전자기기의 고성능화와 소형화가 진행됨에 따라 PCB에 대한 정밀도와 성능 요구사항도 함께 증가하고 있습니다.

고다층 PCB는 더 많은 배선층을 제공하여 고주파, 고속 전송에 필요한 고밀도 복합 회로 설계를 가능하게 합니다. 또한 우수한 신호 무결성과 전자파 적합성을 구현할 수 있습니다. 이는 5G 통신, 고성능 컴퓨팅, 자동차 전장품과 같은 첨단 응용 분야에서 특히 중요한 요소입니다. 이러한 이유로 고다층 PCB는 PCB 산업의 미래를 이끌어갈 핵심 기술 중 하나로 자리잡았습니다. PCB 설계 엔지니어나 전자 하드웨어 설계 엔지니어에게는 고다층 PCB 제조 공정의 이해가 필수적입니다.

고다층 PCB는 단순히 층수를 증가시키는 것에 그치지 않습니다. 제조 난이도 역시 기하급수적으로 상승합니다. 단층 및 양면 기판과 비교할 때, 고다층 PCB 제조에는 층간 연결, 층간 적층 및 정렬, 정밀 라미네이션 제어 등에 특별한 주의가 요구됩니다. 설계 단계에서는 고다층 PCB의 성능 이점을 극대화하기 위해 신호 무결성, EMI(전자파 간섭), 열 관리 등의 요소들을 종합적으로 고려해야 합니다.

공정 기술, 제조 설비, 설계 역량에서부터 품질 관리 및 협업 능력에 이르기까지, 고다층 기판은 PCB 제조업체에 높은 수준의 제조 공정 표준을 요구합니다. 본 글에서는 고다층 PCB 제조의 핵심 공정 단계들을 상세히 살펴보겠습니다.

1,제조 정보 제출

PCB 제조를 시작하기 위해서는 먼저 PCB 제조업체에 관련 제조 정보를 제출해야 합니다. PCB 제조에 필요한 정보와 일반적으로 사용되는 데이터 형식은 다음과 같습니다:

거버 파일(RS274X 포맷)

Gerber RS274X는 표준 포맷입니다. 출력 Gerber 파일에는 모든 회로층, 솔더 마스크층, 페이스트층, 실크스크린층, 기판 외형, 드릴 맵, 그리고 제조 요구사항(다층 적층 구조도, 층간 유전체 두께, 임피던스 제어 요구사항, 비아 필 요구사항 등)이 포함됩니다. Gerber 파일은 PCB 제조업체의 공정 엔지니어가 각 Gerber 파일의 층 정보를 쉽게 식별할 수 있도록 해야 합니다. Gerber 파일은 명명 규칙에 따라 이름을 지정하는 것을 권장하며, JLC는 이에 대한 적절한 참고 사례를 제공하고 있습니다.

드릴 파일

드릴 파일에는 모든 드릴 좌표와 직경 데이터가 포함되며, Excellon 포맷이 가장 일반적으로 사용됩니다.

넷리스트 데이터

IPC는 넷리스트와 전기적 성능 테스트 데이터 생성에 필요한 모든 정보를 제공하는 호환 포맷인 IPC-356을 규정하고 있습니다. 단층 또는 양면 기판에 비해 다층 PCB 제조에는 포괄적인 PCB 문서화가 매우 중요합니다. 제조 문서에서 가장 중요한 정보는 다음과 같습니다:

• 전체 층 구조
• 기판 사양 정보
• 고주파/고속 기판의 경우, 기판 제조사 및 제품명 정보
• 임피던스 제어 요구사항
• 특수 공정 지침(비아 필 요구사항 등)

2.제조 정보 검토

PCB 제조업체의 제조 정보 검토는 대략적인 제조 비용을 산출하고 생산을 준비하기 위한 목적으로 수행됩니다. 제품 제조 전 사전 분석을 통해 시간과 자재를 절감할 수 있습니다. PCB 제조업체는 자사의 공정 역량이 해당 제품의 요구사항을 충족하는지 검증할 책임이 있습니다.

