PCB 핵심 개념: 인쇄 회로 기판이란 무엇이며 어떻게 작동하는가

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PCB (Printed Circuit Board)는 주머니의 스마트 폰에서 자율 주행 차의 레이더에 이르기까지 모든 현대 전자 장치의 불완전한 백본입니다. 이 평평한 계층 보드는 지저분한 와이어를 정확한 구리 트레이스로 대체하여 구성 요소를 구성하고 신뢰할 수있는 전기 연결을 보장합니다. PCB가 없으면 오늘날의 소형화 된 고성능 전자 장치는 불가능할 것입니다. 수백 개의 느슨한 와이어가있는 스마트 폰이나 얽힌 연결로 인해 실패한 의료 모니터를 상상해보십시오.

글로벌 전자 산업이 성장함에 따라 PCB에 대한 수요도 증가합니다. 글로벌 PCB 시장은 전기 자동차 (EVS)가 구동되는 전기 자동차 (EVS)가 구동되는 2025 년 8442 억 달러에서 2030 억 달러로 확장 될 것으로 예상됩니다. 이 안내서는 PCB의 핵심 개념을 세분화합니다. 그와 같은 것, 구조, 주요 구성 요소, 응용 프로그램 및 매일 우리가 의존하는 장치에 전원을 공급하는 방법. 당신이 DIY 프로젝트를 구축하든 산업 장비를 설계하는 엔지니어이든, 이러한 기초를 이해하면 PCB를보다 효과적으로 작업하는 데 도움이됩니다.

주요 테이크 아웃
1. 정의 : PCB는 전도성 구리 트레이스를 사용하여 전자 부품을 연결하고 부피가 큰 와이어를 교체하고 소형화를 가능하게하는 계층화 된 보드입니다.
2. 유형 : PCB는 복잡성 (단면, 양면, 다층) 및 신뢰성 (장난감의 경우 1 등급, 의료/항공 우주 장치의 클래스 3)으로 분류됩니다.
3. 구조 : 코어 층에는 기판 (예 : FR4), 구리 트레이스, 솔더 마스크 (보호 코팅) 및 실크 스크린 (라벨)이 포함됩니다.
4. 자료 : FR4는 대부분의 전자 제품의 표준 기판입니다. Flexible PCB는 폴리이 미드를 사용하는 반면 고주파 설계는 PTFE에 의존합니다.
5. 응용 프로그램 : PCBS 전력 소비자 가제트, EV, 의료 기기 및 항공 우주 시스템 - 각 산업의 요구에 대한 특수 설계.
6. 코스트 및 효율성 : 다층 PCB는 비용이 많이 들지만 공간을 절약합니다. 대량 생산량은 단위당 비용을 30-50%감소시킵니다.

PCB 란 무엇입니까? 정의, 목적 및 분류
PCB (Printed Circuit Board)는 구리 층으로 에칭 된 전도성 경로 ( "트레이스"라고 함)를 사용하여 전자 구성 요소를 기계적으로지지하고 전기적으로 연결하는 견고하거나 유연한 보드입니다. 구형 "포인트-포인트"배선 (부품을 연결하기 위해 느슨한 와이어를 사용한)과 달리 PCB는 작고 내구성이 뛰어나며 대량 생산하기 쉽습니다.

PCB의 핵심 목적
PCB는 전자 제품의 세 가지 중요한 문제를 해결합니다.

1. 관리 : 구리 트레이스 (0.1mm만큼 얇음) 디자이너는 신용 카드 (예 : 스마트 폰의 주요 PCB)보다 작은 보드에 수백 개의 구성 요소를 장착 할 수 있습니다.
2. RELEALIVE : 고정 트레이스는 유선 회로에 비해 실패율을 70% 줄이면 감소를 제거합니다.
3. 제조 가능성 : 자동 조립품 (픽 앤 플레이스 머신)은 시간당 1,000 개 이상의 PCB를 채울 수 있으므로 대량 생산이 저렴합니다.

PCB 분류 : 신뢰성과 복잡성에 의한
PCB는 의도 된 사용 (신뢰성) 및 계층 수 (복잡성)에 따라 카테고리로 그룹화됩니다. 설계자 및 제조업체의 주요 요소.
1. 신뢰성 클래스 (IPC 표준)
IPC (Association Connecting Electronics Industries)는 PCB가 장치 기능에 얼마나 중요한지에 따라 세 가지 클래스를 정의합니다.

