PCB 제조 공정의 단계별 가이드

소개

인쇄회로기판(Printed Circuit Boards, PCB)은 현대 전자기기의 핵심 구성 요소로서, 전자 부품과 회로의 물리적 기초를 제공합니다. PCB의 구성 요소와 제작 과정을 이해하는 것은 전자 공학자, 디자이너, 그리고 전자기기에 관심이 있는 모든 사람에게 매우 중요합니다.

PCB 제작 과정

인쇄회로기판(PCB)의 제조 과정은 설계 도면을 전문적인 기판으로 변환하는 여러 단계로 구성되어 있습니다. 이 복잡한 과정은 주로 PCB 제조 전문 시설에서 수행되며, 에칭, 드릴링, 도금과 같은 다양한 기술이 사용됩니다. 또한, 고정밀을 위해 컴퓨터 수치 제어(CNC) 기술이 통합되어 있습니다.

구리층은 여러 단계를 반복하여 제작됩니다. 먼저 감광막을 코팅한 후, 회로 패턴을 나타내는 마스크를 통해 자외선을 노출시키며, 이후 현상 과정을 거칩니다. 이 과정에서 회로 패턴이 드러나게 되며, 화학적 에칭을 통해 선택적으로 구리를 제거할 수 있게 됩니다. 최종적으로 남은 구리로 회로 패턴이 완성되며, 스루홀 부품과 비아(Via)를 위한 구멍을 뚫은 후, 구리의 보호 및 전도성을 향상시키기 위해 도금을 실시합니다.

제작 공정의 마지막 단계에서는 솔더 마스크를 적용하여 회로를 보호하고, 납땜 브리지(solder bridges)를 방지하며 PCB의 전반적인 내구성을 향상시킵니다. 또한, 실크스크린 레이어가 보드에 인쇄되어 부품 식별을 위한 필수적인 라벨과 표식을 제공합니다.

PCB 제작 공정의 단계

1단계 – 디자인 이미지화 및 인쇄

2단계 – 기판 제작

3단계 – 내부 층 인쇄

4단계 – 자외선 노광

5단계 – 불필요한 구리 제거

6단계 – 층 정렬 및 검사

7단계 – 층 적층 및 접합

8단계 – 드릴링(Drilling)

9단계 – PCB 도금

10단계 – 외부 층 이미지화

11단계 – 주석 도금

12단계 – 최종 에칭(etching)

13단계 – 솔더 마스크 적용

14단계 – 실크스크린 인쇄

15단계 – 표면 처리

16단계 – 테스트

17단계 – 프로파일링(Profiling)

18단계 – 최종 품질 검사

1단계 – 이미지화 및 설계 인쇄

PCB 인쇄는 디자이너가 Gerber files을 제출하고 제조업체가 제조 가능성 설계(DFM) 검사를 마친 후에 시작됩니다. 이 단계에서는 플로터 프린터(plotter printer)라는 특수 프린터를 사용하여 PCB 설계를 인쇄합니다. 이 프린터는 PCB의 세부 사항과 층 구조를 보여주는 포토 필름(photo film)을 생성합니다. 이 과정에서 보드의 내부 층에는 두 가지 색상의 잉크가 사용됩니다.

투명 잉크는 비전도성 영역을 나타내기 위해 사용되며,
검은색 잉크는 전도성 구리 트레이스와 회로를 표시하는 데 사용됩니다.

같은 색상은 외부 층에도 사용되지만, 그 의미는 반대입니다. 각 PCB 층과 솔더 마스크는 각각 투명 및 검은색 필름 시트를 받습니다. 따라서 2층 PCB에는 총 네 장의 시트가 필요합니다. 두 장은 구리 층에 사용하고, 또 두 장은 솔더 마스크용입니다. 다음 단계로 진행하기 위해, 모든 필름 층은 완벽하게 정렬되어야 합니다. 이를 위해 모든 필름에는 등록 구멍(registration holes)이 뚫려 있어야 하며, 이 구멍들은 이후 이미지 처리 단계에서 사전 정의된 구조인 등록 핀(registration pins)과 맞춰질 것입니다.

