1. PCB 홀 소개
PCB(인쇄 회로 기판)는 다양한 회로 부품이 연결되는 회로 설계에 매우 중요한 구성 요소 또는 빌딩 블록입니다. 하지만 PCB 기판 설계 및 모든 부품 처리에 있어 가장 중요한 요소는 다양한 기술과 공정을 사용하여 다양한 유형의 홀을 만드는 것입니다. 각 홀은 고유한 제조 공정과 성능을 가지고 있습니다. 홀의 주요 기능은 부품을 기판에 쉽게 장착할 수 있도록 하여 PCB 기판에 견고하고 안정적인 전기적 연결과 구조적 강도를 제공하는 것입니다. 이 튜토리얼에서는 프로젝트 요구 사항에 따른 정확한 PCB 설계 및 생산에 중요한 다양한 유형의 PCB 홀에 대해 알아보겠습니다. 자, 시작해 볼까요!
2. PCB 홀의 종류
2.1 도금 관통 구멍(PTH)
관통 도금(도금)은 무전해 구리 도금이라고도 합니다. 이 구멍은 기판에 구멍을 뚫고 전도성 물질인 구리를 사용하여 라이닝 처리합니다. 주석이나 금은 PCB 기판 층 사이의 연결을 돕는 라이닝 도금에 사용됩니다.
이 구멍들은 서로 다른 PCB 기판 층 또는 기판에 연결된 부품들 간의 전기적 연결을 형성하는 역할을 합니다. 또한, 부품 리드와 구리선의 저항을 낮추고 PCB 조립의 기계적 안정성을 높이는 데에도 도움이 됩니다.
도금 관통 구멍은 양면 기판이나 다층 기판을 서로 튼튼하게 연결하는 데에도 유용합니다.
PTH의 주요 용도는 수지 구리 도금, 구리 도금 또는 다이아몬드 구리 도금입니다.
2.2 비도금 관통홀(NPTH)
이 유형의 PCB 홀에는 홀 벽에 구리 도금이 사용되지 않습니다. 따라서 홀 배럴은 전도성이나 전기적 특성을 갖지 않습니다. 보드의 단면에 구리 트랙이 있는 경우 사용하기에 가장 적합하지만, 다층 보드에는 적합하지 않습니다. 이러한 홀을 사용하면 보드의 층 수가 줄어들기 때문입니다.
하지만 이러한 구멍은 쉽고 빠르게 제작할 수 있으며, 작업 지점에 보드를 고정하기 위한 툴링 구멍으로 사용됩니다. 또한 나사나 볼트 형태의 부품을 고정하는 데 사용되며, 방열을 위한 방열판으로도 사용됩니다.
2.3반쪽 구멍
PCB 보드의 반쪽 구멍(플레이트 반쪽 구멍 또는 캐스텔레이티드 구멍이라고도 함)은 보드 가장자리에 부분적으로 뚫린 관통 구멍이며, 이 구멍들은 절반 정도를 밀링 가공합니다. 이 구멍들은 메인 보드에 다른 PCB를 납땜하는 데 사용됩니다. 간단히 말해, 두 개의 분리된 보드를 연결하는 데 사용되며, 이는 고밀도 부품 연결의 핵심입니다. 다른 보드에 블루투스를 연결할 때는 도금 관통 구멍이 사용됩니다.
2.3 비아 홀
비아 홀의 주요 목적은 서로 다른 층의 PCB 보드를 강력하게 전기적으로 연결하고 도금된 관통 구멍 부품 연결 등에 사용하는 것입니다. 비아를 통해 서로 다른 층의 다층 보드를 연결하면 층과 연결된 부품 간의 신호 흐름을 원활하게 하는 데 도움이 됩니다.
블라인드 비아
기판의 블라인드 비아는 최상층 또는 최하층에서 내층까지 형성되며, 도금 관통 비아처럼 기판 내부를 완전히 관통하지 않습니다. 이 관점에서는 기판의 반대쪽 면을 볼 수 없습니다.
이러한 비아는 기계식 드릴링 공정을 사용하여 제작되며, 때로는 레이저를 사용하여 블라인드 비아를 드릴링합니다. 이러한 유형의 비아를 드릴링할 때는 정확한 치수를 확인해야 합니다. 어려운 공정이지만, 블라인드 비아를 기판에 직접 드릴링할 수 있습니다.
