PCB 재료 선택 가이드

전자제품에서 가장 중요한 부분은 인쇄 회로 기판(PCB)입니다. 이 약어는 인쇄 배선 기판(PCB)과 인쇄 배선 카드(PCB)를 의미하기도 하는데, 이 둘은 본질적으로 같은 것입니다. 컴퓨터부터 계산기까지 모든 분야에서 이러한 기판이 중요한 역할을 하므로, PCB 기판 소재를 선택할 때는 해당 장비의 전기적 요구 사항에 대한 지식과 신중함을 갖춰야 합니다.

PCB가 개발되기 전에는 회로 기판 소재가 대부분 얽히고설킨 전선으로 덮여 있어 특정 지점에서 쉽게 고장이 발생할 수 있었습니다. 또한, 시간이 흐르면서 특정 전선에 균열이 생기기 시작하면 단락이 발생할 수도 있었습니다. 예상대로, 이러한 초기 기판의 배선 작업은 매우 복잡하고 힘들었습니다.

점점 더 다양한 일상 전자 부품이 회로 기판에 의존하게 되면서, 더 간단하고 컴팩트한 대안을 개발하려는 경쟁이 치열해졌고, 이는 PCB라는 소재의 개발로 이어졌습니다. PCB 소재를 사용하면 다양한 부품 간에 회로를 연결할 수 있습니다. 기판과 연결된 부품 간의 전류 전달을 원활하게 하는 금속을 솔더라고 하며, 이는 접착력이라는 두 가지 역할을 합니다.

PCB 재료 구성

PCB는 일반적으로 4개의 층으로 구성되며, 이 층은 열 적층되어 단일 층으로 적층됩니다. PCB에 사용되는 재료는 위에서 아래로 다음과 같은 층으로 구성됩니다.

• 실크스크린

• 솔더마스크

• 구리

• 기판

마지막 층인 기판은 유리 섬유로 만들어지며 FR4라고도 합니다. FR은 "난연성"을 의미합니다. 이 기판 층은 PCB의 견고한 기반을 제공하지만, 두께는 해당 보드의 용도에 따라 달라질 수 있습니다.

시중에는 앞서 언급한 PCB 소재를 사용하지 않고 페놀이나 에폭시로 구성된 저렴한 보드도 있습니다. 이러한 보드는 열에 민감하기 때문에 라미네이션이 쉽게 손상되는 경향이 있습니다. 이러한 저렴한 보드는 납땜 시 나는 냄새로 쉽게 식별할 수 있습니다.

PCB의 두 번째 층은 구리로, 열과 접착제를 혼합하여 기판에 적층됩니다. 구리층은 얇으며, 일부 기판에는 기판 위와 아래에 두 개의 구리층이 있습니다. 구리층이 한 겹만 있는 PCB는 일반적으로 저렴한 전자 기기에 사용됩니다.

대량으로 사용되는 구리 피복 적층판(CCL)은 보강재, 사용된 수지 접착제, 가연성, CCL 성능 등 다양한 분류 기준에 따라 여러 범주로 분류할 수 있습니다.

녹색 솔더 마스크 위에는 실크스크린 층이 있는데, 이 층은 기술 프로그래머가 PCB를 읽을 수 있도록 문자와 숫자 표시를 추가합니다. 이를 통해 전자 조립 작업자는 각 PCB를 각 부품의 올바른 위치와 방향으로 더 쉽게 배치할 수 있습니다. 실크스크린 층은 일반적으로 흰색이지만, 빨간색, 노란색, 회색, 검은색 등의 색상이 사용되기도 합니다.

PCB 레이어 기술 용어

PCB가 어떻게 적층되어 있는지 이해하는 것과 함께, PCB 사용과 관련된 다음과 같은 기술 용어를 아는 것도 중요합니다.

• 환형 링. PCB의 구멍을 둘러싸는 구리 링입니다.

• DRC. 설계 규칙 검사(Design Rule Check)의 약자입니다. 기본적으로 DRC는 PCB 설계의 기능을 검사하는 방식입니다. 검사 대상에는 트레이스 폭과 드릴 구멍이 포함됩니다.