2단계 – 기판 제작

기판은 부품을 구조에 고정하는 절연 재료(에폭시 수지와 유리 섬유)로, 재료를 오븐을 통해 통과시켜 형성되기 시작합니다. 이 기판은 PCB의 견고한 코어로, 온보드 회로에 강도와 내구성을 제공합니다.

3단계 – 내층 인쇄

PCB 제조 과정의 이 단계에서는 실제 PCB 제작이 시작됩니다. 이 과정은 기판 재료로 만들어진 적층 보드로 구성된 PCB의 기본 형태로 시작됩니다. 간단히 말해, 이는 구리에 감광성 물질을 패턴화하는 데 사용되는 마스크 층을 나타냅니다. 이 단계에서.

● PCB 디자인이 얇은 판 모양의(라미네이트: laminate) 보드에 인쇄됩니다.

● 구리는 라미네이트 보드의 양면에 미리 부착됩니다.

● 다음으로, 라미네이트 보드는 감광막인 포토레지스트로 덮입니다. 이 감광막은 자외선에 노출되면 경화되는 광반응성(photo-reactive) 화학물질로 만들어집니다. 이 과정은 포토 필름(photo films)과 포토레지스트(photoresist) 간의 완벽한 일치를 보장합니다. 필름은 라미네이트 패널(laminate panel) 위에 정밀하게 배치된 핀에 의해 고정됩니다.

4단계 – 자외선 조사

필름과 보드는 정렬된 후 자외선 빛을 받습니다. 빛은 필름의 투명한 부분을 통과하여 아래 구리의 포토레지스트(photoresist)를 경화시킵니다. 플로터의 블랙 잉크는 빛이 전달하는 것을 막아 경화되지 않아야 할 영역을 보호합니다. 경화된 영역만이 구리 패턴으로 남게 되며, 나머지 부분은 다음 단계에서 에칭될 것입니다.

이후, 기판은 알칼리 용액(alkaline solution)으로 세척하여 경화되지 않은 포토레지스트를 용해하고 제거합니다. 마지막으로 고압 세척을 통해 표면에 남아있는 잔여물을 완전히 제거합니다. 그 다음 기판을 건조시키고, 기술자는 이 단계에서 문제가 발생하지 않았는지 철저히 검사합니다.

5단계 – 불필요한 구리 제거

이 단계에서는 회로 기판에서 필요 없는 구리를 제거하며, 경화된 포토레지스트 아래의 구리는 남겨둡니다. 알칼리 용액과 유사한 화학 용액을 사용하여 불필요한 구리를 제거합니다. 이 과정은 내층 에칭이라고도 합니다.

보드의 크기에 따라 에칭에 필요한 시간과 용매가 달라질 수 있습니다. 더 큰 보드는 일반적으로 더 많은 시간과 용매를 필요합니다. 마지막으로, 보드는 이제 PCB에 필요한 구리 기판만 남게 되어 반짝거립니다.

6단계 – 레이어 정렬 및 검사

새로 세척된 레이어들은 정렬 상태를 검사해야 합니다. 이전에 뚫린 구멍들은 내부 층와 외부 층의 정렬을 돕습니다. 광학 펀치 기계가 구멍들을 통해 핀을 뚫어 레이어들이 정렬된 상태를 유지합니다. 광학 펀치 기계 작업이 끝나면, 또 다른 기계가 보드를 검사하여 결함이 없는지 확인합니다. 이 단계 이후로는 누락된 오류를 수정할 수 없습니다. 검사 과정에서는:

● 설계자는 자동 광학 검사(AOI) 기계를 사용하여 보드를 검사합니다.

● AOI 장비는 원본 Gerber 설계와 PCB를 비교합니다.

● AOI 장비는 레이저 센서를 사용해 레이어를 스캔하고 전자적으로 비교합니다.

● 이 단계에서 불량 회로 기판은 폐기됩니다.

● 외부 층도 이미징과 에칭 후 동일한 과정을 반복합니다.

