표면실장 vs 스루홀: PCB 엔지니어를 위한 완벽한 기술 비교

빈티지 전자기기, 예를 들어 오래된 진공관 라디오나 클래식 앰프를 열어본 적이 있다면, 긴 리드가 PCB를 관통하여 반대쪽에서 단단히 솔더링된 부품들이 빼곡히 늘어선 모습을 보셨을 것입니다. 이것이 바로 수십 년간 전자기기의 기반이 되어온 스루홀기술(THT)입니다.

이제 현대의 스마트폰이나 고속 임베디드 시스템의 내부를 살펴보세요. PCB 표면에 평평하게 배치된 표면실장기술(SMT) 부품들의 밀집된 배열을 발견하실 수 있으며, 이는 마치 회로로 이루어진 축소된 도시를 이루고 있습니다.

THT에서 SMT로의 진화는 소형화, 자동화, 고성능 전자기기를 향한 끊임없는 발전을 보여줍니다. SMT가 오늘날의 대량 생산 제품을 지배하고 있지만, 엔지니어는 여전히 두 조립 방식 모두에 능숙해야 합니다.

표면실장 vs 스루홀 사이의 선택은 단순히 오래된 것과 새로운 것의 문제가 아니라, 전기적 성능, 기계적 신뢰성, 열 관리, 전체 비용에 영향을 미치는 중요한 설계 트레이드오프입니다. 견고한 THT 커넥터를 사용할 때와 고밀도 SMT 프로세서를 사용할 때를 이해하는 것은 기능적이면서도 내구성 있는 제품을 설계하는 데 필수적입니다.

이 가이드는 엔지니어가 정보에 기반한 PCB 설계 결정을 내릴 수 있도록 SMT와 THT 기술에 대한 종합적인 기술 비교를 제공합니다.

표면실장기술 vs 스루홀기술: 기술적 차이

각 기술을 개별적으로 살펴보았지만, 실제 엔지니어링 결정은 두 기술을 정면으로 비교할 때 이루어집니다. 표면실장기술(SMT)과 스루홀기술(THT) 사이의 선택은 신호 무결성, 신뢰성, 제조 용이성, 비용에 직접적인 영향을 미칩니다.

제공된 차트를 기반으로 한 분석은 명확합니다:

스루홀기술의 높은 기생 인덕턴스(10nH)는 고주파 신호를 차단하는 상승형 임피던스를 만들어내며, 높은 기생 커패시턴스(2.0pF)는 노이즈로 인한 크로스토크를 허용하는 하강형 임피던스를 만들어냅니다.

표면실장기술은 한 자릿수 더 낮은 기생값(1.0nH와 0.5pF)을 가지고 있어 이러한 신호 무결성 문제를 모두 피할 수 있습니다. 이로 인해 SMT는 모든 고속 디지털 또는 RF 설계에서 필수적이고 기술적으로 우수한 선택이 됩니다.

주파수에 따른 유도성 리액턴스의 변화

주파수에 따른 용량성 리액턴스의 변화

SMT vs THT: 주요 성능 요인

제조 공정에서의 SMT vs THT

현대 전자기기 설계에서 SMT, THT, 하이브리드 조립을 사용해야 할 곳

일반적으로 SMT나 THT를 사용할지 결정하는 것은 선호도의 문제가 아니라 애플리케이션의 환경적·기술적 요구 사항에 달려 있어야 합니다. SMT가 대부분의 현대 전자기기에서 확실히 가장 강력한 입지를 차지하고 있지만, THT 기술은 여전히 일부 제한된 애플리케이션에서 필수적입니다.

어떤 기술을 선택할지는 전기적 성능 요구 사항, 기계적 제약, 전력 처리, 생산 규모를 기준으로 결정해야 합니다. 많은 경우, THT와 SMT 패키지를 함께 조합하여 사용하는 것이 가장 합리적입니다.

표면실장기술(SMT) 애플리케이션

SMT는 크기를 줄이고 고주파 성능을 향상시키는 것이 목표인 상황을 위해 설계되었습니다.

• 고밀도 전자기기: SMT 패키지의 작은 풋프린트 덕분에 스마트폰, IoT 모듈, 웨어러블 의료기기와 같은 소형화된 제품을 만들 수 있습니다. 공간이 매우 귀중한 경우가 많습니다.
• 고속 및 RF 회로: SMT 패키지의 낮은 기생 인덕턴스는 고속 디지털 인터페이스(예: DDR 메모리)와 RF 시스템(예: Wi-Fi, 5G)에서 신호 무결성을 유지하기 위한 물리적 요구 사항입니다.

