인쇄 회로 기판이란 무엇일까요?

PCB의 목적
 

PCB(인쇄 회로 기판)는 전기 회로를 포함하고 연결하는 구조입니다. 시스템의 두뇌 역할을 하며, 각 구성 요소를 연결해 다양한 기능을 구현합니다. PCB는 PCA(인쇄 회로 어셈블리) 또는 CCA(회로 카드 어셈블리)라고도 불립니다.

PCB는 오늘날 기술 환경에서 빠질 수 없는 핵심 구성 요소입니다. 이는 더 강력한 성능을 추구하면서도 물리적 공간을 최소화하고자 하는 기술 전반의 추세를 반영합니다. PCB의 크기는 다양하지만, 대부분의 경우 기존 배선 방식에 비해 훨씬 더 효율적인 공간 활용이 가능합니다. PCB의 공간 절약 특성은 최신 제품 개발에서 특히 중요한 경쟁력으로 작용합니다.

PCB의 또 다른 핵심 강점은 뛰어난 적응력입니다. PCB는 모듈식으로 구성되어 있기 때문에 다양한 용도에 맞게 유연한 기능을 제공할 수 있습니다. 결국 PCB는 이 적응력 덕분에 스마트폰부터 산업용 시스템에 이르기까지 우리가 의존하는 수많은 전자기기에 전력을 공급하는 핵심 역할을 수행합니다.

PCB는 어떻게 만들어질까요?

PCB 클로즈업

PCB 제작 과정

PCB는 한 층, 두 층 또는 다층 구조로 구성되며, 도체(보통 구리)와 절연층을 교차하는 형식으로 제작됩니다. 전류가 흐르는 경로인 트레이스는 구리 금속에 층별로 정밀하게 식각됩니다. 이 작업은 두 가지 방식 중 하나로 수행됩니다. 첫 번째 방식은 기판 위에 전체 구리 시트를 먼저 덮는 방식입니다. 그런 다음 원하는 트레이스 경로를 마스킹하고 기계를 사용해 불필요한 구리 부분을 제거하여 설계자가 의도한 트레이스에만 도체가 남도록 가공합니다.

또 다른 방식으로는 트레이스 경로만 노출한 상태에서 기판을 구리 용액에 담가 필요한 부분에만 전도성 금속을 증착하는 방식입니다. 이 방식은 노출된 부분에만 구리를 코팅하므로 앞선 공정과 같은 동일한 회로 구조를 형성합니다. 이 두 번째 방식은 구리 자재 손실이 적기 때문에 다층 PCB나 대량 생산 시 비용 효율성이 높아 선호되기도 합니다. 제조 방식과 관계없이 이 과정이 반복되어 최종적으로 원하는 층 구조를 갖춘 기판이 완성됩니다. 이렇게 적층이 완료된 구조는 "층 배열" 또는 "스택업"이라고 합니다.

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인쇄 회로 기판 설계 종사자

PCB는 다양한 전자 기능을 구현하는 데 필수인 핵심 전자 부품입니다. 이제 PCB 설계, 통합, 생산에 관여하는 주요 종사자들을 살펴보겠습니다.

PCB 설계자 아바타

PCB 설계자

 

PCB 설계자는 전자공학 분야 내에서도 특화된 전문 직군입니다. PCB 설계자 오직 PCB 설계와 기능 구현에만 집중합니다. PCB 설계자에게는 보통 CAD 도구에 대한 지식이 요구되며 회로도 작성, 부품 선정, 레아이웃 구성, 문서화 등 설계 프로세스의 전 단계를 책임집니다.

PCB 설계자는 자신이 설계하는 기판의 기능에 대해 정확히 알고 있어야 하며, 기판의 강성 수준, 최적의 코어 소재 등 다양한 자재 및 구조적 설계 결정을 책임집니다.

PCB 설계자 아바타

전자 엔지니어/시스템 아키텍트

 

전자 엔지니어나 시스템 아키텍트는 PCB 설계자보다 업무 범위가 더 넓으며, PCB를 전체 시스템에 어떻게 연결하고 작동하는지를 구상하는 역할을 합니다. 여기에는 PCB나 외부 입력 간 연결을 설계하는 것은 물론, 시스템 요건에 맞춘 기판의 배치 구조를 최적화하는 작업까지 포함됩니다.