블라인드 비아의 주요 용도는 최소 하나의 내부 층을 이용하여 외부 층 하나에 연결하는 것입니다. 이러한 비아의 종횡비는 1:1 이상입니다.
블라인드 비아는 HDI PCB 제조의 일부이지만, 블라인드 비아가 있는 보드가 항상 HDI PCB가 아니라는 점을 확인하세요.
묻힌 비아
매몰 비아는 PCB 기판의 내부 레이어 사이에 만들어지며, 기판 외부에서는 보이지 않습니다. 이러한 비아의 주요 목적은 둘 이상의 내부 레이어를 연결하는 것입니다. 각 연결 레벨마다 별도의 드릴 파일 로 홀을 정의해야 합니다.
매립형 비아의 종횡비는 1:12 이상입니다.
IPC 표준에 따르면, 블라인드 비아와 매립 비아에 권장되는 직경은 6밀을 넘지 않습니다.
적층형 비아
스택 비아는 3개 이상의 회로 층을 연결하는 데 사용되는 블라인드 비아 또는 매립형 비아입니다. 스택 비아는 여러 층의 보드를 관통하는 두 개 이상의 비아가 서로 겹치도록 구성됩니다.
적층 비아는 주로 다층 기판과 HDI 기판에 사용됩니다. 적층 비아는 각 비아가 기판의 내부 층을 하나씩 포함하도록 설계되었습니다.
이러한 비아의 주요 특징은 여러 층에 연속적인 전기적 연결을 제공하는 것입니다. 공간은 제한적이지만 설계가 복잡한 프로젝트에서는 적층 비아가 사용됩니다.
계단형 비아
스태거드 비아는 서로 다른 PCB 기판 층의 비아가 서로 겹치지 않고 연결될 때 형성됩니다. 스태거드 비아는 드릴 축이 다르기 때문에 직접 연결되지 않은 여러 개의 비아를 포함합니다.
엇갈린 비아는 보드를 어느 쪽에서 보든 지그재그 패턴을 형성합니다. 엇갈린 비아는 주로 HDI 보드와 다층 PCB에 사용됩니다.
스킵 비아
이 비아는 보드의 여러 층을 통과하지만 어떤 층과도 전기적으로 연결되지 않습니다. 스킵 비아는 겹치는 비아, 블라인드 비아 또는 매립형 비아일 수 있습니다. 이러한 비아는 HDI 보드에서 작고 복잡한 회로를 만드는 데 중요합니다. 스킵 비아는 보드 층 사이에 수직 전기 연결을 형성하여 부품의 밀도를 높이고 신호 경로 길이를 줄입니다.
패드 내 비아
패드 내부 비아는 PCB 비아 중 덜 일반적인 유형이며, 이 설계에서는 트레이스를 패드를 중심으로 배선하는 대신 표면 실장 부품 패드 바로 아래에 비아를 만듭니다. 비아는 기판의 내부 층과 상위 층의 부품 패드를 연결하는 방식입니다.
이러한 비아 사용의 주요 특징은 배선이 용이하고 기생 인덕턴스를 제어할 수 있다는 것입니다. 단점은 리플로우 시 솔더 페이스트가 비아를 통과하여 PCB 패드의 솔더링에 영향을 미친다는 것입니다.
2.4 장착 구멍
PCB에는 섀시에 보드를 장착할 수 있는 지점을 제공하기 위해 장착 구멍이 뚫려 있습니다. 이 구멍들은 다른 유형의 보드보다 크기가 크며, 일반적으로 보드 모서리에 뚫립니다. 보드와 장착 부품 사이의 견고하고 안정적인 연결을 위해 장착 구멍 주변에 구리 패드가 적용됩니다.
2.5 카운터싱크 및 카운터보어 구멍
카운터보어 구멍은 볼트나 나사용으로 만들어지며, 나사 디자인에 비해 크기가 큰 평평한 바닥의 머리가 있습니다. 이 구멍에는 두 개의 직경 구멍이 있는데, 위쪽에 있는 큰 직경의 구멍은 나사 머리를 고정하기 위한 것이고, 아래쪽에 있는 작은 직경의 구멍은 나사나 볼트 몸체를 고정하기 위한 것입니다.
카운터싱크는 나사 머리가 테이퍼진 형태여야 하는 경우에 사용됩니다. 이 구멍은 나사 머리 윗부분의 테이퍼에 맞춰 원뿔 모양으로 뚫려 있어 나사가 보드 표면에 밀착되도록 합니다. 카운터싱크를 만들 때는 일반적으로 82도 또는 90도 드릴 비트를 사용합니다.