스루홀기술(THT) 애플리케이션

THT는 기계적 하중이나 높은 전력 정격을 받는 부품을 위한 솔루션입니다.

• 전력 전자기기: THT는 대형 커패시터, 트랜스포머, 그리고 방열판에 나사로 고정하여 높은 전류와 방열을 처리할 수 있는 전력 패키지(TO-220 등)에 사용됩니다.
• 기계적 인터페이스 및 가혹한 환경: THT의 기계적 고정력은 커넥터, 대형 스위치, 그리고 자동차나 기타 산업용 애플리케이션에서 진동과 충격, 물리적 장력을 견뎌야 하는 부품에 뚜렷한 이점을 제공합니다.
• 프로토타이핑 및 수리: THT는 수작업 솔더링에 적합하여, 실험실이나 교육용 키트, 그리고 현장에서의 운영상 서비스 용이성이 설계에서 중요한 회로에 적절한 방식입니다.

하이브리드 애플리케이션(동일 보드에 SMT + THT)

현대 PCB는 밀도, 신뢰성, 전력 요구 사항을 극대화하기 위해 다음과 같이 혼합 기술을 자주 사용합니다:

• 소비자 기기: 모든 IC와 수동 부품에는 SMT를, I/O 커넥터와 충전 포트에는 THT를 사용합니다.
• 산업용 컨트롤러: SMT 마이크로컨트롤러와 센서 + THT 릴레이와 단자대.
• 통신 장비: 고주파 회로에는 SMT를, 광 커넥터와 고전류 DC 전력 입력에는 THT를 사용합니다.

JLCPCB 는 하이브리드 조립 역량을 제공하여, 설계자가 별도의 수작업 재작업 없이 하나의 워크플로우 안에서 SMT IC와 THT 전력 소자 및 커넥터를 결합할 수 있게 해줍니다.

표면실장기술이란 무엇인가?

드릴링된 구멍이 필요한 스루홀기술(THT)과 달리, 표면실장기술(SMT)은 표면실장소자(SMD)를 PCB 구리 패드에 직접 솔더링합니다. SMT는 긴 리드 대신 짧은 단자, 패드, 솔더 볼을 사용하여 기생 효과를 제한하고 고밀도 다층 PCB 레이아웃을 가능하게 합니다.

THT가 오래전부터 이어져 온 전자기기의 기반(그리고 어쩌면 PCB와 전자기기를 만드는 더 견고한 방식)이라면, SMT는 소형화와 고성능을 이끄는 첨단 기술의 엔진입니다. SMT는 오늘날 사용되는 지배적인 PCB 설계 및 조립 기술입니다. PCB 설계자나 임베디드 시스템 엔지니어라면 SMT 설계에 대한 기본적인 지식과 경험이 필요합니다.

PCB에 실장된 SMD 부품

현대 PCB 조립에서 표면실장기술(SMT)의 진정한 가치는 확장성과 접근성에 있습니다. SMT 라인과 장비에 대규모로 투자하는 대신, 엔지니어는 고속 픽앤플레이스 자동화, 리플로우 솔더링, AOI/X-레이 검사를 결합한 JLCPCB SMT 조립과 같은 전문 서비스를 활용하여 설계를 신속하게 신뢰성 있는 프로토타입과 대규모 생산 보드로 전환할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 비용을 최소화하고, 납기를 단축하며, 일관된 제조 품질을 보장합니다.

PCB SMT 조립 공정은 다음과 같습니다:

1. 스텐실 프린팅: 레이저로 절단된 구멍이 있는 스테인리스 스틸 스텐실이 PCB 위에 위치합니다. 도포 기계를 사용하여 솔더 페이스트(미세한 솔더 구슬과 플럭스로 이루어진 페이스트)를 스텐실 위에, 각 부품 패드에 정해진 양만큼 도포합니다.

2. 픽앤플레이스: 솔더 페이스트가 도포된 보드는 픽앤플레이스 기계로 이동합니다. 이는 진공 노즐을 이용해 릴과 트레이에서 개별 SMD를 집어, 끈적한 솔더 페이스트 위에 매우 높은 정밀도로 배치하는 고속 로봇입니다.

3. 리플로우 솔더링: 솔더 페이스트가 도포된 조립 보드는 리플로우 공정을 거치며, 전체 보드 조립체가 길고 여러 구역으로 나뉜 리플로우 오븐을 통과합니다. 온도는 먼저 플럭스를 활성화한 다음 솔더 페이스트를 녹이도록 세심하게 제어됩니다.