소규모 조직에서는 PCB 설계자와 전자 엔지니어/시스템 아키텍트의 역할이 하나의 직무로 통합되기도 합니다. 그러나 기판 자체의 설계와 전반적인 전자 시스템 구조를 매핑하고 시각화하는 작업은 명확히 구분되어야 할 중요한 영역입니다.

기계 엔지니어

 

기계 엔지니어는 전체 부품 간 조립 적합성에 대한 고유한 관점을 제공하고, 제품 전체 구조와의 통합을 최적화하기 위해 설계 조정 또는 부품 개선 방향을 제시할 수 있습니다. PCB를 전체 제품 설계에 효과적으로 통합하려면 기계 엔지니어의 참여가 매우 중요합니다.

기계 엔지니어는 앞서 언급한 역할 외에도 시스템 과열을 방지하기 위한 열 관리 전략을 전반적인 제품 설계에 효과적으로 반영할 수 있는 인사이트를 제시하며, 이는 PCB 설계 및 구현 과정에 매우 중요한 요소입니다.

PCB 제조업체

 

PCB 제조업체도 PCB 설계, 통합, 생산 전 과정에서 핵심 역할을 하는 주요 종사자입니다. 실제 PCB 제작에 필요한 자재를 조달하는 PCB 제조업체는 설계자들이 구성한 내용을 실제 구현 가능한 형태로 가능한 형태로 이끌려면 어떤 물리적 자원을 사용해야 하는지에 관해 중요한 인사이트를 제공하므로 설계 과정 전반에 걸쳐 지속적으로 논의에 참여해야 합니다.

또한 PCB 제조 공정은 PCB가 포함된 제품 예산의 상당 부분을 차지하며, 시스템이 복잡해질수록 그 영향력이 더욱 커집니다. 따라서 PCB 제조업체는 프로젝트 제안 시 중요한 예상 비용 산정 논의의 핵심 참여자로서 반드시 포함되어야 합니다.

인쇄 회로 기판은 어떤 업계에서 사용되나요?

PCB는 개인용 스마트 기기부터 대규모 산업 시스템에 이르기까지 거의 모든 현대 기술 장비에서 사용되고 있습니다. 아래 산업 분야별로 PCB가 어떻게 활용되고 있는지 살펴보십시오.

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인쇄 회로 기판 솔루션

SOLIDWORKS는 SOLIDWORKS Electrical 포트폴리오를 통해 전기 시스템 설계를 지원하기 위한 다양한 도구를 제공하며, 여기에는 PCB를 CAD 설계에 통합하는 도구도 포함되어 있습니다. 한번 살펴볼까요?

SOLIDWORKS용 CircuitWorks

CircuitWorks 스크린샷

CircuitWorks는 SOLIDWORKS CAD 소프트웨어에서 사용할 수 있는 애드인입니다. CircuitWorks는 PCB 설계를 SOLIDWORKS 에코시스템에 통합함으로써 ECAD 및 MCAD 팀 간의 협업을 한층 더 강화해 줍니다. CircuitWorks는 협업 도구로써 PCB 레이아웃 정보를 SOLIDWORKS의 파라메트릭 설계에 직접 불러올 수 있도록 지원하며, SOLIDWORKS에서 정의한 어셈블리를 원하는 PCB 도구로 전송할 수도 있습니다. 이 양방향 설계는 CircuitWorks가 사용자가 원하는 방식대로 작동하여 현재의 워크플로를 보완한다는 것을 의미합니다.

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용어: 인쇄 회로 기판(PCB) 정의

PCB 관련 설계 및 생산 과정에는 고유한 전문 용어들이 많이 사용됩니다. PCB 설계, 통합, 생산과 관련된 주요 용어들을 함께 정리해 보겠습니다.

용어
정의
트레이스

트레이스는 각 기판 층에 식각되어 형성되는 전도 경로로, 보통 구리로 제작됩니다. 트레이스는 기판의 내부층과 외부층 모두에 형성될 수 있습니다. 내부 및 외부 궤적은 위치에 따라 열 분산 성능과 물리적 사양(폭, 두께 등)이 달라집니다. 좀 더 자세히 살펴보겠습니다.

