동박이 PCB 성능과 제조 품질에 미치는 영향

PCB에서 실제로 전기 신호를 전달하는 부분은 동박입니다. 기판의 강도는 유리섬유 직조에서 나오고, 수지는 각 층을 결합하며, 솔더 마스크는 노출된 구리를 보호하고 절연하는 역할을 합니다. 그런데 많은 설계에서 구리에 대한 고민은 적층 구조(스택업)에서 1oz를 고르는 단순한 선택 하나로 시작해서 끝나 버립니다.

그림 1: 동박 적층판 프레스로 공급되는 전해 동박 롤

PCB 구리 회로는 대부분 서브트랙티브(subtractive) 공정으로 만들어집니다. 제조업체는 적층판에 접착된 연속된 구리 시트에서 출발해, 회로 패턴에 해당하지 않는 구리를 모두 제거합니다. 즉, 거버 파일이 생산에 들어가기 전부터 구리 두께, 결정립 구조, 표면 질감과 같은 핵심 특성은 이미 정해져 있는 셈입니다.

이러한 특성은 모두 최종 제품에 영향을 미칩니다. 이 가이드에서는 PCB 동박의 특성, 동박 무게(oz)와 두께(µm)의 관계, 전해 동박과 압연 동박의 차이, 그리고 적층 구조에 맞는 동박 무게를 선택하는 방법을 살펴보겠습니다.

동박이란 무엇이며, PCB에서 왜 중요할까요?

일반적인 PCB에서 도전성을 가진 재료는 동박뿐이므로, 완성된 기판의 모든 전기적 특성은 결국 동박에서 비롯됩니다.

동박이란 무엇이며, PCB 구조에서 어떤 역할을 할까요?

동박은 절연 재료에 접착되는 얇고 연속된 고순도 구리 시트입니다. PCB용 동박의 두께는 일반적으로 12~140µm이며, 구리 순도는 대개 99.8% 이상입니다. 순도가 중요한 이유는 불순물이 저항을 높이고, 에칭 공정에서 구리가 고르게 제거되지 않는 원인이 될 수 있기 때문입니다.

적층판 제조 과정에서 동박은 열과 압력을 받아 유리섬유 강화 에폭시에 압착됩니다. 이렇게 만들어진 제품을 동박 적층판(CCL, Copper-Clad Laminate)이라고 합니다. 일반적인 FR-4 코어는 양면에 구리가 입혀진, 완전히 경화된 적층판 시트입니다. PCB 제조의 핵심 단계는 구리를 제거하는 것입니다. 포토레지스트로 회로 패턴을 덮은 뒤, 에칭액으로 그 주변의 불필요한 구리를 녹여 냅니다. 이렇게 남은 트레이스, 패드, 플레인이 완성된 회로를 이룹니다.

동박 두께, 전도성, 그리고 PCB 성능

동박을 주문할 때 알아 두어야 할 점은, 동박이 보통 두께가 아닌 무게 단위로 주문된다는 것입니다. PCB 제조에서 1oz 동박이란 1제곱피트 면적에 구리 1온스를 펼친 것을 의미합니다. 이는 약 34.8µm(1.37mil) 두께에 해당하며, 일반적으로 35µm로 반올림해 표기합니다.

그림 2: 0.5oz, 1oz, 2oz, 3oz 동박 두께 비교

1oz 동박의 면저항은 약 0.48mΩ/□입니다. 여기서 ‘스퀘어(□)’란 길이가 폭과 같은 구리 구간을 뜻하며, 트레이스가 몇 스퀘어인지 세어 보면 공식을 쓰지 않고도 트레이스 저항을 빠르게 추정할 수 있습니다.

PCB에 사용되는 동박 이해하기

제조 공정을 거치면서 동박 시트는 완성된 구리 회로층으로 바뀌며, 그 과정에서 동박의 두께와 형상은 여러 차례 달라집니다. 이 과정을 이해하면 에칭된 트레이스가 레이아웃에서 그린 치수와 항상 정확히 일치하지 않는 이유를 쉽게 알 수 있습니다.