• 드릴 홀(drill hit). PCB의 모든 홀을 정확하게 배치했든, 잘못 배치했든 관계없이 나타내는 용어입니다. 경우에 따라 생산 과정에서 무딘 드릴링 장비를 사용하여 홀이 약간 부정확할 수 있습니다.

• 핑거(Finger). 보드 가장자리를 따라 노출된 금속으로, 두 PCB를 연결하는 역할을 합니다. 핑거는 오래된 비디오 게임이나 메모리 카드에서 가장 흔히 볼 수 있습니다.

• 마우스 비트. PCB의 구조적 무결성을 위협할 정도로 과도하게 드릴링된 보드 부분입니다.

• 패드. PCB의 노출된 금속 영역으로, 일반적으로 납땜 부분이 적용됩니다.

• 패널. 작은 기판들로 구성된 큰 회로 기판으로, 나중에 개별적인 사용을 위해 분리됩니다. 이러한 방식의 이유는 작업자가 작은 기판을 다룰 때 겪는 어려움을 해소하기 위한 것입니다.

• 페이스트 스텐실. 납땜을 위해 페이스트를 도포하는 기판 위의 금속 스텐실.

• 평면. PCB에서 노출된 구리의 넓은 부분으로, 경계는 표시되어 있지만 경로는 없습니다.

• 도금 관통 구멍. 일반적으로 다른 부품을 연결하는 목적으로 PCB를 직접 관통하는 구멍입니다. 이 구멍은 도금 처리되어 있으며, 일반적으로 환형 링이 있습니다.

• 슬롯. 원형이 아닌 구멍. 슬롯이 있는 PCB는 회로 기판에 특이한 모양의 구멍을 만드는 생산 비용 때문에 가격이 비싼 경우가 많습니다. 슬롯은 일반적으로 도금되지 않습니다.

• 표면 실장. 관통 구멍을 사용하지 않고 외부 부품을 기판에 직접 실장하는 방식입니다.

• 트레이스(Trace). PCB를 가로지르는 구리선.

• V-스코어. 보드가 부분적으로 잘린 부분입니다. 이 부분은 PCB가 부러지기 쉽게 만들 수 있습니다.

• 비아. 신호가 층 사이를 이동하는 구멍. 비아는 텐티드(tented) 버전과 텐티드(untented) 버전으로 구분됩니다. 텐티드 버전은 보호 솔더마스크로 덮여 있고, 텐티드되지 않은 비아는 커넥터 연결에 사용됩니다.

각 층 앞에 붙는 숫자는 라우팅 층이든 플레인 층이든, 즉 두 가지 유형의 전도층(conducting layer)의 정확한 개수를 나타냅니다. 각 층은 일반적으로 1번 또는 그 다음 네 개의 짝수(2, 4, 6, 8) 중 하나를 갖습니다. 층 기판은 때때로 홀수를 가지지만, 이는 드물며 거의 차이가 없습니다. 예를 들어, 5층 또는 6층 기판의 PCB 재질은 사실상 동일합니다.

두 가지 유형의 레이어는 서로 다른 기능을 합니다. 라우팅 레이어는 트랙을, 플레인 레이어는 전원 커넥터 역할을 하며 구리 플레인을 갖습니다. 플레인 레이어는 또한 보드의 신호 전달 목적(3.3V 또는 5V)을 결정하는 아일랜드를 갖습니다.

FR4는 유리 강화 에폭시 적층 시트의 코드명입니다. 강도와 내습성, 내화성이 뛰어나 FR4는 가장 널리 사용되는 PCB 소재 중 하나입니다.

추가 PCB 설계 고려 사항

1.6mm와 같은 숫자는 레이어 보드의 두께를 나타내는 데 사용됩니다. 4겹 보드에서는 1.6mm가 표준 측정 단위입니다. 장치에 사용할 보드를 선택할 때 두께를 고려해야 합니다. 예를 들어, 두꺼운 보드는 무거운 연결 물체를 지지해야 할 때 더 큰 지지력을 제공합니다.

평면 기판의 표준 구리 두께는 35미크론입니다. 또는 구리 두께는 온스나 그램 단위로 표시되기도 합니다. 다양한 용도를 지원하는 기판에는 일반 구리 두께보다 두껍게 하는 것이 좋습니다.