내부 트레이스
회로 기판 내부층에 형성된 내부 트레이스입니다. 내부 트레이스는 외부 트레이스에 비해 열 분산 능력이 떨어집니다. 따라서 과열을 방지하기 위해 트레이스의 폭, 두께, 라우팅을 신중하게 설계해야 합니다.

외부 트레이스
반대로, 외부 트레이스는 기판의 상단 또는 하단에 있는 전도 경로입니다. 조립된 PCB를 보면 이러한 트레이스를 뚜렷하게 확인할 수 있으며, PCB 특유의 선형 패턴을 형성합니다. 외부 트레이스는 기판의 노출된 표면에 있기 때문에 내부 트레이스보다 열 조절 성능이 뛰어납니다.

구멍

PCB의 구멍은 기판 층을 관통하는 모든 천공을 의미합니다. 이러한 구멍은 기계 드릴링, 레이저 제거 또는 화학 용해 공정 등을 통해 가공됩니다. PCB에는 물리적 부품을 고정하기 위한 구조적 구멍뿐만 아니라 기판 층 간 연결을 위한 구멍도 함께 있을 수 있습니다. 구멍의 구체적인 형태, 크기, 배치 방향은 각 기판의 설계 조건에 따라 달라집니다. 

또한 PCB 구멍은 다음과 같이 도금 처리된 구멍과 비도금 구멍으로 구분됩니다. 

도금 처리된 구멍
도금 처리된 구멍은 내부에 전도성 금속이 도금된 구멍입니다. 이러한 전기 전도 기능을 수행하도록 설계되어 있습니다.

비도금 구멍
비도금 구멍은 전기가 통하지 않는 기판의 한 층 혹은 여러 층을 관통하도록 만들어진 구멍입니다. 이런 구멍은 보통 전도성이 없기 때문에 회로 연결보다는 주로 구조적 용도로 사용됩니다.

비아

도금 처리된 구멍의 일종으로 PCB 층 간에 신호를 전달하기 위해 사용됩니다. 대표적인 비아의 종류는 다음과 같습니다.

관통형 비아
관통형 비아는 기판 최상단부터 하단까지 관통하여 모든 층을 연결하는 역할을 합니다. 관통형 비아는 맹점 비아 및 매립 비아를 조합해 사용하는 것에 비해 제조가 상대적으로 간편하기 때문에 효율적인 선택입니다.

맹점 비아
맹점 비아는 PCB 최상단 또는 최하단 중 하나에 위치합니다. 이러한 비아는 기판 외부층과 내부층 간의 연결을 제공합니다. 사용 가능한 표명 공간은 줄어들지만 그만큼 내부층 공간을 확보할 수 있습니다.

매립 비아
매립 비아는 내부층들 사이에 위치하여 하나 이상의 내부층에 신호를 전달합니다. 맹점 비아와 반대로, 매립 비아를 사용하면 내부층 공간이 일부 줄어들지만 대신 표면 공간을 더 넓게 활용할 수 있습니다.

마이크로비아
마이크로비아는 HDI(고밀도 상호 연결) PCB에서 주로 사용하는 특수한 형태의 비아입니다. 마이크로 비아는 기존 비아보다 훨씬 작고 고밀도 회로 설계가 가능하므로 제한된 공간에서 더 많은 기능을 실장할 수 있습니다.

킵인/킵아웃

킵인/킵아웃은 PCB 설계에서 자주 사용되는 용어입니다. 이는 기판 층에서 부품을 배치할 수 있는 영역과 배치하지 말아야 할 영역을 정하는 설계 관련 개념입니다.

 

표면 실장 장치(SMD) 부품

표면 실장 장치(SMD) 부품은 납땜을 통해 보드 표면에 부착됩니다. 이러한 부품은 관통형 부품들과 달리 보드를 관통해 내부층에 직접 연결되지 않습니다. 대표적인 SMD 유형으로는 저항기, 인덕터, 트랜지스터, 커패시터, 다이오드, IC(통합 컨트롤러) 등이 있습니다.

 

강성

강성은 기판의 유연성을 결정합니다. 강성에는 다양한 형태가 있으며 가장 일반적인 형태는 다음과 같습니다.