그림 3: 동박의 적층, 도금, 에칭 과정을 보여 주는 단면도

동박이 PCB 회로층이 되는 과정

외층의 구리는 다음 다섯 단계를 거치며 크게 변화하므로, 각 단계를 알아 두는 것이 좋습니다.

1. 적층(라미네이션): 동박과 프리프레그를 약 180°C, 수백 psi의 압력으로 압착합니다. 이때 녹은 수지가 동박의 거친 아랫면으로 흘러 들어가 동박을 단단히 고정합니다.
2. 드릴링과 홀 활성화: 패널에 홀을 뚫은 뒤, 노출된 수지 벽면에 전해 도금이 가능하도록 얇은 무전해 구리 시드층을 형성합니다.
3. 이미징: 드라이 필름 포토레지스트를 붙이고 아트워크를 통해 노광한 다음 현상하여, 구리가 남아야 하는 부분에만 보호막을 남깁니다.
4. 도금: 전해 구리 도금으로 홀 벽면을 형성하는 동시에 노출된 외층 구리를 두껍게 만들며, 일반적으로 20~25µm(0.8~1mil)가 추가됩니다.
5. 에칭과 박리: 염화제이구리 또는 알칼리 에칭액을 분사해 보호되지 않은 모든 영역을 수지 면까지 녹여 낸 뒤, 레지스트를 벗겨 냅니다.

에칭은 구리를 아래 방향으로 녹이는 동시에 트레이스의 옆면도 녹입니다. 약품이 동박을 깎아 내면서 완성된 트레이스의 단면은 윗면이 더 좁은 약간의 사다리꼴 모양이 됩니다.

표준 동박과 후동 동박의 활용

1oz 동박으로 대부분의 작업을 소화할 수 있기 때문에, 거의 모든 빠른 제작(퀵턴) 주문에서 외층 기본값으로 쓰입니다. 0.09mm 수준의 미세 패턴까지 에칭할 수 있고, 로직 회로와 소형 아날로그 레일을 무리 없이 처리하며, 추가 비용도 들지 않습니다. 한계가 드러나는 부분은 전류 용량입니다. 1oz 외층 구리에서 폭 약 0.25mm(10mil)의 트레이스는 약 1A를 흘릴 수 있습니다.

이 수치는 온도 상승 10°C와 보수적인 IPC-2221 차트를 기준으로 한 값입니다. IPC-2152는 기판 자체의 열전도까지 고려하기 때문에 더 많은 전류를 허용하지만, 이전 기준의 수치를 따르면 더 안전합니다. 동박을 2oz로 두 배 늘리면 단면적도 두 배가 되므로, 같은 트레이스 폭에서 같은 온도 상승 조건으로 거의 두 배의 전류를 흘릴 수 있습니다. 본격적인 후동은 3oz(105µm, 4.1mil)부터 시작하며, 후동 PCB 설계 에서는 버스바 용도로 이보다 훨씬 두꺼운 동박을 사용하기도 합니다.

PCB에 사용되는 동박의 주요 종류

PCB용 동박은 거의 모두 두 가지 제조 방식으로 생산되지만, 각 방식으로 만든 구리는 결정립 구조가 완전히 다릅니다.

전해 동박과 압연 동박

흔히 ED 동박이라고 부르는 전해 동박(Electrodeposited Foil)은 황산구리 용액 속에서 천천히 회전하는 티타늄 드럼 위에 구리를 전착시켜 만듭니다. 회전하는 드럼 위에서 구리가 성장하면서 결정 구조가 드럼 표면에서 바깥쪽으로 자라납니다. 그 결과 완성된 동박은 매끄럽고 광택 있는 드럼면(샤이니면)과, 구리가 성장한 쪽의 거친 매트면이라는 뚜렷이 다른 두 면을 갖게 됩니다.

