플렉시블 인쇄회로기판(Flexible Printed Circuit Board, 흔히 Flex PCB라 불림)은 현대 전자 산업에 있어 컴팩트하고, 가볍고, 유연하며, 정밀한 설계를 가능하게 하는 혁신적인 기술입니다. Flex PCB는 구부리고, 비틀고, 접는 설계가 가능하여, 이는 일반적인 경성(Rigid) PCB가 할 수 없는 특성입니다. 이러한 특성 덕분에 웨어러블 기술, 소비자 가전, 항공우주, 의료기기 산업 등에서 널리 채택되고 있습니다.

제품의 소형화와 인체공학적 설계에 대한 수요가 날로 증가함에 따라, 플렉스 PCB가 프로토타이핑 단계에서 양산 단계로 어떻게 발전하는지 이해하는 것이 매우 중요해졌습니다. 이 글에서는 프로토타입부터 대량 생산까지의 플렉스 PCB 제조 과정을 상세히 설명드리겠습니다.

플렉스 PCB의 응용 분야

플렉스 PCB의 부상은 그 다용도성 때문입니다.주로 다음과 같은 분야에서 사용됩니다:

● 의료 기기: 심박 조율기, 인공 와우, 웨어러블 진단 장치

● 소비자 전자제품: 스마트폰, 폴더블 디스플레이, 피트니스 밴드 등

● 자동차 시스템: 에어백 컨트롤러, 계기판 인터페이스, 각종 센서

● 항공우주: 위성 시스템, 항공 전자장비, 고신뢰성 통신 시스템

플렉시블 PCB 제조 공정:

플렉스 PCB의 제조는 전통적인 PCB 제조와 유사하지만, 유연성, 내구성 및 품질을 보장하기 위해 특수한 재료와 공정이 필요합니다. 아래는 그의 제조 단계입니다:

1. 소재 선택: 가장 적합한 기판 소재는 폴리이미드(Polyimide)입니다. 이는 뛰어난 열 안정성과 유연성으로 인해 선택되며, 요구 사항에 따라 양면 또는 단면 동박이 적용됩니다.

2.클리닝 및 전처리 : 산화물 및 오염물 제거를 위해 구리가 코팅된 폴리이미드를 철저히 세척합니다.

3. 포토 이미징 및 패터닝 :  동박 표면에 감광막을 라미네이팅하고, 자외선(UV)을 이용하여 포토마스크를 통해 회로 패턴을 노광합니다. 노출된 부분은 경화됩니다.

4. 에칭: 원치 않는 동박을 에칭하고, 노광되지 않은 감광막을 제거함으로써 원하는 회로 트레이스만 남깁니다.

5. 드릴링 및 도금 : 다층 설계의 경우 정밀 드릴링 후 비아에 동박을 도금하여 층간 전기적 연결을 생성합니다.

6. 커버레이 적용 : 폴리이미드와 접착제로 만들어진 커버레이를 적용하여 회로를 보호합니다. 적층 및 경화 공정을 거쳐 기판에 단단히 결합됩니다.

7. 표면 마감 처리: 납땜 준비와 산화 방지를 위해 침척 은(Immersion Silver), OSP, ENIG 등의 표면 마감 처리를 실시합니다.

8. 레이저 또는 다이 컷팅 : 정밀한 외형 절단을 위해 레이저 또는 다이 커팅 공정이 사용됩니다.

9. 전기적 테스트 : 자동 테스트 장비를 사용하여 모든 회로와 비아의 연결 상태를 검사하고, 설계 규격 위반 여부를 점검합니다.

10. 검사 및 품질 관리 : 최종 단계로, 유연성 테스트 및 육안 검사를 포함한 품질 검사를 통해 업계 표준을 만족하는지 확인합니다.

플렉시블 PCB의 상세 제조 공정

첫 번째 단계는 롤 형태의 원자재에서 필요한 크기만큼 잘라 패널형태로 준비하는 것입니다. 이는 중간에 폴리이미드가 들어간 양면 동박 소재입니다. 그다음 단계는, 앞서 자른 패널에 드릴링(홀 가공)을 수행하는 것입니다. 이는 컴퓨터 제어식 드릴 머신에 의해 수행되며, 여러 개의 드릴이 동시에 작동해 동일한 작업을 빠르고 정밀하게 수행합니다. 드릴 머신은 자동으로 드릴 비트를 교체할 수 있으며, 패널은 유리섬유 지지판 아래에 고정되어 평탄하게 유지됩니다. 드릴 비트가 매우 작기 때문에, 고속 회전(RPM) 이 필수입니다. 이 과정에서 필요한 위치에 정확히 홀이 뚫립니다.