이미지 카운터싱크 및 카운터보어 구멍
2.6 기준 구멍(정렬 구멍)
정렬 구멍이라고도 하는 기준 구멍은 기판에 뚫린 작고 명확한 구멍으로, 자동화된 제조 도구의 기준점으로 사용됩니다. 이 구멍의 주요 특징은 부품 연결, 스텐실 공정, 테스트 등 다양한 단계에서 정확한 정렬을 제공하여 기판 조립을 위해 기판의 모든 부품이 정확하게 연결되도록 하는 것입니다.
이미지: 기준 구멍
2.7 특수 PCB 홀 유형
- 스탬프 구멍
스탬프 홀(스탬프 홀, 브레이크어웨이 홀이라고도 함)은 패널에 있는 모든 회로 기판의 가장자리에 순차적으로 또는 줄지어 만들어진 작은 구멍입니다. 이 구멍들은 스탬프의 가장자리처럼 보이기 때문에 스탬프 홀이라고 합니다. 이 구멍의 주요 용도는 PCB 디패널라이징(depanelization)입니다. 디패널라이징 공정에서는 하나의 기판을 큰 패널에서 분리하는데, 이 공정은 생산 효율을 높이고 비용을 절감하는 데 사용됩니다.
3. PCB 홀 설계 고려 사항
여기에 나열된 PCB 구멍 설계를 위해서는 고려해야 할 여러 요소가 있습니다.
구멍 크기 및 종횡비
구멍 크기는 드릴링 기술과 기판의 층 수에 따라 결정됩니다. 구멍 깊이와 구멍 직경의 비율을 종횡비라고 합니다.
| 드릴링 기술 | 최소 구멍 직경 | 최대 종횡비 |
| 기계 드릴링 | 0.2 mm | 10:1 |
| 레이저 드릴링(마이크로비아) | 0.075 mm | 1 : 1에 1.5 : 1 |
| 화학 에칭 | ~50마이크로미터 | ~1:1 |
| EDM(방전가공) | 0.1 mm | 5:1 |
| 초음파 드릴링 | 0.2 mm | 5:1 |
드릴 허용 오차 및 환형 링 세부 정보
환형 링은 도금된 구멍 주위를 구리로 덮고 있습니다. 링의 폭이 적절하지 않으면 보드 신뢰성에 문제가 발생합니다.
| 구멍 크기(mm) | 드릴 허용 오차(± mm) | 최소 환형 링(mm) |
| ≤ 0.3 | ± 0.025 | 0.1 |
| 0.3 – 0.6 | ± 0.05 | 0.15 |
| > 0.6 | ± 0.075 | 0.2 |
PTH 및 비아용 도금 두께
설계 요구 사항에 따른 도금 두께는 보드에 우수한 기계적 강도와 전기 전도성을 제공합니다.
| 구멍 | 구리 도금 두께 | Standard |
| 도금 관통 구멍(PTH) | 25 – 50μm | IPC-6012 |
| 마이크로비아(HDI) | 5 – 25μm | IPC-6016 |
| 블라인드/매립형 비아 | 15 – 30μm | IPC-6012 |
| 패드 내 비아 | 25 – 50 µm (충전, 도금) | IPC-4761 |
자재
보드용 재료의 사용도 구멍의 정확도에 영향을 미칩니다.
| 자재 | 드릴링 기능 |
| FR-4 | 간편한 드릴링 기능을 갖추고 있어 모든 유형의 구멍을 쉽게 처리할 수 있습니다. |
| 고TG FR-4 | 이 재료에 구멍을 더 강하게 만들기 위해 사용된 드릴 비트 |
| 알루미늄 PCB | 이 보드에 구멍을 뚫는 데는 CNC 라우팅이나 특수 드릴이 사용됩니다. |
| 세라믹 PCB | 초음파 또는 레이저 드릴링은 세라믹 보드에 구멍을 만드는 데 사용됩니다. |
| 유연한 PCB | 화학적 에칭 또는 레이저 드릴링 사용 |
4. PCB 홀의 기능
층 간 전기적 연결
PCB 기판에 있는 홀의 주요 용도는 PCB 층 사이를 전기적으로 연결하는 것입니다. 도금된 관통 홀과 같은 홀은 기판의 한쪽 면에서 다른 면으로 신호와 전력을 전달하는 데 도움이 됩니다.
