레이저로 제작한 PCB의 빠른 프로토타이핑 활용 방법

빠르게 변화하는 전자 개발 분야에서 빠른 프로토타이핑은 설계 주기를 단축하고 제품을 신속하게 시장에 출시하기 위해 매우 중요합니다. 기존의 PCB 제조 방식은 시간과 비용이 많이 들며, 특히 소량 생산이나 시제품 설계에서는 더욱 그렇습니다. 전문가 수준으로 가정에서도 PCB를 제작하는 다양한 방법이 있지만, 그중 일부는 화학 공정이나 포토리소그래피 단계를 요구하고, 나머지 방법은 대형 장비가 필요해 실용적이지 않습니다. 그러나 레이저 기술의 발전은 PCB 프로토타이핑에 혁신을 가져왔으며, 더욱 빠른 제작 시간과 정밀도를 제공합니다. 레이저는 PCB 제조 과정의 여러 단계를 정밀하게 제어할 수 있습니다. 예를 들어:

• 레이저 인그레이빙(Laser Engraving): 회로 패턴을 만들기 위해 선택적으로 구리를 제거

• 레이저 커팅(Laser Cutting): PCB 기판을 원하는 형태와 크기로 정밀하게 절단

• 레이저 드릴링(Laser Drilling): 극도의 정확도로 마이크로비아 및 홀을 생성

이러한 기술은 고해상도 회로 패턴을 빠르게 제작할 수 있어 빠른 프로토타이핑에 이상적입니다. 이 글에서는 레이저로 제작한 PCB가 어떻게 프로토타이핑에 활용되는지, 그 장점은 무엇인지, 설계 과정에서 이를 어떻게 효과적으로 활용할 수 있는지에 대해 알아봅니다. 각 단계를 자세히 살펴보고, PCB 제조에 대한 더 많은 정보를 원하신다면 "JLCPCB 공장에서 PCB가 어떻게 만들어지는가"라는 글을 참고하세요.

PCB 제작에서 레이저 기술의 부상

레이저 기술은 PCB 프로토타이핑의 판도를 바꾸는 요소로 부상했으며, 기존 방식에 비해 여러 가지 장점을 제공합니다:

1. 정밀도 및 정확성: 몇 마이크론 수준의 공차까지 구현 가능

2. 속도: 최소 25분 안에 동작 가능한 PCB 제작 가능

3. 유연성: FR1, FR4, 플렉스 등 다양한 재료에 적용 가능

비접촉 가공: 기계적 스트레스를 없애는 비접촉 방식

PCB 설계에서의 레이저 공정：

• PCB에서의 레이저 마킹

• PCB에서의 레이저 커팅

• PCB에서의 레이저 소결

• PCB에서의 레이저 드릴링

PCB에서의 레이저 마킹:

레이저는 PCB 마킹에서도 매우 빠릅니다. 적용 부위 주변의 소재 손상이나 변형 없이 몇 초 만에 코드 새기기가 가능합니다. 레이저 마킹은 집적회로 제조 시에도 정보를 제공하는 데 사용되며, 이 과정에서 정밀도와 효율성이 매우 중요합니다.

전통적으로 식별 마킹은 숫자 및 문자로 이루어지지만, PCB 표면 공간이 제한되어 있어 제약이 있습니다. 그래서 레이저를 사용한 마킹은 높은 정확도로 마킹을 가능하게 해줍니다.

PCB에서의 레이저 커팅:

PCB 제작에서 커팅은 매우 중요한 과정입니다. 회로 기판은 부품 연결 및 납땜을 위한 개구부가 있는 스텐실을 기반으로 설계되기 때문입니다. 파이버 레이저를 사용하면 PCB 스텐실을 대량으로 수 초 안에 절단할 수 있습니다. 레이저 빔은 회로 기판 소재를 뚫어 필요한 개구부를 만들면서 주변 소재의 손상을 최소화합니다.

대량 생산 시에는 이 공정을 반복적으로 수행해야 합니다. CNC 레이저 PCB는 비접촉 방식으로 소재를 절단하기 때문에 손상을 방지하고 폐기물을 줄일 수 있습니다. 절단 폭은 0.0001인치에 불과하고, 치수 정밀도는 0.0005인치입니다.

PCB에서의 레이저 소결：

소결은 PCB 부품을 접합하는 완벽한 솔루션으로 간주되며, 납땜 과정의 문제를 해결하고 제조 시 더 튼튼하고 일관된 결합을 가능하게 합니다.

레이저 소결은 납 없이 고밀도 회로를 구현할 수 있는 첨단 PCB 제조 기술입니다. 이 방식은 안정성을 향상시키며, 은(Ag) 분말이 포함된 소재에 레이저를 조사하여 열을 가하고, 분말이 녹아 고체 결합이 형성되도록 식히는 원리입니다.