선로는 전력을 전달하도록 설계되지 않았지만, 신호가 주파수를 제대로 처리하지 못할 때 전력 전달이 발생할 수 있습니다. 문제를 제대로 관리하지 않으면 선로가 막대한 전력 손실을 초래할 수 있습니다. 선로의 한쪽에서 다른 쪽으로 최대한 많은 전력을 전달하기 위해서는 선로 배치 시 전달 방정식을 고려해야 합니다.

일반적으로 구리 트랙 FR4 PCB 소재로 구성된 레이어 보드의 경우, 신호 시간이 XNUMX나노초일 때 XNUMX인치가 적절한 트랙 거리입니다. 하지만, 특히 신호 무결성이 중요한 경우, 긴 트랙 길이에 대한 전송선의 영향도 고려해야 합니다. 인터넷에는 특정 레이어 보드의 임피던스를 정확하게 계산하는 데 도움이 되는 프로그램과 스프레드시트가 많이 있습니다.

대부분의 보드에서 비아는 비어 있어서 보통 비아를 통해 볼 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 비아를 채울 수 있는 다양한 상황이 있습니다. 우선, 먼지 및 기타 불순물로부터 보호막을 형성하기 위해 비아를 채울 필요가 있습니다. 둘째, 전류 전달 용량을 높이기 위해 비아를 채울 수 있으며, 이 경우 전도성 재료를 사용할 수 있습니다. 비아를 채울 수 있는 또 다른 이유는 보드를 평평하게 만들기 위해서입니다.

비아는 일반적으로 BGA(볼 그리드 어레이) 칩으로 채워집니다. BGA 핀과 내부 층 사이에 접촉이 발생하면 솔더가 비아를 통해 다른 층으로 미끄러져 들어갈 수 있습니다. 따라서 솔더가 다른 층으로 새어 나가지 않도록 비아를 채우고, 접점의 무결성을 의도한 대로 유지합니다.

레이어 보드에서 가장 골치 아픈 현상 중 하나는 보드의 특정 지점에서 접점이 끊어지는 것입니다. 이러한 현상이 자주 발생할수록 해당 보드의 해당 부분이 완전히 고장날 가능성이 높아집니다. 일반 가전제품 사용자는 계산기 버튼 중 하나가 작동하지 않을 때 이러한 문제를 경험하게 됩니다. 각 버튼은 레이어 보드의 특정 부분을 누르는데, 한 부분에 문제가 발생하면 해당 부분과 연결된 버튼이 신호를 보낼 수 없게 됩니다.

특정 지점의 접점이 손상되는 또 다른 원인은 마더보드에 보조 카드 슬롯을 장착할 때입니다. 카드를 잘못 다루면 카드의 특정 지점 중 하나가 손상되어 그 이후로는 작동하지 않을 수 있습니다. 서로 접촉하는 보드 표면을 보호하는 가장 좋은 방법은 수명 연장 장벽 역할을 하는 금층을 사용하는 것입니다. 하지만 금은 비쌀 수 있으며, 탭에 금을 사용하면 PCB 제조 공정에 또 다른 단계가 추가됩니다.

PCB 솔더마스크

마더보드에서 가장 익숙한 색상은 솔더 마스크의 색인 녹색입니다. 솔더 마스크만큼 흔하지는 않지만, 빨간색이나 파란색과 같은 다른 색상으로도 나타납니다. 솔더 마스크는 LPISM(Liquid Photo Imageable SolderMask)이라는 약어로도 알려져 있습니다. 솔더 마스크의 목적은 액체 솔더의 누출을 방지하는 것입니다. 최근 솔더 마스크 부족으로 인해 이러한 누출 사고가 더 흔해졌습니다. 하지만 대부분의 사용자는 솔더 마스크가 없는 보드보다 솔더 마스크가 있는 보드를 선호합니다.