7단계 – 층 적층 및 접합

이제 레이어가 융합되면서 보드가 형태를 갖추는 것을 볼 수 있습니다. 금속 클램프가 층을 고정한 상태에서 적층 과정이 시작됩니다. 이 과정은 에폭시 수지로 코팅된 유리섬유로 만든 PCB 외층과 구리 트레이스가 에칭된 얇은 구리 포일 층을 샌드위치 형태로 적층합니다. 이 과정은 금속 클램프를 사용하여 특수 압착 테이블에서 진행되며, 층 적층 및 접합(layer-up & bonding)이라고도 불립니다.

● 작업자는 스택을 적절히 정렬한 후 적층 프레스에 배치합니다.

● 본딩 프레스 컴퓨터가 적층 프레스를 제어합니다.

● 컴퓨터는 보정 값에 따라 플레이트를 가열하고 압력을 가하여 PCB 층들을 융합합니다.

● 에폭시는 프리프레그(prepreg) 내부에서 녹으며, 압력과 함께 층들을 결합시킵니다.

● 상부 프레스 플레이트와 핀을 제거한 후, 기술자는 인쇄 회로 기판을 꺼낼 것입니다. 이 과정은 모든 층을 하나로 결합합니다.

8단계 – 드릴링(Drilling)

드릴링은 PCB 제조 공정에서 가장 중요한 단계로 간주됩니다.. 이 단계는 비아의 기초를 형성하고, 서로 다른 PCB 층 간의 연결을 가능하게 합니다.

구리 연결 비아 홀이나 리드 컴포넌트 등 모든 후속 부품들은 드릴 구멍의 정밀도에 의존합니다. 드릴 구멍은 머리카락 굵기 정도로, 드릴은 직경 100 마이크로미터 직경으로 수행됩니다. 참고로 평균 머리카락 직경은 150 마이크로미터입니다. 이러한 매우 얇은 직경 때문에 PCB 드릴링에는 높은 정밀성이 필요합니다.

JLCPCB와 같은 선도적인 전문 제조업체들은 컴퓨터 제어 PCB 드릴링(Drilling) 기계를 사용하는 경향이 있습니다. 이러한 기계는 직경이 100 마이크론만큼 작은 구멍도 뚫을 수 있으며, 150,000 RPM으로 회전하는 공기 구동 스핀들을 사용합니다. 이렇게 높은 속도에도 불구하고, 드릴링 작업이 금방 끝나는 것은 아닙니다. 평균적인 PCB에는 100개 이상의 드릴링 포인트가 존재합니다. 드릴링 과정에서 각 포인트마다 드릴링이 정확하게 이루어져야 하기 때문에 시간이 걸립니다.

● 드릴 작업 전, 엑스레이 위치 결정 장치가 드릴 위치를 정확히 확인합니다.

● 드릴 대상물 아래에 완충재 보드를 놓아 깨끗한 드릴 작업을 보장합니다.

● 먼저, PCB 적층을 고정하기 위해 등록 구멍이나 안내 구멍을 뚫습니다.

● 컴퓨터 제어 기계가 원래 설계를 가이드로 하여 목표 지점을 드릴링합니다.

● 드릴 작업 후, 가공(profiling)을 통해 가장자리 주변의 과잉 구리층을 제거합니다.

9단계 – PCB 도금

이제 보드는 도금을 할 준비가 되었습니다. PCB 도금은 드릴된 구멍을 구리로 채워 전류가 PCB의 한 층에서 다른 층으로 전달되도록 하는 과정입니다. 이 과정은 일련의 화학 욕조를 통해 진행됩니다.

● PCB 패널을 철저히 청소하기

● 패널을 케미컬 베스에 넣어 약 1 마이크론 두께의 얇은 구리 층을 증착하기

● 컴퓨터를 사용하여 PCB 도금 과정을 제어하기

구리 욕조(copper bath)는 구멍의 벽을 완전히 덮습니다. 또한 패널 전체에도 새로운 얇은 구리 층이 증착됩니다. 가장 중요한 것은 새로 형성된 구멍들도 구리로 덮인다는 점입니다.