그림 4: ED 동박과 RA 동박의 결정립 구조 비교

압연 동박(RA 동박, Rolled Annealed Foil)은 주조된 구리 잉곳에서 출발합니다. 구리를 압연기에 통과시켜 원하는 두께까지 줄이는 과정에서 결정립이 늘어나고 납작해져 동박 표면과 거의 평행하게 배열됩니다. 이후 동박을 어닐링(풀림 열처리)하면 결정립이 성장하며 재결정됩니다. 그 결과 양면이 모두 매끄럽고, 전해 동박보다 연성이 훨씬 뛰어난 압연 동박이 만들어집니다.

PCB 요구 사항에 맞는 동박 선택 방법

동박은 용도에 따라 선택하며, 실제로 제작하게 될 거의 모든 기판은 다음 네 가지 경우로 정리할 수 있습니다.

그림 5: 주파수에 따른 표피 깊이와 일반적인 동박 거칠기 비교

• 약 1GHz 이하의 리지드 디지털·아날로그 기판: 표준 ED 또는 HTE ED 동박을 사용합니다. 이 주파수 대역에서는 표면 거칠기가 전류가 흐르는 깊이보다 훨씬 작기 때문입니다.
• 적층 사이클이 3회 이상인 다층 기판: 반드시 HTE 동박을 사용합니다. 일반 ED 동박은 고온에서 늘어날 때 균열이 생길 수 있기 때문입니다.
• 사용 중에 굽혀지는 연성 회로: 압연 동박을 사용합니다. 주상정 결정립은 반복적으로 접히면 갈라지지만, 압연 동박의 납작한 결정립 구조는 이를 견뎌 냅니다.
• 약 5GHz 또는 10Gbps를 넘는 링크: 역처리 동박, VLP 또는 HVLP 동박을 사용합니다. 구리 표면이 매끄러울수록 도체 손실이 직접적으로 줄어들기 때문입니다.

거칠기가 문제가 되는 것은 전류가 더 이상 금속 전체를 활용하지 못할 때뿐입니다. 고주파 전류는 도체 표면 가까이로만 흐르는 ‘표피 효과’를 보이며, 전류가 흐르는 깊이를 표피 깊이라고 합니다. 구리의 표피 깊이는 1GHz에서 약 2.1µm이며, 주파수의 제곱근에 반비례해 줄어듭니다.

PCB 성능에 영향을 미치는 동박의 용도와 특성

구리가 PCB 도체로 선택되는 이유는 세 가지 특성 덕분입니다. 전기를 잘 통하고, 열을 잘 전달하며, 미세 패턴을 만들 수 있을 만큼 깔끔하게 에칭됩니다.

전기적·열적 특성과 전류 용량

업계에서는 구리의 전도율을 100% IACS, 즉 5.8 × 10⁷ S/m로 표기합니다. 구리보다 전도율이 높은 것은 은뿐이지만, 은은 수 제곱미터에 이르는 패널에 적층하기에는 비용 효율이 맞지 않습니다. 알루미늄의 전도율은 구리의 약 61%에 불과하므로, 같은 성능을 내려면 알루미늄 도체가 훨씬 넓어야 합니다. 구리의 열전도율은 약 385W/mK인 반면, 그 아래의 FR-4 소재는 약 0.3W/mK입니다.

전류 용량은 동박 무게에 비례하며, 열전달도 마찬가지입니다. 레귤레이터 아래의 그라운드 푸어를 1oz 대신 2oz로 만들면 그라운드를 통한 열전달이 약 두 배가 되어 핫스폿 온도가 눈에 띄게 낮아집니다. 이후 서멀 비아가 그 열을 반대면의 구리로 전달합니다. 전류에 맞춰 트레이스 폭을 정할 때 따져야 할 것은 용단이 아니라 온도입니다. 현실적인 전류 범위에서 구리가 녹는 일은 없지만, 트레이스가 가열되면 저항이 높아지고, 이로 인해 주변 부품이 허용 오차를 벗어날 수 있습니다.

