대부분의 엔지니어는 PCB에 층을 추가하는 것은 단순히 더 적은 공간에 더 많은 회로 패턴을 집어넣는 것이라고 생각합니다. 하지만 이는 잘못된 생각입니다. 2층 기판에서 4층 기판으로 넘어가는 것은 회로 전체의 전기적 동작 방식을 완전히 바꿔놓습니다. 회로를 보호하는 전용 평면이 생기기 때문입니다. 이는 시제품 제작 비용 차이인 20달러보다 훨씬 더 중요한 변화입니다.

표준 4층 PCB 스택업이란 무엇입니까?

아무도 미리 알려주지 않는 사실이 하나 있습니다. 4층 기판의 층 배열은 무작위가 아닙니다. 구리 시트를 아무렇게나 쌓아 올려서는 좋은 성능을 기대할 수 없습니다.

표준 구조는 다음과 같은 샌드위치 패턴을 따릅니다. 

최상단 신호층 → 프리프레그 → 접지면 → 코어 → 전원면 → 프리프레그 → 최하단 신호층.

레이어 1 상단

 주요 신호 레이어입니다. 부품들이 여기에 배치되고, 배선이 이쪽으로 지나갑니다. 부품 패드에 접근해야 하므로 대부분의 배선 작업이 이 레이어에서 이루어집니다.

레이어 2 내부

 접지면. 이 전체 구리판은 GND에 연결됩니다. 왜 전체 층을 접지에 할애할까요? 고주파 신호는 바로 아래에 견고한 귀환 경로가 필요하기 때문입니다. 신호가 1층을 통과하면 귀환 전류는 바로 아래 2층을 통해 흐릅니다. 이렇게 하면 작은 루프 영역이 생성되어 EMI 문제가 발생하기 전에 차단됩니다.

 엔지니어들이 평면 대신 접지 그리드를 사용하려고 시도한 설계를 본 적이 있을지도 모릅니다. 결과는 참담했습니다. 신호 무결성 문제 때문에 회로 기판을 세 번이나 수정해야 했습니다.

레이어 3 내부

전원 평면은 일반적으로 설계에 따라 3.3V, 5V 또는 12V와 같은 메인 VCC 레일에 연결됩니다. 이 평면은 최소한의 임피던스로 보드 전체에 전원을 공급합니다. 따라서 두꺼운 전원 트레이스로 인해 배선 공간이 낭비되지 않고 모든 IC에 안정적인 전압이 공급됩니다. 일부 설계에서는 이 레이어를 3.3V와 5V처럼 여러 전압으로 분할하기도 합니다. 분할된 부분 사이에 적절한 간격을 유지하면 문제없이 작동합니다.

4층 하단

 보조 신호 레이어입니다. 레이어 1이 가득 찼거나 BGA 팬아웃 용량을 초과해야 할 때 이 레이어로 배선합니다. 맨 아래 레이어에는 커넥터와 테스트 포인트도 있습니다.

중심부는 코어입니다. 이는 일반적으로 표준 1.6mm 보드에서 1.0mm 두께의 견고한 FR-4 기판 소재입니다. 프리프레그 층은 접착제 역할을 합니다. 이 반경화 유리 섬유 시트는 라미네이션 공정에서 열과 압력을 받아 고체 유전체로 변하면서 모든 구성 요소를 접착합니다.

일부 제조업체는 대안으로 신호-접지-전원-신호(Signal-Ground-Power-Signal) 구성을 제시합니다. 기술적으로는 작동은 하지만, 표준 신호-접지-전원-신호 구조는 두 신호 레이어가 기준면 바로 옆에 위치하기 때문에 혼합 신호 설계에서 더 나은 성능을 보입니다. 이는 전자기 루프를 더욱 견고하게 만들어 줍니다.

이 적층 구조에 대해 한 가지 더 말씀드리자면, 제조 과정에서 대칭성이 중요합니다. 구리를 한쪽에만 집중시키면 리플로우 과정에서 기판이 휘어집니다. 타입 1 방식은 구리 분포를 위아래로 균형 있게 유지하여 조립 과정에서 휘어짐을 방지합니다. 

4층 PCB vs. 2층 PCB: 업그레이드해야 하는 이유는 무엇일까요?

2층 기판을 설계합니다. 실험실 테스트에서는 정상 작동합니다. 하지만 500개를 생산하고 나면 EMC 테스트에서 모두 불합격 판정을 받습니다. 이런 경험, 익숙하시죠?