블라인드, 매립 및 관통 홀 비아는 HDI PCB 보드의 다층 연결을 만드는 데 도움이 됩니다.
다양한 소형 디자인에서 고속 신호 전송을 위해 마이크로 비아가 사용됩니다.
부품 마운팅
주로 보드상의 부품을 연결할 때 관통 구멍 장착 기술을 사용하는데, THT는 부품 리드를 납땜하고 구멍에 삽입하기 위해 관통 도금 구멍을 사용합니다.
PCB 홀은 SMT에 비해 기판과의 연결성이 뛰어납니다. 홀은 커넥터나 커패시터와 같은 고전력 부품을 연결하는 데 가장 적합합니다.
열 발산
PCB 홀은 보드 내 여러 부품에서 발생하는 열 방출을 조절하여 과열을 방지합니다. 열 비아는 가열된 부품의 열을 방열판으로 흐르게 합니다. 패드 내 비아는 열 저항을 제어하여 방열을 향상시킵니다.
5. PCB 홀의 일반적인 문제 및 이를 방지하는 방법
구멍 정렬 불량
- 이 결함 구멍 드릴링 위치에서는 요구 사항을 충족하지 못해 부품 패드와 내부 층의 연결 오류가 발생합니다. 이 오류는 전기적 단선이나 부적절한 납땜 기술로 인해 발생합니다.
- 제조 시 보드 소재의 팽창으로 인해 발생하기도 합니다.
- 이런 문제를 피하려면 정해진 지점에 기준점을 두고, 팽창/수축을 방지하기 위해 고품질 재료를 사용하세요.
- 다층 기판에서 작업하는 경우 X선 정렬 검사 기능을 사용하세요.
불충분한 환형 링
- 이 오류에서 구리 패드는 기계적 및 전기적 특성에 영향을 미치는 작은 크기나 요건을 충족하지 못합니다. 결과적으로 기판에 회로가 열리거나 납땜 접합이 약해집니다.
- 이 문제를 해결하려면 환형 세부 정보를 설정하세요. 미세한 정렬 불량에는 적절한 패드 크기를 사용하세요.
겹치는 드릴 구멍
- 이 오류는 여러 개의 드릴 구멍이 서로 겹쳐져 기판 설계에 문제를 일으킵니다. 결과적으로 구리 분리 및 박리가 발생합니다.
- 이는 보드 설계에서 구멍 구성이 부적절하여 발생합니다.
- 적절한 구멍 간격과 더 큰 드릴 비트를 사용하여 겹침을 방지하세요.
잘못된 구멍 크기
- 이 오류는 구멍 크기가 커지거나 작아져 부품의 정확한 삽입에 영향을 미칩니다. 이 오류는 납땜 기능과 전기 연결에 영향을 미칩니다.
- 이 오류는 Gerber 파일의 드릴 크기 오류와 도금 두께 오류로 인해 발생합니다.
- 이 문제를 해결하려면 정의된 값에 따라 표준 구멍 크기를 따르고 도금 두께를 설정하세요.
맺음말
PCB 홀은 모든 전자 장치 및 프로젝트에서 PCB 설계 및 적절한 작동을 위한 주요 구성 요소입니다. 이러한 홀은 서로 다른 층의 기판 사이의 전기적 연결과 기계적 강도를 제공하는 데 중요합니다. PCB 홀에는 비도금 관통 홀, 도금 관통 홀, 그리고 관통 홀 비아, 블라인드 비아, 매립 비아, 마이크로비아 등과 같은 비아 홀 등 다양한 유형이 있습니다. 각 유형은 PCB 기판 설계 및 작동에 있어 고유한 특징과 중요성을 가지고 있습니다. 각 유형의 PCB 홀은 고유한 디자인과 특징을 가지고 있지만, 기판에서 사용되는 주요 목적은 PCB 층 간의 전기적 연결, 부품 실장, 그리고 기판의 외부 부품과의 연결입니다. 구형 PCB 기판은 관통 홀 부품 실장을 위해 대부분 도금 관통 홀을 사용하며, 고밀도 기판에 대한 수요가 높아짐에 따라 제조업체는 도금 관통 홀이 아닌 표면 실장 부품을 사용하고 있습니다. 고밀도 소형 비아의 경우 레이저로 드릴링하여 사용합니다.