기계적 특성, 표면 품질, 그리고 밀착력

밀착력은 박리 강도로 측정하며, 이는 동박 스트립을 적층판에서 떼어 내는 데 필요한 힘을 말합니다. 구리는 경화된 에폭시와 화학적으로 결합하지 않으므로, 밀착력은 기계적으로 확보해야 합니다. 이 밀착력은 동박의 처리된 매트면에서 나옵니다. 매트면에는 미세한 수지상(덴드라이트) 돌기를 성장시킨 뒤, 그 위에 아연이나 니켈 배리어층을 코팅합니다.

고주파용으로 동박을 매끄럽게 만들면 바로 이 돌기가 사라지므로, 거칠기가 줄어들수록 박리 강도도 떨어집니다. 동박 제조업체는 표면 질감을 대신하는 접착 화학 처리로 이를 보완하는데, 이것이 VLP 적층판이 더 비싼 주요 이유 중 하나입니다. 입고된 동박의 표면 결함은 전체 공정을 거친 뒤에도 그대로 남습니다. 핀홀, 찍힘, 주름은 포토레지스트 아래에서 눈에 띄지 않게 숨어 있습니다. 하지만 에칭액은 결국 그 부위를 파고들기 때문에, 이러한 결함은 트레이스의 결손이나 단선으로 이어집니다.

동박 선택과 PCB 제조 요구 사항

동박 무게는 레이어 수, 최소 패턴 크기, 그리고 제조업체가 적층 구조를 압착하는 방식에 따라 달라지므로 마음대로 정할 수 있는 항목이 아닙니다.

레이어 수, 적층 구조, DFM 요구 사항에 맞는 동박 선택

동박이 두꺼울수록 에칭액이 더 많은 금속을 깎아 내야 하므로 트레이스 폭과 간격을 더 넓게 잡아야 합니다. 에칭액은 아래로 파고드는 동안에도 트레이스 가장자리를 계속 침식하기 때문에 언더컷이 커집니다. JLCPCB는 동박 무게별 최소 트레이스 폭과 간격을 공개하고 있으므로, 레이아웃을 시작하기 전에 배선상의 트레이드오프를 미리 확인할 수 있습니다.

4층 이상 기판의 외층 구리는 1oz 또는 2oz만 제공됩니다. 반면 2층 기판은 4.5oz(157µm, 6.2mil)까지 선택할 수 있습니다. 내층은 0.5oz, 1oz, 2oz 중에서 선택할 수 있으며, 별도로 요청하지 않으면 0.5oz가 적용됩니다.

구리 두께와 제조 일관성 유지

외층에서는 주문한 동박 무게와 완성된 동박 무게가 서로 다릅니다. 제조업체는 어차피 같은 도금조로 스루홀을 채워야 하므로, 흔히 0.5oz 동박에서 시작해 전해 도금으로 두께를 올립니다. 따라서 외층 1oz로 판매되는 기판은 동박과 도금층을 합쳐 완성 사양을 충족하는 상태로 출고됩니다. 이 때문에 외층 구리는 내층 구리보다 두께 편차가 큽니다.

도금 전류 밀도는 패널 전체에 걸쳐 결코 균일하지 않기 때문에, 패널 가장자리 쪽 기판에는 중앙부보다 구리가 약간 더 두껍게 쌓일 수 있습니다. 트레이스 폭에도 자체 공차가 있으며, JLCPCB는 이를 ±20%로 공개하고 있습니다. 설계상 0.2mm(8mil)인 트레이스는 0.16mm(6.3mil)에서 0.24mm(9.4mil) 사이 어디든 정상 범위에 해당합니다. 여유가 적은 전원 트레이스는 하한값을 기준으로 폭을 정해야, 허용 범위 내에서 가장 불리한 기판도 목표 온도를 충족할 수 있습니다.

PCB 제조업체의 동박 품질 관리 방법

동박은 인증서와 함께 입고되지만, 제조업체는 동박이 적층, 에칭, 도금을 거친 뒤에도 그 특성을 그대로 유지하는지 직접 입증해야 합니다. 구리의 품질 관리는 입고 검사부터 연마한 단면 시편 분석까지 이어지는 일련의 검사 과정입니다.