솔더마스크를 PCB에 도포한 후, PCB는 용융된 땜납에 노출됩니다. 이 과정에서 노출된 구리 표면이 납땜됩니다. 이는 모두 열풍 땜납 레벨링(HASL)이라고 하는 공정의 일부입니다. SMD 칩을 납땜할 때, 기판은 땜납이 용융된 상태로 가열되어 부품이 제자리에 놓이게 됩니다. 땜납이 건조되면 부품도 납땜됩니다. HASL은 일반적으로 땜납의 성분 중 하나로 납을 포함하지만, 무연 땜납도 있습니다.

트랙 폭 간격은 대시(-)로 표시됩니다. 예를 들어, 6/6밀(mils)이라는 숫자는 최소 트랙 폭과 최소 트랙 간격을 모두 6밀로 나타냅니다. 따라서 해당 보드의 모든 간격은 6밀 이상이어야 합니다. 밀(mils) 단위는 PCB 소재의 거리를 결정하는 데 사용됩니다. 폭과 간격은 특히 고전류를 처리하도록 설계된 보드의 경우 매우 중요합니다.

PCB 기판이 다층 구조로 되어 있는 경우, 각 트랙의 접근성을 육안으로 검사할 수 없습니다. 따라서 모든 신호가 도달 가능한지 확인하기 위해 트랙 끝에 프로브를 꽂는 테스트를 수행합니다. 테스트는 한쪽 끝에서 전압을 인가하여 수행됩니다. 반대쪽 끝에서 이 전압이 감지되면 트랙이 정상 작동하는 것으로 간주됩니다. 1층 또는 2층 구조의 기판에서는 이 테스트가 항상 필수적인 것은 아니지만, 품질을 진정으로 중요하게 생각한다면 권장됩니다.

내부와 외부 층을 연결하는 비아를 블라인드 비아라고 합니다. 블라인드 비아라는 이름은 이러한 비아가 한쪽에서만 스팟팅될 수 있기 때문에 붙은 것입니다. 두 개 이상의 내부 층을 연결하는 비아는 매립 비아라고 하며, 외부에서 어느 쪽에서도 스팟팅될 수 없습니다. 블라인드 비아와 매립 비아가 있는 기판에서는 비아 필링(via filling)이 종종 사용됩니다. 이는 외부 표면을 더욱 안전하게 유지하고 솔더가 내부 비아를 통해 미끄러져 침투할 가능성을 줄이는 데 도움이 됩니다.

비용에 영향을 미치는 재료 선택

PCB는 일반적으로 금 탭, 블라인드 또는 매립 비아, 또는 비아 충진과 같은 기능을 포함할 경우 비용이 더 많이 듭니다. 마찬가지로, 선폭/폭 간격이 6밀 미만인 PCB도 비용이 더 많이 드는 경향이 있습니다. 이러한 높은 가격의 이유는 특수 PCB 기판 생산에 사용되는 대체 공정 때문입니다. 마찬가지로, 일부 PCB 생산은 낮은 밀 또는 내부 비아를 사용할 경우 수익성이나 성공률이 크게 떨어지며, 높은 가격은 손실을 만회하기 위한 것입니다. 선폭/폭 치수가 3밀 정도로 낮은 PCB를 생산하는 제조업체도 있지만, 특정 부품에 대한 유일한 옵션이 아니라면 일반적으로 권장되지 않습니다.

PCB 재료 선택에 대한 전력 및 열 영향

PCB에 영향을 미치는 모든 요소 중 가장 중요한 두 가지는 전력과 열입니다. 따라서 각 요소의 임계값을 결정하는 것이 매우 중요하며, 이는 PCB의 열전도도를 평가하여 확인할 수 있습니다. 이는 와트당 전력이 재료의 길이를 따라 어떻게 온도로 변환되는지를 정의합니다. 그러나 열전도도에 대한 업계 표준 값은 없습니다.

예를 들어, Rogers Corp.는 전자전 및 통신 분야에 자주 사용되는 PCB 소재인 RT/duroid 5880을 취급합니다. 이 소재는 미세 섬유 유리 요소를 포함하는 복합 소재이기 때문에 유전율이 낮습니다. 이러한 미세 섬유는 소재 내 섬유의 강도를 높이는 역할을 합니다.

이러한 낮은 유전율 덕분에 PCB는 고주파를 사용하는 애플리케이션에 이상적입니다. 그러나 이 소재의 낮은 열전도도로 인해 쉽게 가열될 수 있으며, 이는 열 집약적인 애플리케이션에서 큰 단점이 될 수 있습니다.