PCB 제조업체는 제조 공정상의 최적화를 위해 비아 홀 직경 보정이나 에칭 라인 조정 등 PCB 설계의 배선 정보를 조정할 수 있으며, 이는 PCB 제조 용이성을 향상시키기 위함입니다. 주요 조정 사항에 대해서는 PCB 레이아웃 팀과의 협의를 거칩니다. 이상적으로는 PCB 설계 단계에서 제조성(DFM) 검토가 이루어져 설계가 최적화되면, PCB 제조업체와의 후속 조율 시간을 크게 단축할 수 있습니다.

JLCPCB에서 기판을 주문할 경우, "생산 설계 검증" 맞춤형 서비스 옵션을 제공합니다. 설계 검증 단계를 면밀히 검토하고 확인함으로써 설계상의 문제점과 JLC의 공정상 발생할 수 있는 오류를 사전에 파악할 수 있습니다.

3.재료 준비

단면 및 양면 기판 제조는 최종 제품 두께 요구사항을 만족하는 동박적층판을 직접 사용합니다. 하지만 다층 기판은 이와 다릅니다. 다층 기판은 기판 구조 내에 여러 동박층이 포함되어 있어 특수 기판이 필요합니다. 다층 기판 제작을 위해서는 프리프레그(PP)와 상대적으로 얇은 동박적층판(코어 기판)을 결합하여 최종 두께로 적층합니다. 적층 구조는 전기적 특성에 따라 결정되며, PCB 설계자와 기판 제조업체 간의 협의를 통해 확정됩니다. 또한 선폭/간격의 임피던스 요구사항을 충족하기 위해 PCB 배선 설계 전에 미리 계획됩니다.

적층 구조의 차이로 인해 프리프레그 두께는 전송선로와 전원면 조합에 따른 다양한 요구사항을 충족할 수 있도록 구성됩니다. 각 프리프레그 유형은 1080, 2116, 3313, 7628 등의 번호로 구분되는 특정 유리섬유 직조 패턴으로 제작됩니다. 다음 이미지는 이러한 식별자를 보여줍니다:

다층 기판의 두 번째 구성 요소는 코어 기판이라고도 불리는 비교적 얇은 동박적층판(단면 및 양면 PCB용 동박적층판 대비)입니다. 이는 한쪽 또는 양면에 동박이 있는 완전 경화된 기판입니다. 동박이 없는 기판은 블랭크 기판이라고도 합니다.

코어 기판은 기판 공급업체에서 프리프레그와 동박을 적층하여 제조됩니다. 공급업체들은 IPC-4101 표준과 시장 수요에 따라 다양한 유리섬유 직조 패턴과 수지 함량의 프리프레그를 사용하고, 규정된 두께의 동박과 조합하여 다양한 유형의 동박적층판을 생산합니다.

다층 기판 제조는 PCB 제조업체가 수행하지만, 기판 소재는 기판 공급업체가 제공합니다. 주목할 점은 기판 규격이 매우 다양하며 각 PCB 제조업체마다 보유한 기판 재고가 다르다는 것입니다. PCB 적층 설계에 특수 프리프레그와 코어 기판이 필요한 경우, PCB 제조업체와 사전 협의하여 기판의 수급 주기를 파악하는 것이 바람직합니다.

고성능 PCB 생산을 위해서는 고품질 원자재가 필수적입니다. 기판은 PCB 제조에서 핵심적인 역할을 하며, 전기적 특성, 열적 성능, 기계적 강도, 가공성, 환경 적응성 등 PCB의 성능과 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다.