원자재 검사, 에칭 및 도금 관리

입고 인증서에는 두께, 무게, 박리 강도, 표면 조도 등급이 모두 기재되어 있으며, 동박은 이후 습도가 관리되는 창고에 보관됩니다. 산화된 동박은 밀착력이 떨어지므로, 보관 관리는 단순한 정리 정돈이 아니라 실질적인 공정 관리에 해당합니다. 에칭 라인은 완성된 트레이스 폭을 결정하므로, 모든 습식 공정 가운데 가장 엄격하게 관리됩니다. 염화제이구리 에칭액은 비중, 산화환원 전위, 온도를 정해진 범위로 유지합니다. 그런 다음 컨베이어 속도를 미세하게 조정해 에칭 속도를 일정하게 유지합니다.

JLCPCB는 2층 기판에서 1oz부터 4.5oz까지, 다층 기판에서 1oz 또는 2oz의 외층 구리를 제공합니다. 또한 동박 무게별 정확한 최소 트레이스 폭과 간격도 공개하고 있습니다. 거버 파일을 업로드하고 원하는 동박 무게를 선택한 상태로 견적을 받아 보실 수 있습니다. 이어서 자동 DFM 검사가 해당 동박 무게로 구현할 수 없는 패턴을 찾아 표시해 줍니다.

AOI, 단면 분석, 신뢰성 시험

자동 광학 검사(AOI)는 에칭된 각 층을 촬영해 CAM 데이터와 비교합니다. 이를 통해 단선, 결손, 마우스 바이트, 단락, 그리고 남아 있어야 할 곳에서 에칭되어 사라진 구리를 찾아냅니다. 내층은 적층 전에 검사하는데, 일단 적층되고 나면 결함을 다시는 수정할 수 없기 때문입니다.

그림 6: 금속 현미경으로 구리 두께를 측정하는 PCB

구리 두께는 기판을 잘라 직접 측정해야만 확인할 수 있습니다. 쿠폰을 에폭시에 매립하고 단면을 연마한 뒤 현미경으로 관찰합니다. 이를 통해 동박 두께, 도금 구리 두께, 에칭 팩터를 직접 측정할 수 있습니다. 열 스트레스 시험은 동박이 실제로 제대로 접착되어 있는지를 확인합니다. 시편을 288°C의 용융 솔더 위에 10초간 띄운 뒤 단면을 잘라 동박 들뜸이나 수지 분리가 있는지 확인합니다. 박리 강도 시험은 같은 결과를 사진이 아닌 수치로 보여 줍니다.

PCB 동박에 관한 자주 묻는 질문(FAQ)

결론

동박은 PCB에서 단 하나의 숫자로 사양을 정하고, 그 결과를 기판 전체에서 감수해야 하는 유일한 재료입니다. 이 숫자가 저항과 전류 용량을 결정하고, 플레인이 열을 얼마나 잘 분산하는지도 결정합니다. 또한 에칭 팩터를 통해 트레이스를 얼마나 미세하게 만들 수 있는지도 좌우합니다. 동박 종류는 또 하나의 기준으로, 기판이 굽혀질 수 있는지, 고속 신호의 에지가 기판을 지나며 얼마나 손실되는지를 결정합니다. 동박 선택을 주문 단계의 체크박스 하나로 여기지 말고, 적층 구조 설계의 일부로 다루십시오.

동박 무게는 전원 레일에 실제로 흐르는 전류를 기준으로 선택하고, 패널이 평탄하게 압착되도록 대칭 구조를 유지하십시오. 표면이 더 매끄러운 동박은 신호의 에지 속도가 포기해야 하는 박리 강도를 감수할 만큼 빠를 때에만 선택하십시오. 데이터 전송 속도는 계속 높아지고 있으므로, 대부분의 설계자가 예상하는 것보다 빨리 일반 디지털 기판에서도 동박 거칠기가 중요해질 것입니다. 공개된 공정 능력표와 자동 DFM 검사를 활용하면, 패널 생산을 확정하기 전에 적은 비용으로 미리 검증해 볼 수 있습니다.