신호 무결성

 고속 신호는 2층 기판에 적합하지 않습니다. 2층 설계에서 100MHz SPI 버스나 USB 2.0 차동 쌍을 실행할 경우, 귀환 전류는 제공된 접지 경로를 통해 되돌아가야 합니다. 일반적으로 이는 접지 트레이스를 따라 길고 구불구불한 경로를 의미합니다. 이로 인해 노이즈를 방출하고 간섭을 받는 거대한 루프 안테나가 생성됩니다. 

4층 기판에서 귀환 전류는 접지면을 통해 신호 트레이스 바로 아래로 흐릅니다. 루프 면적이 거의 없어지므로 오실로스코프에서 신호 단자가 깨끗하게 나타납니다.

EMI 차폐

내부 접지면과 전원면은 차폐막 역할을 합니다. 전자기장이 공간으로 방출되는 것을 막고 층 사이에 가두는 역할을 합니다. 동일한 회로를 2층 기판과 4층 기판에서 테스트해 보세요. 일반적으로 4층 기판에서 방사 방출이 15~20dB 정도 더 우수합니다. 이것이 FCC Part 15 Class B 제한을 통과하느냐 못하느냐의 차이입니다.

밀도

4층 기판을 사용하면 라우팅 레이어가 2개가 아닌 4개가 됩니다. 당연히 기판 크기를 줄일 수 있죠. 하지만 진정한 이점은 0.5mm 피치의 BGA나 QFN 패키지와 같은 고밀도 부품을 사용할 때 발생하는 문제를 해결할 수 있다는 점입니다. 2층 기판에서는 패드 사이로만 배선해야 하지만, 4층 기판에서는 비아를 생성하고 내부 레이어로 배선을 확장하여 복잡한 배선망을 피할 수 있습니다.

 2층 구조에서 80mm × 60mm 크기가 필요한 설계도 4층 구조에서는 60mm × 45mm 크기로 제작할 수 있는 경우가 많습니다. 이러한 기판 면적 감소는 수천 장을 생산할 때 개당 높은 비용을 상쇄할 수 있습니다.

열 관리

구리는 FR-4보다 열전도율이 200배 더 뛰어납니다. 내부 평면은 전압 레귤레이터나 MOSFET 아래에 열이 집중되는 대신 기판 전체에 열을 분산시킵니다. 3A 이상의 전류를 출력하는 파워 서플라이의 경우 이는 매우 중요합니다. 열 비아를 사용하여 내부 구리 평면에 열을 전달하면 방열판을 생략할 수도 있습니다. 저는 12V 파워 서플라이 설계에서 알루미늄 방열판 대신 3번 레이어에 열을 전달함으로써 BOM 비용을 1.50달러 절감했습니다.

비용 차이가 얼마나 나는지 궁금하시죠? 대부분의 중국 제조업체에서 시제품 제작 시 4층 기판은 2층 기판보다 개당 15~30달러 더 비쌉니다. 1000개 이상 대량 생산 시에는 개당 2~4달러 정도 추가됩니다. 반면, EMC 테스트에서 한 번이라도 불합격하면 재테스트 비용만 3000~5000달러가 소요됩니다. 계산해 보세요.

주요 설계 사양 및 재료 선정

FR-4는 표준 소재입니다. 더 이상 설명이 필요 없죠. 4층 기판의 약 95%가 FR-4를 사용하는데, 그 이유는 FR-4가 특수 소재에 비해 가격이 10분의 1밖에 되지 않기 때문입니다.

FR-4 강재는 TG130, TG150, TG170 등 다양한 Tg 등급으로 표기됩니다. Tg는 강재가 연화되기 시작하는 유리 전이 온도입니다. 일반적인 소비자 제품에는 TG130~TG140 등급의 강재가 적합합니다. 하지만 고온 환경이나 엔진 근처에 설치되는 자동차 또는 산업용 장비에는 TG170 등급의 강재가 필요합니다. Tg 등급이 높은 강재는 일반 강재보다 15~20% 비싸지만, 주변 온도가 105°C에서 130°C에 달할 때에도 안정적인 성능을 제공합니다.

1GHz 이상의 RF 설계에는 Rogers 소재가 사용됩니다. Rogers 4350B는 FR-4보다 약 8~12배 비쌉니다. 마이크로스트립 안테나나 임피던스가 중요한 전송선로와 같이 유전 상수 제어가 매우 중요한 경우에 사용됩니다. 