기판 소재에 있어 JLCPCB는 선도적 제조업체의 고품질 소재를 사용합니다. 4층 및 6층 기판의 경우, JLC는 고품질과 신뢰성이 검증된 KB와 대만 난야 소재를 채택합니다. KB 소재는 기재로 고품질 유리섬유 강화 에폭시 수지(FR-4)를, 도전층으로 고순도 동박을 사용하며, 엄격한 공정을 통해 제조되어 우수한 품질과 성능 특성을 보유하고 있어 전자 산업에서 폭넓게 활용됩니다.

마찬가지로, 대만 난야는 시장에서 높은 신뢰도를 구축하고 있습니다. 이들의 소재는 우수한 전기적 특성, 높은 강도와 강성, 내열성 및 내화학성을 제공하여 제품의 신뢰성과 수명을 향상시킵니다.

8층 이상 기판의 경우 JLC는 대만 난야와 성이 소재를 사용합니다. 중국의 대표적인 동박적층판 공급업체인 성이의 소재는 고수준의 품질, 성능, 신뢰성을 갖추고 있어 산업용 제어장비, 의료기기, 가전제품, 자동차 전장 등 다양한 전자제품 분야에서 널리 인정받고 있습니다.

4.다층 기판의 제조 공정

위 다층 기판 제조 공정도에서 볼 수 있듯이, 다층 기판의 공정은 단면 및 양면 PCB와 비교하여 내층 가공 단계가 추가됩니다. 핵심 단계는 임피던스가 제어된 전송선로의 전기적 성능에 결정적인 영향을 미치는 내층 적층 및 라미네이션 공정 제어입니다. 내층 공정 완료 후에는 최종 검사까지 단면 및 양면 기판과 동일한 제조 공정이 진행됩니다.

다층 기판의 생산 공정을 상세히 살펴보면 약 200여 가지의 개별 공정 단계가 포함됩니다. PCB 설계자는 기판의 다양한 유형과 특성, 다층 기판 제조 공정, 솔더링 기술을 숙지하는 것이 매우 중요합니다. 다양한 규격의 프리프레그와 동박적층판(코어기판)을 조합하여 모든 요구 두께를 구현할 수 있습니다. 다층 적층 구조에서는 모든 층이 동일한 두께로 대칭을 이루도록 하는 것이 필수적입니다. 내층의 동박은 이러한 대칭 층에 걸쳐 균일하게 분포되어야 합니다. 분포가 불균일할 경우 가열로 인한 열응력으로 PCB가 휘어질 수 있습니다.

다층 기판 구조의 품질에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나는 각 층 간의 정밀 정렬입니다. 각 층은 정확하게 정렬되어야 하며, 그렇지 않으면 드릴링 연결 후 층간 단선이나 단락이 발생할 수 있습니다. 정밀 정렬은 적층 과정에서 기계적 정렬 홀과 위치 핀을 사용하여 달성됩니다. 내층과 프리프레그 간의 우수한 접착력을 확보하기 위해 동 표면은 브라우닝이라 불리는 화학적 거칠기 처리를 거쳐야 합니다. 다층 PCB 적층 전 내부 회로층 검사는 품질 보증을 위해 매우 중요합니다. 이 단계에서는 발견된 접속 불량이나 기타 결함을 수정할 수 있습니다. 검사는 일반적으로 에칭된 회로 패턴을 CAD 데이터와 시각적으로 비교하는 AOI(자동 광학 검사)를 통해 수행됩니다.

위 이미지는 6층 경성 다층 PCB의 적층 공정을 보여주며, A1, A2, A3는 프리프레그, L2-L3와 L4-L5는 내층 패턴이 완성된 양면 동박적층판, B1과 B2는 외층용 동박입니다.

일반적인 경성 다층 PCB의 적층 원리는 일정 수의 양면 동박기판(내층 패턴 완성 및 접착력 향상을 위한 브라우닝 처리 완료)을 적층하는 것입니다. 이러한 양면 동박기판들은 동박층 간 단락 방지를 위한 절연층 역할을 하는 프리프레그로 분리됩니다. 가열 시 프리프레그의 수지가 재용융되어 각 동박적층판을 접착시킵니다. 적층된 층들은 도금된 홀을 통해 연결됩니다. JLC의 다층 제조 공정은 대부분의 응용 분야를 충족하는 최대 32층까지의 다층 기판 생산이 가능합니다.