4. 검사: 자동광학검사(AOI)와 X-레이(BGA, QFN용)를 통해 배치의 정확성과 솔더 접합부의 품질을 보장합니다.

표면실장기술(SMT)의 전기적 성능

SMT 부품의 짧은 상호연결 길이는 기생 효과를 극적으로 줄여줍니다:

• 더 낮은 인덕턴스: 0.2mm 솔더 접합부의 경우 기생 인덕턴스는 일반적으로 1nH 미만이며, 이는 5mm THT 리드의 약 10nH와 대비됩니다.
• 줄어든 커패시턴스: 더 작은 패드 간격은 기생 커패시턴스를 최소화하여 GHz 대역 회로의 신호 무결성을 향상시킵니다.
• 제어된 임피던스: SMT 패키지(예: 50Ω RF 커넥터, 칩 저항)는 고속 디지털 및 RF 설계에서 정밀한 임피던스 매칭을 가능하게 합니다.

예시:
100MHz에서 1nH의 인덕턴스는 다음과 같은 결과를 가져옵니다:

이는 동일한 주파수에서 10nH THT 리드의 62.8Ω 리액턴스와 비교했을 때 관리 가능한 수준입니다.

표면실장기술의 열적·기계적 신뢰성

• 열 사이클링: SMT의 작은 솔더 접합부는 기존 THT 부품보다 부품 본체(세라믹, 플라스틱)와 PCB 기판(FR-4, 폴리이미드) 사이의 팽창 불일치에 더 민감합니다. 반복적인 열 부하는 특히 BGA 패키지에서 솔더 피로 균열을 유발할 수 있습니다.

• 진동과 충격: THT와 비교했을 때 SMT 접합부는 고정력이 더 약합니다. MLCC(세라믹 커패시터)와 같은 부품은 취성이 있어 휘거나 떨어뜨리면 균열이 생기기 쉽습니다. 설계자는 진동이나 낙하 충격을 최소화하기 위해 언더필 소재(BGA 아래의 에폭시)나 보강재를 보드에 흔히 사용합니다.

• 방열: SMT 패키지의 전력 처리는 열전도를 돕는 스루홀 리드 없이 서멀 패드에 의존합니다. 즉, 서멀 패드는 핀 간 열 한계를 가지는 반면, 패드의 비아는 열을 내부 구리 평면으로 전달합니다. 노출 패드가 있는 QFN 패키지가 그 예로, 서멀 비아 어레이 위에 실장할 경우 θJA(접합부-주변 열저항)가 30–50% 감소하는 효과를 볼 수 있습니다.

일반적인 SMT 패키지 유형

• 칩 저항기/커패시터 → 0201, 0402, 0603, 0805.
• IC 패키지 → SOIC, TQFP, QFN, BGA.
• 개별 반도체 → SOT-23, SOD-123.
• 특수 SMD → RF 필터, MEMS 센서, 오실레이터.

일반적인 SMD 패키지

표면실장기술(SMT) 조립의 일반적인 문제와 한계

• 수작업 조립의 어려움: 작은 SMT 부품을 수작업으로 솔더링하거나 교체하려면 안정된 손놀림과 대개 확대경이 필요하며, 솔더 패드를 손상시키지 않고 안전하게 작업하기 위해 열풍 리워크 스테이션과 같은 매우 전문적인 SMD 솔더링 도구가 필요한 경우도 있습니다. 이는 특히 BGA나 QFN과 같은 리드리스 패키지에서 두드러집니다.

• 방열 한계: SMT 전력 소자는 TO-220 패키지처럼 방열판에 연결할 금속 탭이 없습니다. 대신 SMT 소자는 PCB 구리 두께와 비아를 이용해 열을 분산시킵니다. 레이아웃이 잘못 설계되면 열폭주가 발생할 수 있습니다.

• 검사의 복잡성: BGA(볼그리드어레이)나 유사 패키지 아래의 솔더 접합부는 부품 본체 아래에 위치합니다. 보이드, 헤드인필로우 결함, 콜드 조인트와 같은 불량 솔더 접합부 유형은 육안으로 검사할 수 없어, 이러한 결함을 감지하려면 X-레이 검사 시스템이 필요합니다.