PCB에서의 레이저 드릴링:

레이저 드릴링은 여러 층 간의 연결을 위해 PCB에 구멍을 뚫는 과정입니다. 가정에서 사용하는 전자 기기는 대부분 HDI 보드를 사용하며, 이는 레이저 드릴링 기술을 기반으로 합니다. 이 방법은 작은 크기에서도 높은 정확도를 보장합니다.

레이저 드릴링은 기계식 드릴링과 달리 레이저 에너지를 사용해 구멍을 뚫습니다. 이 구멍은 부품 삽입과 층 간 연결을 위해 필요합니다. 레이저는 평평한 유리섬유 보강 기판에서는 2.5~3mil 비아, 비보강 유전체에서는 약 1mil 비아까지 드릴링이 가능합니다.

레이저 PCB 프로토타이핑 설계 흐름:

레이저를 활용한 빠른 PCB 프로토타이핑은 일반적으로 다음과 같은 단계로 이루어집니다:

Step 1 - 설계: 엔지니어는 CAD 소프트웨어를 사용하여 PCB 레이아웃을 작성합니다.

Step 2 - 레이저 인그레이빙 & 에칭: xTool F1 Ultra와 같은 파이버 레이저가 구리를 정밀하게 제거하여 회로 패턴을 생성합니다.

Step 3 - 홀 드릴링: 부품 및 비아용 홀을 고정밀로 드릴링합니다.

Step 4 - 솔더 마스크 적용: 레이저를 사용해 솔더 마스크를 선택적으로 제거하여 패드를 노출시키고, 전문가 수준의 마감을 제공합니다.

Step 5 - 보드 커팅: 마지막으로, 레이저로 보드 형태를 절단하여 물리적 프로토타입을 완성합니다.

Step 6 - 레이저 소결: 고급 PCB 프로토타이핑에서는 레이저로 전도성 잉크 또는 금속 분말을 소결해 전도성 회로를 형성합니다.

적절한 레이저 소스 선택하기:

디패널링(Depaneling) 작업에 적합한 레이저 소스를 선택하는 것이 중요합니다. CO2 레이저와 UV 레이저는 각각 장단점이 있습니다.

UV 레이저와 CO2 레이저:

UV 레이저는 ‘콜드 컷팅(cold cutting)’ 기술을 사용합니다. 열에 의한 탄화(그을림)를 제어하기 쉬워, 절단 가장자리의 탄화를 줄이는 것이 속도보다 더 중요할 경우 UV 레이저가 더 나은 선택입니다. 반면, 생산 속도가 중요한 경우에는 CO2 레이저가 더 적합합니다. CO2 레이저는 완전 절단에 적합하며, 천공 절단(perforated cuts)을 만드는 데 자주 사용됩니다. 천공 기법을 활용하면 탄화를 줄이고, 패널과 보드를 절단기에서 쉽게 로딩 및 언로딩할 수 있습니다.

또한 소재 두께가 두꺼워질수록 탄화 정도와 작업 시간이 증가합니다. 절단 위치에 V-홈(V-groove)을 사용하는 방식으로 제작하면 레이저 절단이 더 빠르고 깔끔해질 수 있습니다.

레이저 작업 시 고려해야 할 요소들:

레이저 드릴링 과정에서 고려해야 할 주요 요소는 다음과 같습니다:

구리 두께: 드릴링 대상이 되는 구리층의 두께는 상단 구리층의 두 배 이상이어야 합니다. 레이저는 PCB에서 마이크로비아를 생성하는 가장 효과적인 방법이며, 레이저로 드릴링된 마이크로비아는 PCB 제조에서 매우 중요합니다.

적층 구조의 비균질성: 레이저를 사용할 때 적층 구조의 비균질성을 고려해야 합니다. 다양한 소재는 에너지를 흡수하는 속도가 다릅니다. 예를 들어, FR4 수지는 유리 섬유와 동일한 속도로 에너지를 흡수하지만, BT 에폭시 수지는 유리보다 훨씬 빠르게 기화되어 드릴링 시 구멍 안에 유리 섬유가 남게 됩니다.

과제 및 고려 사항:

레이저로 제작된 PCB는 많은 장점을 제공하지만 몇 가지 과제도 존재합니다. 고품질의 레이저 시스템은 초기 비용이 높을 수 있지만, 장기적으로 시간과 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 레이저 시스템을 효과적으로 운용하고 설계를 최적화하려면 운영자의 교육이 필요합니다. 일부 특수한 PCB 소재는 레이저 가공에 적합하지 않을 수도 있습니다.

결론:

레이저는 PCB 제조에 사용되는 중요한 전문 장비입니다. 이 장비는 드릴링, 커팅, 마킹, 소결 등 다양한 용도로 사용됩니다. 정밀한 가공이 가능하기 때문에 PCB 제조업체들에게 선호되는 방식이며, 접촉이 없는 작업이 가능하다는 점에서도 매우 유용합니다. 레이저 인그레이브 방식은 PCB 생산에 사용되며, 집에 레이저 장비가 있다면 전문가 수준의 빠른 프로토타이핑이 가능합니다.