강성(리지드)
강성 PCB의 경우 유연성이 없습니다. 여전히 가장 널리 사용되는 PCB 유형의 강성 보드는 낮은 스트레스 환경과 표준 형상에 이상적인 솔루션입니다. 또한 강성 기판은 다른 형태의 기판에 비해 제조 공정이 비교적 간단하며 대량 생산에 매우 적합합니다.

연성(플렉스)
연성 PCB는 전면 유연성을 갖춘 회로 기판입니다. 연성 PCB는 보통 폴리이미드 소재로 제작되며, 이는 고유연성과 내열성을 갖춘 고성능 플라스틱입니다. 연성 PCB는 유연성이 뛰어나 비정형 구조에 적합하며, 웨어러블 기기와 같은 소형 전자제품에 많이 활용됩니다.

강성-연성(리지드-플렉스)
강성-연성 PCB는 강성 기판과 연성 기판의 장점을 결합한 하이브리드 형태의 회로 기판입니다. 강성-연성 기판은 강성 기판보다 높은 수준의 기계적 충격을 흡수할 수 있으며, 유연성과 내구성을 겸비해 까다로운 환경에도 이상적인 솔루션입니다. 굽힘 반경이나 기계적 스트레인 등에서 다른 기판보다 더 많은 설계 고려 사항이 필요할 수 있지만, 일단 제작되면 맞춤형 설계부터 개인용 제품 및 산업용 장비까지 폭넓게 활용 가능한 뛰어난 선택지입니다.

프리프레그

프리프레그는 "미리 함침된(pre-impregnated)"이라는 뜻에서 유래된 용어로, 다층 PCB에서 절연층 역할을 하는 핵심 소재입니다. 프리프레그 층은 일반적으로 수지를 함침시킨 유리섬유로 구성되며, PCB의 구리층을 연결하고 절연하는 데 필수적인 역할을 합니다. 단면 PCB는 하나의 도전층만 포함하고 있어 코어 어셈블리에 사용되는 경우를 제외하고는 층간 분리가 요구되지 않기 때문에 별도의 프리프레그 층이 필요하지 않습니다.

 

코어

PCB의 코어는 PCB의 베이스 또는 기판 소재라고도 합니다. 코어는 사전에 압축된 층으로 구성됩니다. 코어 또는 기판 소재는 양쪽에 각각 구리 호일과 프리프레그 소재가 적층되어 샌드위치 구조를 이룹니다. 코어는 보통 프리프레그와 유사한 유리섬유-수지 혼합물로 구성되며, ‘FR4’ 코어 또는 PCB라는 명칭으로 표기될 수 있습니다. 또한 코어는 열 전도성을 높이기 위해 세라믹 소재로 제작되거나 보강될 수 있으며, 구조적 강성을 높이기 위해 금속 기반의 금속 코어 PCB로도 구성될 수 있습니다. 코어 선택은 보드의 사용 목적과 운영 환경에 따라 달라집니다.

 

실크스크린

실크스크린은 PCB의 최상단 층으로, 제조 공정 마지막 단계 중 하나로 적용됩니다. 주로 흰색으로 인쇄되는 실크스크린 층은 부품 라벨링, 브랜드 마킹, 그 외 보드 상에 필요한 모든 문자 정보를 표기하는 데 사용됩니다.

 

솔더 마스크

솔더 레지스트라고도 불리는 솔더 마스크는 납땜이 필요한 부분을 제외한 PCB 전체를 보호하는 절연 보호막입니다. 솔더 마스크는 보통 녹색이지만 붉은색이나 검은색 등 다양한 색상으로 구현되며, 전기적/물리적 절연을 통해 트레이스 간의 쇼트 발생을 효과적으로 방지합니다.

 

Gerber 파일

Gerber 파일은 제조업체 PCB 사양을 공유할 때 사용되는 업계 표준 제조 파일 형식입니다.

 

ODB++ 파일

ODB++ 파일은 설계와 제조 간의 정보를 전달하는 또 다른 표준 방식입니다. CAD 및 CAM 도구 간에 PCB 설계 정보를 효과적으로 전달함으로써 설계/엔지니어링 팀과 제조 팀 간의 원활한 협업을 지원합니다.