• 재작업의 어려움: 미세 피치 SMT IC를 제거하거나 교체하려면 열풍 또는 적외선 리워크 스테이션이 필요합니다. 먼저 보드를 예열한 다음, 열풍이나 적외선 열을 가해 부품을 제거합니다. 열이 과도하면 패드가 손상되어 회로기판을 폐기해야 할 수도 있습니다.

• 습기 민감성: 일부 SMT 패키지, 특히 플라스틱 BGA와 QFN은 보관 중 습기를 흡수할 수 있습니다. 이러한 패키지를 적절한 MSL(습기 민감도 등급) 베이킹 규격 없이 리플로우하면 "팝콘 현상"이 발생할 수 있습니다. 팝콘 현상은 패키지 내부의 수증기 팽창으로 인한 내부 박리로 인해 발생합니다.

스루홀기술(THT)이란 무엇인가?

스루홀기술(THT)은 전자 부품 실장을 위한 최초의 표준화된 방식입니다. PCB에 도금 관통홀(PTH)을 뚫고, 부품 리드를 배치한 다음, 구리 패드에 솔더링하는 과정으로 이루어집니다. THT는 기계적 강도와 고전력이 요구되는 애플리케이션에서 여전히 확고한 우위를 유지하고 있습니다.

PCB에 실장된 스루홀 저항기

THT 조립 공정은 SMT와 근본적으로 다릅니다:

1. 드릴링과 도금: PCB를 관통하여 드릴링하고, 내부 표면을 구리로 도금하여 PTH를 만듭니다. 상하 레이어에서 구멍을 둘러싼 나머지 구리 링 부분을 환형 링(annular ring)이라고 합니다.

2. 부품 리드 삽입: 부품 리드는 반자동 또는 수동으로 PTH를 통해 삽입됩니다. 이는 비용과 확장성의 근본적인 요소입니다.

3. 솔더링: 보드가 결합되어 최종 회로가 완성됩니다. 대량 생산에서는 보드 하단이 용융된 솔더의 파도 위를 통과하는 웨이브 솔더링을 사용합니다. 단점은 보드 전체가 상당한 열 응력에 노출된다는 것입니다. 더 최근의, 더 정밀한 대안은 국소적인 솔더 분수를 이용해 선택된 리드만 연결하는 선택적 솔더링으로, 보드의 다른 취약한 부품에 가해지는 열 충격을 줄여줍니다.

형성된 금속학적 결합은 솔더를 리드와 홀 배럴 전체에 확장시켜 PCB 패드와 강한 금속간화합물(IMC)을 형성하며, 특정 응력 상태에서 SMT보다 향상된 접합 신뢰성을 THT에 제공합니다.

스루홀 솔더링 기법 예시, PCB 하단의 솔더 접합부를 보여줌.

스루홀기술(THT)의 전기적 성능

기계적 강도에도 불구하고, THT의 긴 리드와 홀 형상은 여러 기생 효과를 유발합니다:

• 기생 인덕턴스(L): 더 긴 리드는 루프 인덕턴스를 높이며, 이는 고속(100MHz 이상)으로 동작하는 회로에서 기생 인덕턴스(L)에 따라 문제가 됩니다.
• 기생 커패시턴스(C): 더 큰 리드 간 및 리드-접지 간 간격은 용량성 결합을 강화합니다.
• 신호 반사: 고주파 PCB에서 비아는 전송선 스텁처럼 작용하여 임피던스 불일치를 유발합니다.

예시:
리드 길이 5mm인 표준 유연 저항기를 살펴보겠습니다:

20nH/cm는 자유공간에서 일반적인 직선 도선 인덕턴스의 경험적 상수입니다.

충분히 높은 주파수에서, 이 인덕턴스는 유도성 리액턴스로 전환됩니다:

따라서 100MHz에서 이 인덕턴스는 약 6.28Ω의 리액턴스에 해당하며, 이는 RF 회로 신호를 왜곡시키기에 충분한 수준입니다.

스루홀기술의 기계적·열적 신뢰성

• 내진동성: 리드가 보드를 관통하여, 표면 솔더 패드보다 부품을 더 단단히 고정합니다. 항공우주 및 자동차 전자기기에서는 진동이 있는 모듈에 여전히 THT가 요구됩니다.
• 열 사이클링: 더 많은 양의 솔더는 더 큰 열용량을 가지므로 솔더 피로에 덜 취약합니다.
• 방열: TO-220 스타일 패키지는 리드와 그에 부착된 방열판을 이용해 전력을 효율적으로 방출합니다.