보드 두께

표준 두께는 1.6mm입니다. 이 두께는 케이스의 표준 PCB 슬롯에 맞고 수작업 조립에 필요한 기계적 강성을 제공합니다. 웨어러블 기기와 같은 초박형 장치의 경우 0.8mm, 비용에 민감한 설계의 경우 1.0mm, 고전류 전원 보드의 경우 2.0mm 두께를 주문할 수 있습니다. 다만 1.6mm보다 얇은 두께를 사용하면 조립 과정에서 보드가 더 많이 휘어져 대형 부품의 납땜 접합부가 균열될 수 있다는 점에 유의하십시오.

구리 무게

일반적으로 외부 레이어에는 1온스(oz)의 구리가 사용됩니다. 이는 적절한 트레이스 폭에서 트레이스당 3~4A의 전류를 처리할 수 있습니다. 내부 전원 및 접지면에도 보통 1온스 구리가 사용되지만, 일부 제조업체는 비용 절감을 위해 내부 레이어에 0.5온스(oz)를 기본으로 사용하는 경우도 있습니다. 견적서에서 이 부분을 확인하십시오. 

10A 이상의 고전류 설계를 위해서는 2온스 또는 3온스 구리를 주문할 수 있지만, 비용이 더 많이 들고 두꺼운 구리는 미세한 패턴을 에칭하기 어렵기 때문에 최소 트레이스 폭이 제한됩니다.

임피던스 제어

4층 기판이 빛을 발하는 부분이 바로 여기입니다. USB, 이더넷, HDMI 또는 DDR 메모리에는 임피던스 제어가 필요합니다. 계산기는 기판의 적층 구조를 기반으로 트레이스 폭을 계산해 줍니다. 1온스 구리층과 10밀 간격의 유전체를 사용하는 4층 기판에서 일반적인 50Ω 마이크로스트립은 약 12~15밀의 폭을 가집니다. 제조업체는 임피던스 제어를 위해 50~150달러의 추가 비용을 청구하는데, 이는 시편 테스트 및 결과 인증이 필요하기 때문입니다.

임피던스 제어를 원한다면 제조 업체에 스택업 사양을 제공해야 합니다. 유전체 두께와 Er 값을 명시하지 않고 "50옴이 필요합니다"라고만 말하면 업체는 추측만 할 수밖에 없고, 그 추측이 틀리는 경우가 많습니다.

제조 능력

설계의 완성도는 제조 시설의 실제 생산 능력에 달려 있습니다. 다음은 2026년 기준, 괜찮은 중국 제조업체들의 표준 4층 적층 제조 능력입니다.

최소 추적

 4mil/4mil은 대부분의 업체에서 추가 비용 없이 구현 가능합니다. 이를 통해 0.5mm 피치의 BGA 패드 사이를 라우팅할 수 있습니다. 3mil/3mil 또는 2.5mil/2.5mil까지도 가능하지만, 추가 비용과 납기 연장이 예상됩니다. 대부분의 설계에서는 5mil/5mil 또는 6mil/6mil이 적절하며 비용 절감에도 도움이 됩니다.

최소 구멍 크기

 기계식 드릴링은 직경 0.2mm까지 가능합니다. 그보다 작은 직경은 레이저 드릴링이 필요하며, 이로 인해 비아 비용이 세 배로 증가합니다. 표준 비아는 0.3mm 구멍에 0.6mm 패드를 사용합니다. 이러한 방식은 저렴하고 신뢰성이 높습니다.

표면 마감

 HASL은 비용이 가장 저렴하지만 표면이 고르지 않아 0.5mm 미만의 미세 피치 부품에 문제가 발생할 수 있습니다. ENIG는 시제품 제작 비용에 15~25달러를 추가하지만 12개월 이상 보관이 가능한 평평하고 산화 방지 기능이 있는 표면을 제공합니다. 

ENIG는 QFN 또는 BGA를 사용하는 모든 제품에 사용할 수 있습니다. OSP는 가격과 보관 수명 면에서 중간 정도이며, 보관 수명은 6개월입니다. 침적 은은 ENIG와 유사한 성능을 보이면서 가격은 약간 더 저렴하지만 변색이 더 빨리 일어납니다.