적층 공정의 정밀 제어는 임피던스가 제어된 전송선로의 특성 임피던스에 매우 중요합니다. 가압 공정 중 온도가 상승하면 프리프레그의 에폭시 수지가 용융/유동하면서 도체 간 공간을 채우고 내층을 접착시킵니다. 수지의 유동은 신호층과 기준층 간 거리에 영향을 미치며, 이는 임피던스 변동에 가장 큰 영향을 미치는 요소입니다.

위 이미지에서 보듯이 PCB 설계 파일은 최종적으로 생산을 위한 대형 작업 패널로 패널화됩니다. 특성 임피던스 제어를 위해서는 적층 과정에서 전체 패널에 걸친 수지 유동의 균일성이 임피던스 안정성에 필수적입니다. 이 경우 적층 장비의 성능이 매우 중요합니다.

장비는 고다층 품질에 영향을 미치는 주요 요소 중 하나입니다. JLC는 고품질 다층 기판을 보장하기 위해 업계 최고급 장비를 사용합니다.

JLCPCB는 대만 Vigor사의 최신형 전자동 라미네이팅 설비를 도입하여 더욱 안정적이고 우수한 라미네이션 품질을 제공합니다. PCB 전문 장비 공급업체인 Vigor의 라미네이팅 설비는 고다층 PCB의 적층 및 라미네이션 요구사항을 충족하기 위한 고정밀도, 고신뢰성, 첨단 제어 시스템을 갖추고 있습니다.

적층 공정 이후에는 드릴링 작업이 진행되며, 이어서 단면 및 양면 기판과 동일한 공정이 진행됩니다. 다만 차이점이 있다면, JLC는 고다층 기판 제조 시 품질 향상을 위한 부가 서비스를 무상으로 제공한다는 점입니다.

이러한 품질 향상 서비스 중 하나는 개선된 무전해 금도금 공정입니다. JLC는 6층에서 32층 PCB에 무전해 금도금을 적용하며, 2마이크론 두께로 무상 업그레이드를 제공합니다. 무전해 금도금은 업계에서 비교적 고가의 표면처리 방식으로, 우수한 전기적 접속성, 내식성, 솔더링 특성을 제공합니다. 무전해 금도금층은 매끄럽고 균일한 금속 표면을 형성하여 우수한 신호 전송과 임피던스 제어를 가능하게 합니다. 또한 솔더링 시 안정성과 내구성을 보장하고 뛰어난 내식성으로 PCB의 수명을 연장합니다.

JLCPCB는 무전해 금도금 외에도 6층에서 32층 기판에 대해 수지 충진 비아 기술을 무상으로 적용합니다(수지 충진 및 도금 캡 처리). PCB 품질에 있어 비아는 복잡한 회로와 신뢰성을 좌우하는 전자 기기의 핵심 요소입니다. 비아는 여러 요인에 의해 점진적으로 부식될 수 있어 접속 불량, 신호 감쇠, 단락, 누설 및 신뢰성 저하를 초래할 수 있습니다. 수지 충진 비아 기술은 이러한 문제들을 효과적으로 해결합니다.

결론적으로, 다층 기판의 제조는 단면 및 양면 기판 대비 단순히 내층 공정을 추가하는 수준을 넘어섭니다. 또한 PCB 제조 파일을 제조업체에 전달하는 것만으로는 불충분합니다. PCB 설계 단계에서부터 제조업체의 공정 역량을 파악하고 DFM(제조성을 고려한 설계) 원칙을 적용해야 합니다. 실제 배선 설계 전에 제조업체와 협의하여 합리적인 비용과 일정 내에서 특정 전송선로의 성능 요구사항을 충족하는 데 필요한 자재와 적층 구조를 확인해야 합니다.