PCB 기초 3: PCB 제조 공정 이해

세 번째 PCB 기본 시리즈에 오신 것을 환영합니다. 이번 기사에서는 PCB 제조 과정을 단계별로 분석하여 각 단계를 명확하고 정확하게 안내할 것입니다.

JLCPCB의 첨단 제조 능력과 기술, 그리고 뛰어난 품질 보증이 어떻게 PCB 설계를 새로운 수준으로 끌어올릴 수 있는지 알아보는 이 교육적인 여정에 함께 하시길 바랍니다.

기판 선택 : 기초 다지기

PCB 제조에서 가장 중요한 단계 중 하나는 적절한 기판 재료를 선택하는 것입니다. 기판은 회로가 구성되는 기반 역할을 합니다. 설계의 전기적, 열적, 기계적 및 비용 측면의 요구 사항을 충족하는 기판 재료를 선택하는 것이 필수적입니다. 기판 재료의 선택은 PCB의 성능, 신뢰성 및 제조 가능성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.

FR-4는 우수한 전기 절연 특성과 비용 효율성 덕분에 업계에서 가장 많이 사용되는 기판 재료입니다. 이는 에폭시 수지로 함침된 유리 섬유로 구성되어 있습니다. 유리 섬유와 에폭시의 조합은 PCB에 견고하고 튼튼한 기반을 제공합니다. 또한, FR-4는 우수한 열 안정성 및 치수 안정성을 가지며, 다양한 응용 프로그램에 적합합니다.

폴리이미드(PI)와 액정 폴리머(LCP)와 같은 유연한 재료는 유연성이나 굴곡이 필요한 응용 분야에 이상적입니다. 이러한 재료는 뛰어난 내열성과 내화학성을 제공하여 항공우주, 자동차, 웨어러블 전자 기기에 적합합니다.

로저스(Rogers) 재료와 같은 특수 기판은 신호 무결성이 중요한 고주파 응용 분야를 위해 설계되었습니다. 이러한 재료는 낮은 유전 손실을 가지고 있으며 고주파에서도 일관된 성능을 제공합니다.

전기적, 열적, 기계적, 비용 요구 사항을 신중하게 고려하여 최적의 성능과 신뢰성을 보장하는 가장 적합한 기판 재료를 선택할 수 있습니다.

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레이어 이미징 및 식각 : 디자인에 형태를 부여하기

기판 선택 이후 단계는 레이어 이미징과 식각입니다. 레이어 이미징은 PCB 디자인을 기판 표면에 전사하는 과정을 의미합니다. 이 과정은 먼저 기판에 감광성 물질(photoresist)을 얇게 도포하는 것으로 시작됩니다. 이후 포토마스크(photomask)를 통해 포토레지스트를 자외선(UV)에 노출시키며, 포토마스크는 원하는 PCB 패턴을 포함하고 있습니다. UV 광은 포토레지스트에 화학 반응을 일으켜 패턴화된 층을 형성합니다.

레이어 이미징이 완료된 후, 기판 위의 불필요한 구리는 식각을 통해 제거됩니다. 식각은 기판을 에칭트(etchant) 용액에 담가 노출된 구리만 선택적으로 용해시키는 과정을 말합니다. 이는 원하는 회로 패턴을 남기기 위함입니다. 에칭트 용액에는 대개 염화철(ferric chloride) 또는 과황산암모늄(ammonium persulfate)과 같은 화학 물질이 포함되어 있습니다.

정밀한 식각을 위해, 식각 시간, 온도, 에칭트 용액의 교반을 엄격히 제어하는 것이 중요합니다. 과도한 식각은 얇거나 약한 회로 패턴을 초래할 수 있으며, 불충분한 식각은 불필요한 구리를 남겨 단락(short circuit)이나 신호 무결성(signal integrity) 문제를 일으킬 수 있습니다.

마무리 : PCB 보호 및 성능 향상

마무리 공정은 PCB를 보호하고 효율적인 조립을 가능하게 하는 데 중요한 역할을 합니다. 중요한 마무리 단계 중 하나는 솔더 마스크의 적용입니다. 솔더 마스크는 구리 트레이스를 덮어 산화, 솔더 브리징, 환경 손상을 방지하는 보호층입니다. 또한 인접한 트레이스 및 패드 사이의 절연 기능도 제공합니다.

표면 마감 기술은 PCB의 솔더 가능성을 높이고 조립 과정에서 솔더링을 용이하게 합니다. 일반적인 표면 마감 옵션으로는 HASL(Hot Air Solder Leveling), ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold), OSP(Organic Solderability Preservative)가 있습니다.

HASL은 PCB를 용융 납에 담근 후 뜨거운 공기를 이용해 과잉 납을 제거하여 구리 표면에 균일한 코팅을 남기는 방법입니다. 이 방법은 비용 효율적이며 산업에서 널리 사용됩니다.

ENIG는 뛰어난 솔더 가능성과 내식성으로 인해 선호되는 표면 마감 방식입니다. 이 방법은 구리 표면에 얇은 니켈 층을 쌓은 후 금 층을 더하는 방식입니다. 금 층은 신뢰성 있는 솔더링 표면과 우수한 전기 접촉을 제공합니다.

OSP는 유기 화합물을 사용하여 보관과 조립 과정 동안 구리 표면을 보호하는 표면 마감입니다. 비용 효율적이며 환경 친화적이지만, 좋은 솔더 가능성을 위해 추가 단계가 필요할 수 있습니다.

레전드 프린팅은 PCB에 식별 마크 및 부품 참조를 추가하는 마무리 단계입니다. 이러한 마크는 조립 및 문제 해결을 용이하게 합니다. 레전드 프린팅은 스크린 프린팅 또는 잉크젯 프린팅 같은 방법을 사용하여 수행할 수 있습니다.