10단계 – 외부 층 이미징

3단계에서 우리는 패널의 내부 층에 포토레지스트(photoresist)를 적용했습니다. 이번 단계에서는 패널의 외부 층에 동일한 과정을 반복합니다. 이 과정은 오염을 방지하기 위해 청정한 환경에서 수행됩니다.

● 핀이 블랙 잉크 투명 필름을 고정하여 정렬 불량을 방지합니다.

● 포토레지스트로 코팅된 PCB 패널이 황색 방(yellow room)으로 이동합니다.

● 황색광과 UV광이 포토레지스트를 경화시킵니다.

● 그 다음 패널은 검은 잉크의 불투명성으로 보호된 경화되지 않은 레지스트를 제거하는 기계를 통과합니다.

마지막으로, 외부 플레이트는 이전 단계에서 모든 불필요한 포토레지스트가 제거되었는지 확인하기 위해 검사를 받습니다.

11단계 – 주석 도금

10단계에서 설명한 것처럼, 패널에 다시 한 번 얇은 구리층을 전기 도금합니다. 이때 외부층 포토레지스트 단계에서 노출된 부분에 구리 전기도금이 이루어집니다. 이후 보드에 얇은 주석 보호막을 도포합니다. 주석은 외부층의 구리가 에칭 과정에서 손상되는 것을 방지하는 역할을 합니다.

12단계 – 최종 에칭

이전에 사용된 화학 용액을 다시 사용하여 레지스트 층 아래의 불필요한 구리를 제거합니다. 주석 보호 층은 필요한 구리를 보호합니다. 이 과정은 PCB 패널을 AOI(자동 광학 검사)와 납땜 작업을 위한 준비 과정입니다.

● 전기 도금법을 사용하여 구리 층을 도포합니다.

초기 구리 도금 후, 중요한 영역을 보호하기 위해 주석 도금을 사용합니다.

● PCB 보드는 구리 층이 원하는 사양을 충족하는지 확인하기 위해 자동 광학 검사(AOI)를 거칩니다.

● 구리를 산화로부터 보호하고 패널의 적절한 납땜을 돕기 위해 주석 보호막은 구리에서 제거되지 않습니다.

13단계 – 솔더 마스크 적용

이 단계는 인쇄 회로 기판의 외부 표면에 보호층을 형성하여 납땜 과정을 준비하는 데 있어 매우 중요합니다. 솔더 마스크는 주로 납땜이 필요 없는 부분을 표시해줍니다.

● PCB 패널은 불순물이나 원치 않는 구리를 제거하기 위해 세척됩니다.

● 표면에 잉크 에폭시와 솔더 마스크 필름 혼합물이 적용됩니다.

● 보드들은 솔더 마스크 포토 필름을 통과하는 UV 블래스트에 노출됩니다.

● 덮인 부분은 경화되지 않으며 나중에 제거될 것입니다.

마지막으로, 회로 기판은 오븐에 넣어 구워져 기판에 부착됩니다.

14단계 – 실크스크린 작업

실크스크린 작업은 기판에 중요한 정보를 인쇄하는 과정이므로 필수적인 단계입니다. 실크스크린이 적용된 후, PCB는 마지막 코팅 및 경화 단계를 거칩니다. 이 단계는 일반적으로 다음을 포함합니다.

● 경고 라벨

● 로고 또는 심볼

● 부품 ID

● 핀 위치 및 기타 표시

15단계 – 표면 마감

거의 완성된 PCB 패널에는 일반적으로 고객의 사양에 따라 도전체 재료의 코팅이 필요합니다. 이는 PCB에 납땜의 품질/결합력을 향상시키는 작업입니다. 이 과정을 표면 마감(Surface Finishing)이라고 합니다. 다음은 표면 마감에 일반적으로 사용되는 도전체 재료의 목록입니다.

침적은(Immersion Silver) : 신호 손실이 적고, 무연 및 RoHS 준수. 표면이 산화되고 변색될 수 있지만, 강한 표면 변색 방지제로 해결할 수 있습니다.