다음 단계는 전해도금(electroplating) 공정입니다. 드릴링된 홀에 전기 도금을 실시하여 상하층 간의 전기적 연결성을 확보합니다. 이 공정은 자동화 대신 수작업으로 진행되는 경우가 많으며, 이는 정밀한 제어와 높은 품질을 보장하기 위해서입니다. 이후, 포토레지스트를 보드에 도포하고, 자외선을 통해 노광합니다. 노출된 영역은 경화되며, 원하는 회로 패턴만 남도록 설계됩니다. 이때, 패널은 가열 및 압착되고, 디지털 방식의 노광기가 회로 패턴을 정확하게 투사합니다. 이 단계는 가장 중요한 공정 중 하나로, 실제로 회로를 형성할 동박이 결정되는 과정입니다.

그다음은 산성 에칭(acid etching) 단계입니다. 먼저 노출되지 않은 포토레지스트가 제거되며, 이후 불필요한 동박층은 산을 이용하여 부식됩니다. 이 결과로, 폴리이미드 기판과 회로 패턴만 남은 동박층, 그리고 포토레지스트의 흔적을 확인할 수 있습니다.

이제 스트리핑(stripping) 과정을 통해 남아 있는 포토레지스트를 제거하면, 순수한 동박 회로 기판이 완성됩니다. 이후 산화막 제거를 실시하고, 세척 및 건조 단계를 거칩니다.

이제 커버레이를 적용합니다. 커버레이는 플렉시블 PCB에서 솔더 마스크의 역할을 수행하는 소재로, 폴리이미드와 접착제로 구성되어 있습니다. 커버레이는 열압착(heat press)을 통해 라미네이팅되어 회로를 보호하게 됩니다.

다음은 금 도금(gold plating) 공정으로, 산화 및 부식 방지를 목적으로 합니다. 그 후, 실크스크린 인쇄를 통해 텍스트나 식별 마크를 기판에 인쇄합니다.

마지막 단계는 UV 레이저를 이용한 절단입니다. 이는 개별 보드를 패널에서 정확하게 분리하는 과정입니다. 제조가 완료된 후, 품질 검사를 실시합니다. 모든 기준을 통과하면 제품 출하 준비가 완료됩니다.

플렉시블 PCB 공장 내부

양산 단계로의 전환:

프로토타입이 완성되고 모든 성능 및 내구성 테스트를 통과하면, 제품은 양산 체계로 전환됩니다. 이 전환은 반복 생산을 위한 공정 표준화와 품질 확보가 핵심입니다.

양산 단계 절차:

1. 설계 확정: 모든 테스트 완료 후, 이해관계자의 승인 하에 설계 사양을 최종 확정합니다.

2. 툴링 준비: 고속 생산을 위한 정밀 스텐실 및 지그 제작을 진행합니다.

3. 공정 최적화: 적층, 드릴링, 도금 등 주요 공정을 양산 환경에 맞춰 미세 조정합니다.

4.품질 관리 확장: 인라인 테스트 시스템 및 자동 시각 검사 장비(AOI)를 도입해 품질을 실시간으로 모니터링합니다.

5. 자재 공급 계획 수립: 폴리이미드, 접착제, 표면 마감재 등의 원자재를 안정적으로 조달하기 위한 공급망 계획을 수립합니다.

결론:

플렉스 PCB는 현대 전자기기의 혁신을 가능하게 하는 핵심 부품입니다. 유연성과 내구성, 그리고 컴팩트한 설계가 가능하다는 특성 덕분에, 다양한 산업 분야에서 제품 엔지니어와 시스템 설계자에게 새로운 설계 자유도와 기능 구현의 가능성을 제공합니다.

설계, 프로토타이핑, 양산까지의 모든 단계는 높은 수준의 정밀도, 전문성, 공정 간 협업이 요구됩니다. 이러한 제조 과정에 대한 깊은 이해는 기업들이 플렉스 PCB의 잠재력을 최대한 활용하여 더 빠르고, 더 작고, 더 스마트한 차세대 제품을 실현하는 데 기여할 수 있습니다.