적절한 마무리 기술을 선택함으로써 PCB를 환경적 및 기계적 스트레스로부터 보호하고, 조립 및 작동 중 기능성과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

첨단 제조 기술 : 한계를 넘어

PCB 제조의 기본 단계를 넘어서, 업계를 혁신하고 더 복잡하고 고성능의 PCB 생산을 가능하게 한 첨단 기술들이 있습니다.

Multilayer PCB 제조는 회로 설계가 두 개 이상의 구리 도체층(Copper Trace)을 필요로 할 때 사용되는 기술입니다. Multilayer PCB는 여러 층의 기판 재료(Substrate Material)를 구리 박막(Copper Foil)과 함께 적층하여 만들어집니다. 각 층은 원하는 회로 패턴으로 형성되며, 층 간 전기적 연결을 확립하기 위해 비아(Via)가 드릴됩니다. 층의 적층(Stack-up) 방식과 배열은 신호 무결성(Signal Integrity), 전력 분배(Power Distribution), 열 관리(Thermal Management)가 보장되도록 신중하게 설계됩니다. Multilayer PCB는 회로 밀도(Circuit Density)를 증가시키고 크기를 줄이며 전기적 성능을 개선하여 고속 통신 시스템, 컴퓨터 마더보드, 복잡한 전자 장치와 같은 첨단 응용 분야에 적합합니다.

Surface Mount Technology (SMT)는 PCB 제조에서 또 다른 주요 발전입니다. SMT는 전자 부품을 PCB 표면에 직접 실장하는 방식으로, 드릴된 구멍을 통해 리드(Lead)를 삽입하는 관통형 부품(Through-Hole Component)과는 다릅니다. SMT 부품은 일반적으로 크기가 더 작고, 무게가 가볍고, 더 효율적이며, 이는 더 높은 회로 밀도와 향상된 신호 무결성을 제공합니다. SMT 부품은 자동화된 조립 기계(Automated Assembly Machines)를 통해 PCB에 배치되며, 이는 조립 과정의 속도와 정확성을 크게 향상시킵니다. SMT 기술은 비용 효율성, 신뢰성 및 현대 제조 기술과의 호환성 덕분에 대부분의 전자 장치에서 표준이 되었습니다.

이러한 첨단 제조 기술들은 전문 장비, 숙련된 작업자, 그리고 신중한 설계 고려 사항을 필요로 합니다. Multilayer PCB 제조와 SMT 기술을 활용하여, 현대 전자 제품의 엄격한 요구 사항을 충족하는 콤팩트하고 고성능의 PCB 설계를 달성할 수 있습니다.

품질관리 조치 및 검사 방법

품질 관리는 최종 제품이 최고의 성능과 신뢰성을 갖추도록 보장하는 PCB(Printed Circuit Board) 제조의 중요한 요소입니다. 제조 공정 전반에 걸쳐 여러 품질 관리 조치와 검사 방법이 사용되어 결함을 감지하고 예방합니다.

시각 검사는 품질 관리의 초기 단계로, 숙련된 인력이 PCB를 육안으로 검사하여 눈에 보이는 결함을 확인합니다. 여기에는 구성 요소의 정렬, 납땜 접합 상태, 솔더 마스크 적용 여부, 물리적 손상 또는 이상 유무를 점검하는 것이 포함됩니다.

자동 광학 검사(AOI)는 고해상도 카메라와 정교한 소프트웨어 알고리즘을 활용하여 PCB의 결함을 검사하는 보다 정밀한 방법입니다. AOI 시스템은 PCB 이미지를 캡처하여 예상 설계 매개변수와 비교합니다. AOI는 누락된 부품, 잘못 정렬된 부품, 납땜 접합 결함 및 극성 오류를 감지할 수 있습니다. AOI는 수동 시각 검사에 비해 더 빠르고 정확한 검사 결과를 제공합니다.

X-레이 검사는 비아(via), BGA(Ball Grid Array) 납땜 접합 및 내부 층과 같은 PCB의 숨겨진 내부 특징을 검사하는 데 사용됩니다. X-레이 검사는 비파괴 검사를 가능하게 하며, 특히 복잡하거나 고밀도 설계에서 납땜 접합의 품질과 완전성에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

인서킷 테스트(ICT)는 조립된 PCB의 개별 구성 요소와 연결의 전기적 기능을 검증하기 위해 수행됩니다. ICT는 PCB의 특정 테스트 지점에 접촉하는 특수 테스트 프로브를 사용합니다. 제어된 전압과 전류를 적용하여 ICT 시스템은 결함이 있는 구성 요소, 단선 또는 단락, 기타 전기적 문제를 식별할 수 있습니다.

기능 검사는 품질 관리의 최종 단계로, 조립된 PCB를 실제 운영 조건에서 테스트하여 기능과 성능을 확인합니다. 기능 검사는 다양한 입력을 시뮬레이션하고 대응 출력을 측정하여 PCB의 적절한 동작을 검증합니다.

신뢰성 있는 품질 관리 조치와 검사 방법을 구현함으로써 JLCPCB와 같은 PCB 제조업체는 고객의 기대와 산업 표준을 충족하는 고품질 및 신뢰할 수 있는 PCB를 제공할 수 있습니다.

결론

PCB 제조 과정은 기판 선택, 레이어 이미지화, 에칭, 마감 및 품질 관리를 포함한 여러 정교한 단계를 거칩니다. 각 단계는 현대 전자 기기의 요구를 충족하는 고품질 PCB를 제작하는 데 중요한 역할을 합니다.

JLCPCB는 첨단 제조 기술과 품질 보증에 대한 헌신으로, PCB 설계 실현에 있어 신뢰할 수 있는 파트너입니다.

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