-40°C~+125°C 열 사이클링 조건에서 SMT vs THT 솔더 접합부의 피로 수명 비교

일반적인 스루홀 패키지 유형

• 축형(저항기, 다이오드): 자동 리드 삽입 및 성형 장비에 적합합니다.
• 레이디얼형(커패시터, LED): 컴팩트한 배치이지만 여전히 드릴링이 필요합니다.
• 듀얼 인라인 패키지(DIP): 구식 IC 패키징으로, 일반적으로 소켓에 장착됩니다.
• TO-220 / TO-247: 전력 반도체로, SMPS와 모터 드라이브에 널리 사용됩니다.
• 고전류 커넥터 및 릴레이: 밀도보다 기계적 강도가 더 중요한 경우.

현대 PCB 설계에서 스루홀기술의 한계

• 라우팅 방해: 비아가 내부 레이어의 라우팅 채널을 차지하여 밀집된 다층 PCB 설계를 어렵게 만듭니다.
• 조립 비용: 대량 생산에서 홀 드릴링은 PCB 제조 비용의 최대 30–40%를 차지할 수 있습니다.
• 낮은 밀도: 부품 최소 피치가 약 2.54mm(0.1인치)로, 오늘날의 컴팩트한 설계에는 적합하지 않습니다.
• 느린 자동화: THT 픽앤플레이스 기계가 존재하지만, SMT 대비 훨씬 느리고 비용이 더 많이 듭니다.

결론

표면실장 vs 스루홀에 대한 논의는 승자를 가리는 문제가 아니라, 해당 작업에 적합한 도구가 무엇인지 아는 문제입니다.

표면실장기술(SMT)은 소형화와 고주파 성능에서 명백한 승자이며, 현대 전자기기의 밀집되고 고속화된 핵심부를 설계할 때의 기본 선택이 되었습니다. 반면 스루홀기술(THT)은 뛰어난 기계적 고정력과 더 높은 전력 처리 능력으로, 실제 세계와의 기계적 인터페이스가 되는 매우 견고한 커넥터와 고전력 전자기기를 설계할 때 항상 중요한 기술로 남을 것입니다.

결국, 앞으로의 전기 PCB 설계 작업에서는 표면실장이냐 스루홀이냐의 문제가 아니라, 하나의 PCB에서 표면실장과 스루홀을 함께 활용하는 정교한 하이브리드 방식을 통해 여전히 밀집되고, 고성능이며, 견고한 최종 제품을 만들어내는 것이 중요해질 것입니다.

자주 묻는 질문

Q1: SMT와 THT 중 어느 기술이 더 나은 열 관리를 제공하나요?

어느 한 기술이 본질적으로 우월한 것은 아니며, 단지 열을 다르게 처리할 뿐입니다. 스루홀기술(THT) 부품은 외부 방열판에 쉽게 부착하거나 리드를 통해 더 나은 열전도를 활용할 수 있습니다. 반면 표면실장기술(SMT) 부품은 서멀 비아, 구리 평면, 열확산 레이어와 같은 PCB 수준의 열 설계에 의존하여 효과적으로 열을 방출합니다.

Q2: 왜 부품이 PCB 양면에 배치되는 경우가 있나요?

양면 부품 배치는 설계자가 최대의 부품 밀도를 달성할 수 있게 해주는 표면실장기술(SMT)의 고유한 장점입니다. 이는 스마트폰, IoT 기기, 소형 의료기기와 같이 보드의 매 제곱밀리미터가 중요한 소형화된 전자기기에서 특히 필수적입니다.

Q3: SMT 작업을 시작하는 데 필요한 필수 도구는 무엇인가요?

최소한 파인팁이 달린 온도 조절 솔더링 인두, 파인포인트 핀셋, 플럭스, 솔더 위크가 필요합니다. 더 작은 패키지를 다룰 때는 확대경이나 현미경, 열풍 리워크 스테이션, 솔더 페이스트 스텐실을 추가하면 정밀도와 안전성이 크게 향상됩니다.

Q4: 부품의 SMT 버전과 THT 버전은 전기적으로 동일한가요?

주요 전기적 기능(예: 1kΩ 저항기)에 있어서는 동일하게 동작합니다. 하지만 기생 특성은 크게 다릅니다. THT 저항기는 리드가 더 길어 기생 인덕턴스가 더 높으며, 이는 고주파나 RF 회로에서 성능을 저하시킬 수 있습니다. SMT 저항기는 기생값이 훨씬 낮아 고속 설계에 더 선호되는 선택입니다.