솔더 마스크 색상

 녹색은 표준 색상으로 무료입니다. 검정색은 전문적인 느낌을 주지만 마스크 아래의 회로를 볼 수 없어 검사가 어렵습니다. 흰색은 빛을 반사하기 때문에 LED 회로 기판에 적합합니다. 파란색과 빨간색은 미적인 선택으로 시제품 제작 비용이 10~20달러 정도 추가됩니다. 무광 검정색은 최근 소비자 제품에서 유행하는 색상이지만 가격이 더 비쌉니다.

블라인드 및 매립 비아

 대부분의 4층 설계는 표준 관통형 비아를 사용합니다. 블라인드 비아 또는 매몰 비아를 사용하면 더 조밀한 설계를 구현할 수 있지만 비용이 크게 증가합니다. 가격은 3~5배 더 높을 것으로 예상됩니다. 0.4mm BGA 규격을 반드시 준수해야 하는 경우가 아니라면 블라인드 비아는 피하는 것이 좋습니다.

4층 PCB의 주요 응용 분야

현대 전자제품에서는 4층 기판을 어디에서나 찾아볼 수 있습니다.

Power Supplies

 15W 이상의 스위칭 모드 전원 공급 장치는 거의 항상 4층 구조를 사용합니다. 접지면은 스위칭 노이즈를 줄이고, 전원면은 두꺼운 회로 없이 높은 전류를 분배합니다. 예전에 2층 기판에 80W LED 드라이버를 설계한 적이 있는데, 작동은 했지만 노이즈가 너무 많이 발생해서 고객 시설의 AM 라디오 방송에 간섭을 일으켰습니다.

가전제품

 스마트 홈 기기, 와이파이 라우터, 블루투스 스피커 등 무선 연결 기능을 갖춘 모든 제품은 FCC 테스트를 통과하기 위해 4중 구조 설계가 필요합니다. 접지면 배치가 방사 패턴과 효율에 직접적인 영향을 미치기 때문에 안테나 성능만으로도 비용을 충분히 상쇄합니다.

자동차 컨트롤러

자동차 전자 장치는 교류 발전기 노이즈, 점화 스파이크, 모터 정류 간섭 등 가혹한 EMI 환경에 노출됩니다. 적절한 접지면을 갖춘 4층 기판은 이러한 전기적 환경에서도 견딜 수 있습니다. 또한, 자동차의 온도 사양을 충족하기 위해서는 -40°C에서 +125°C까지의 온도 범위에서 성능을 발휘하는 TG170 소재가 필요합니다.

산업용 제어

PLC전자식 오디오 컨트롤러(VFD), 모터 드라이브 및 산업용 HMI는 노이즈 차단을 위해 4층 기판을 사용합니다. 공장에서 VFD 및 용접기 옆에 장비를 설치할 때는 최대한의 차폐가 필요합니다.

LED 드라이버

고출력 LED 드라이버는 내부 구리 평면의 열 확산 효과를 활용합니다. 4층 구조의 50W LED 드라이버는 3층을 통해 열을 분산시켜 2층 구조에 비해 핫스팟 온도를 15~20°C 낮출 수 있습니다.

4층 PCB 가격을 낮추는 방법

시제품 가격 때문에 사람들이 불안해하죠. 보드 5개에 180달러라는 견적을 보면 양산 때문에 파산할까 봐 걱정하게 됩니다. 하지만 그렇지 않습니다.

수량

중국 제조업체에서 시제품 기판 5개를 제작하는 데 드는 비용은 크기와 기능에 따라 100~200달러입니다. 하지만 100개를 제작하려면 총 300~400달러가 들 수 있습니다. 초기 투자 비용은 시간이 지남에 따라 상각됩니다. 1000개를 생산할 때쯤이면 표준 100mm × 100mm 디자인의 기판 하나당 3~6달러 정도가 됩니다. 시제품 견적에만 의존하여 생산 결정을 내리지 마십시오.

기술을 통해

 관통형 비아는 비용이 거의 들지 않습니다. 반면, 블라인드 비아 또는 매몰형 비아는 여러 번의 라미네이션 공정이 필요하기 때문에 비용이 3~5배 증가합니다. 휴대폰이나 초소형 웨어러블 기기를 설계하는 경우가 아니라면 관통형 비아를 사용하는 것이 좋습니다.