PCB 재료 및 산업 응용 분야

군사 및 항공우주, 자동차, 의료 산업 분야에서 PCB는 단면 및 양면으로 제조되며, 구리 피복 PCB와 알루미늄 피복 PCB 등 다양한 종류가 있습니다. 각 산업 분야에서 PCB는 특정 분야에서 최대 성능을 발휘하도록 사용됩니다. 따라서 PCB 소재는 특정 산업 분야에서는 경량성을, 다른 산업 분야에서는 고전력 처리 능력을 고려하여 선택됩니다. 따라서 성능 특성을 고려할 때, PCB 소재를 선택할 때 어떤 기능을 서로 비교해야 하는지 판단하는 것이 중요합니다. 소재 수준은 성능 수준과 상관관계가 있기 때문입니다.

플렉스 및 리지드-플렉스 보드

최근 몇 년 동안 플렉스 보드와 리지드 플렉스 보드는 다양한 용도로 활용 가능하기 때문에 인기가 높아지고 있습니다. 기본적으로 플렉스 보드는 구부리고, 접고, 심지어 물체에 감쌀 수도 있기 때문에 평면 회로 기판으로는 불가능했던 다양한 용도로 활용될 수 있습니다. 예를 들어, 플렉스 보드는 보드를 비스듬히 접어서 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 전류를 흐르게 해야 하는 장비에 사용될 수 있으며, 별도의 패널 연결 없이도 이러한 기능을 수행할 수 있습니다.

시중에 판매되는 대부분의 플렉스 보드는 듀폰(DuPont Corporation)에서 개발한 폴리이미드 필름인 캡톤(Kapton)으로 구성됩니다. 이 필름은 내열성, 치수 안정성, 그리고 3.6에 불과한 유전율 등의 특성을 자랑합니다.

Kapton에는 세 가지 Pyralux 버전이 있습니다.

• 난연성(FR)

• 난연성 없음(NFR)

• 접착제 없음 / 고성능(AP)

PCB 보드 재료 선택 – 품질 우선

PCB 기판 소재를 선택할 때, 가전제품이든 산업용 장비든 모든 유형의 기판 제작에 있어 품질은 매우 중요합니다. 인쇄 회로 기판이 포함된 부품은 크거나 작거나, 저렴하거나 비쌀 수 있지만, 가장 중요한 것은 해당 부품이 예상 수명 동안 탁월한 성능을 발휘하는 것입니다.

특정 기판에 사용되는 PCB 소재는 여러 종류가 있지만, 궁극적으로 소비자와 기업이 회로 기판을 사용하는 제품에서 중요하게 생각하는 것은 제품 신뢰성입니다. 물론, PCB 기판 소재가 부품을 실수로 떨어뜨리거나 옆으로 부딪히더라도 견고하게 고정될 수 있어야 합니다.

예를 들어, 컴퓨터 장비에서 내구성 있는 PCB는 기존 PCB 기판 소재를 손상시키지 않고 하드웨어를 업데이트할 수 있도록 보장합니다. 이는 PCB 기술을 통해 작동 상태를 유지하는 전자 기기, 전자레인지 및 기타 가전제품에도 동일하게 적용됩니다. ATM과 같은 전자 공공 시설에서도 PCB는 반드시 완벽하게 작동해야 버튼이 작동하고 명령이 지연 없이 이해될 수 있습니다.

At Wonderful PCB저희는 다양한 PCB 공급 및 조립 서비스를 제공합니다. 20년 이상의 사업 경험과 혁신적인 기술을 바탕으로, Wonderful PCB FR4, Rogers 등 가장 널리 사용되고 있는 다양한 라미네이트 소재 및 기판 소재를 처리할 수 있습니다. PCB를 사용하는 부품의 작동 및 기능과 관련하여 특별한 목표를 가진 다양한 산업 분야의 엔지니어들이 당사의 서비스를 이용해 왔습니다. 당사의 서비스에 대한 자세한 내용은 조립 개요 및 역량 페이지를 참조하시거나 지금 바로 문의하여 견적을 받아보세요.