솔더마스크 정의 패드를 사용할 수 있습니다. 골드 핑거 길이를 0.2mm 줄이면 레이저 절단으로 인한 마이크로 단락을 방지할 수 있습니다.  커버레이는 커넥터 패드보다 0.3mm 이상 겹치게 설계할수있습니다.

7. 두께 및 임피던스 요구사항 검증

FPC 임피던스 계산은 시뮬레이션 도구만으로는 정확하지 않을 수 있습니다. JLCPCB의 경험적 설계 데이터는 참고용으로 제공되지만, 항상 프로토타입으로 검증해야 합니다. 아래의 매개변수는 두께가 0.11mm인 양면 보드에 적용됩니다. 두께와 제작에 사용된 재료의 변화에 따라 임피던스 계산이 달라집니다. 그러나 일반적인 개념을 파악하기 위해 다음 표를 참고하시기 바랍니다:

● 커버레이, 구리층, PI(폴리이미드) 소재에 따라 두께가 달라진다는점 주의하세요.

● 임피던스 제어 설계의 경우, 시뮬레이션 도구에만 의존하지 말고, 항상 제조업체 데이터를 참조하고 프로토타입으로 성능을 검증하셔야합니다.

결론

플렉시블 PCB 설계는 기계적, 열적 요인을 세심히 고려해야 합니다. 위의 7가지 중요한 지침을 따르면 엔지니어는 연성 회로 설계의 내구성과 제조 가능성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 가이드는 FPC 설계를 시작하기 위한 입문서이며, 앞으로도 저희 블로그에서는 PCB 관련 심층 가이드를 계속해서 제공할 예정입니다.