보드 크기 및 패널화

제조업체는 일반적으로 18인치 × 24인치와 같은 표준 패널 크기에 맞춰 PCB를 제작합니다. 기판 크기가 패널당 여러 개의 복사본을 최소한의 낭비로 제작할 수 있도록 설계되면 가격이 낮아집니다. 95mm × 95mm 크기의 기판은 패널당 4개를 효율적으로 배치할 수 있습니다. 반면 110mm × 87mm 크기의 기판은 배치가 어색하고 재료 낭비가 심합니다. 때로는 기판 크기를 5mm만 줄여도 패널 효율성 향상으로 단가가 15%까지 절감될 수 있습니다.

리드 타임

 중국 제조업체의 표준 납기는 7~10일입니다. 급행 서비스는 2~3배의 추가 비용이 발생합니다. 전시회 출품과 같이 급한 상황이 아니라면 표준 납기를 이용하시는 것이 좋습니다. 

디자인 복잡성

 임피던스 제어, 5mil 미만의 미세 피치 트레이스 또는 2oz 이상의 두꺼운 구리선은 모두 추가 비용을 발생시킵니다. 표준 사양으로 설계하여 제조 가능성을 유지하면 견적을 합리적인 수준으로 유지할 수 있습니다.

비용에 대해 한 가지 더 말씀드리자면, 기판당 15달러를 아끼려고 표면 마감을 타협하지 마십시오. 한 고객은 ENIG 대신 HASL을 사용하여 200개의 기판에서 200달러를 절약했습니다. 하지만 표면이 고르지 않아 리플로우 과정에서 0402 저항에 툼스토닝 현상이 발생하여 기판의 30%를 재작업하는 데 4000달러를 지출했습니다. 

제품 개요

4층 PCB는 2층 기판보다 가격이 높지만, 신호 무결성, EMI 성능 및 배선 밀도가 더 우수합니다. 표준 적층 구조는 접지 및 전원 평면을 내부에 배치하고 신호 레이어를 상단과 하단에 배치합니다. 이러한 구성은 고속 신호를 처리하고 EMC 테스트를 통과하며 부품 밀도를 높일 수 있습니다. 거버 파일을 업로드하여 생산에 착수하기 전에 즉시 견적 및 DFM(설계 제조성 분석) 피드백을 받아보세요.

회사 소개 Wonderful PCB

Wonderful PCB 산업 디자인 및 전자 엔지니어링부터 4층 PCB 제작에 이르기까지 모든 것을 다룹니다. 우리는 글로벌 기업들과 협력하여 중국에서 4층 인쇄 회로 기판을 제조 및 조립합니다.

4층 회로기판에 대한 FAQ

고주파 설계에 4층 기판을 사용할 수 있을까요?

표준 FR-4 소재로는 6GHz 대역을 지원할 수 있습니다. 그 이상의 주파수 대역을 지원하려면 Rogers 또는 기타 저손실 소재가 필요합니다. 중요한 것은 유전율을 제어하고 적층 구조를 대칭으로 유지하는 것입니다. 2.4GHz Wi-Fi, 블루투스 또는 1GHz 이하 ISM 대역 설계에는 FR-4가 적합합니다. 저도 FR-4로 GPS 수신기를 제작해 본 경험이 있습니다.

내부 코어의 표준 두께는 얼마입니까?

완성된 1.6mm 기판의 경우, 코어 두께는 일반적으로 1.0mm입니다. 두 개의 프리프레그 층은 각각 0.3mm씩 추가됩니다. 따라서 구리 두께는 약 0.07mm 정도 줄어듭니다. 결과적으로 1층과 2층 사이에 약 10~12mil의 유전체 두께가 생기는데, 이는 50Ω 제어 임피던스 트레이스에 적합합니다.

4층 PCB용 거버 파일을 어떻게 내보내나요?

각 레이어별로 별도의 거버 파일과 드릴 파일이 필요합니다. 상단 구리층, 접지면, 전원면, 하단 구리층, 상단 솔더마스크, 하단 솔더마스크, 상단 실크스크린, 하단 실크스크린 및 보드 외곽선을 내보내십시오. 스루홀용 NC 드릴 파일도 추가하십시오. KiCad, Altium, EAGLE과 같은 대부분의 최신 CAD 소프트웨어는 모든 것을 정확하게 내보낼 수 있는 4레이어 템플릿을 제공합니다. 제조업체는 어떤 내부 레이어가 접지이고 어떤 레이어가 전원인지 알아야 합니다. 레이어 2 = GND, 레이어 3 = VCC임을 명시하는 스택업 도면 또는 주석 파일을 포함하십시오.