● 표면이 보호되지 않는 경우, 침적은의 보관 수명이 짧습니다.

● 다중 조립 공정에 적합하지 않습니다.

Hard Gold : 내구성이 뛰어나고 보관 수명이 길며, RoHS 준수 및 무연. 그러나 공정이 복잡하여 다른 표면 마감보다 비용이 많이 들며, 재작업이 불가능합니다.

HASL(Hot air solder leveling) : 비용 효율적이고 수명이 길며 재작업 가능하지만, 납이 포함되어 있어 RoHS 준수하지 않습니다.

Lead-Free HASL : 비용 효율적이고 무연, RoHS 준수 및 재작업 가능하지만, 여러 번의 리플로우/조립 공정에는 적합하지 않습니다.

● 이 과정에서는 발암성 물질인 티우레아(Thiourea)를 사용해야 합니다.

● 두께를 측정하기 어렵습니다.

ENIG(Electroless nickel immersion gold) : 가장 일반적인 표면 마감 중 하나입니다. 보관 수명이 길고, RoHS 준수하지만, 다른 옵션보다 비용이 더 많이 듭니다.

적절한 재료 선택은 설계 사양과 고객의 예산에 따라 다릅니다. 그러나 이러한 표면 마감은 PCB의 중요한 특성을 만들어 냅니다. 마감은 조립자가 전자 부품을 장착할 수 있게 도와줍니다. 또한, 금속이 구리를 덮어 공기 노출로 인한 산화를 방지합니다.

16단계 – 데스트

PCB 테스트는 제조 과정에서 매우 중요한 단계입니다. 우리는 다양한 테스트 방법을 사용하여 PCB가 제대로 작동하고 원래 설계 사양에 부합하는지 확인합니다. PCB가 최종 완료되기 전에, 기술자가 보드에 대해 전기 테스트를 수행하여 원래 설계 도면에 따라 정확히 작동하는지 확인합니다.

17단계 – 프로파일링

프로파일링은 PCB 제조 공정의 마지막 단계입니다. 이 단계까지 인쇄 회로 기판은 하나의 큰 패널 형태로 바뀝니다. 원래 설계 파일을 이용해 PCB를 개별 보드로 분리하게 됩니다(보드를 잘라내는 것). PCB 보드를 분리하는 가장 일반적인 두 가지 방법이 있습니다.

● 스코어링 : '라우팅 아웃(routing out)'이라고도 불리며, 이 방법은 회로 기판의 가장자리를 따라 여러 개의 작은 탭을 절단하는 것을 포함합니다.

● V-홈(V-Groove) : 이 기법에서는 CNC 기계가 PCB 보드의 가장자리를 따라 V자형 절단선을 만듭니다.

프로파일링 후에는 사용된 방법에 관계없이 PCB 보드를 쉽게 분리할 수 있습니다.

18단계 – 최종 품질 검사

프로파일링이 완료된 후, 각 인쇄 회로 기판은 최종 시각적 검사와 품질 검사를 받습니다. 제조업체는 최종 검사를 통과한 오류 없는 PCB를 포장하여 배송합니다.

결론

전자 기기의 설계, 생산 또는 사용에 관여하는 사람들에게는 인쇄회로기판(PCB) 제조 공정을 이해하는 것이 매우 중요합니다. 이 가이드는 PCB 제조 과정에서 필수적인 주요 요소와 단계에 대한 종합 개요를 제공했습니다.

JLCPCB 소개

JLCPCB는 고품질 PCB 제조의 선두 주자입니다. 이 회사는 단면 보드에서 복잡한 다층 보드에 이르기까지 다양한 PCB를 제조하는 데 많은 경험을 보유하고 있습니다. JLCPCB는 최첨단 장비와 공정을 통해 PCB가 최고 품질 기준을 충족하도록 보장합니다.

JLCPCB 공장 투어 비디오

https://www.youtube.com/watch?v=jTBOSob5MLg&t=360s