예 : 맥박 조정기의 클래스 3 PCB는 고장을 피하기 위해 엄격한 테스트 (예 : 1,000+ 열 사이클)를 충족해야하며 장난감의 클래스 1 PCB는 기본 기능 만 필요합니다.

2. 복잡성 클래스 (계층 수)
레이어 카운트는 PCB가 지원할 수있는 전도성 경로 수를 결정합니다. 더 많은 레이어는 더 많은 구성 요소와 더 빠른 신호를 의미합니다.

트렌드 : 다층 PCB (6-12 층)는 이제 스마트 폰 및 EVS에서 표준입니다. Apple의 iPhone 15는 8 층 PCB를 사용하여 5NM 프로세서와 5G 모뎀을 슬림 한 설계로 사용합니다.

PCB vs. PCBA : 차이점은 무엇입니까?
혼란의 일반적인 원인은 PCB와 PCBA (인쇄 회로 보드 어셈블리)의 구별입니다.

A.PCB : "베어 보드" - 구성 요소가 부착되지 않은 층 구조 (기판, 구리, 솔더 마스크) 만.
B.PCBA : 완제품 - 컴포넌트 (저항, IC, 커넥터)는 PCB에 납땜되어 기능적으로 만듭니다.

예 : 제조업체는 베어 PCB를 애호가에게 판매 할 수 있지만 스마트 폰 공장은 장치에 설치할 준비가 된 PCBA를 구매합니다.

PCB 구조 : 층 및 재료
PCB의 성능은 계층 디자인과 각 층에 사용되는 재료에 따라 다릅니다. 작은 변화 (예 : 두꺼운 기질)조차도 내구성, 신호 속도 및 내열성에 영향을 줄 수 있습니다.

표준 PCB의 4 개의 핵심 층
대부분의 강성 PCB (예 : FR4 기반)는 4 개의 키 레이어를 가지고 있으며 유연하거나 다층 설계에는 특정 요구에 맞는 추가 레이어를 추가합니다.

고급 PCB의 선택적 레이어 :

A. 파워/지면 평면 : 전력을 분배하고 소음을 줄이는 내부 구리 층 (다층 PCB)-고속 설계의 비판적.
B. 청성기 VIAS : 뜨거운 성분 (예 : IC)에서 내부 층 또는 방열판으로 열을 전달하는 구리로 채워진 구멍.

주요 PCB 재료 : 올바른 것을 선택하는 방법
재료 선택은 PCB의 사용 사례에 따라 달라집니다. EEG, 유연한 스마트 워치 밴드는 고열 EV 인버터와 다른 기판이 필요합니다. 아래는 가장 일반적인 재료를 비교 한 것입니다.

중요한 고려 사항 : 고주파 설계 (예 : 5G MMWAVE)의 경우 PTFE의 낮은 유전체 손실 (DF = 0.0002)은 신호 감쇠를 최소화합니다.

필수 PCB 구성 요소 : 그들이하는 일과 중요한 이유
PCB는 구성 요소가 납땜 될 때만 기능적입니다. 각 구성 요소는 전류 제어에서 처리 데이터에 이르기까지 특정 역할을합니다. 다음은 가장 일반적인 구성 요소와 그 기능입니다.
일반적인 PCB 구성 요소 및 그 역할

예 : 무선 이어 버드에서 IC는 오디오 신호를 프로세스하고, 커패시터는 배터리의 부드러운 전력을, 저항기는 스피커를 과전류로부터 보호합니다.

구성 요소가 함께 작동하는 방법
구성 요소는 특정 작업을 수행하기 위해 회로 (시리즈, 병렬 또는 혼합)로 배열됩니다. 예를 들어:

A. 파워 회로 : 배터리 공급 전압 → 다이오드는 역전 전류를 방지 → 커패시터 필터 노이즈 → A 레지통 제한을 LED로 전류합니다.
B. Signal Circuit : 센서가 조명을 감지합니다 → 트랜지스터 트랜지스터 → IC는 데이터를 처리합니다 → 커넥터는 결과를 디스플레이로 보냅니다.

이 협업은 PCB가 느슨한 전선이 필요하지 않은 단일 응집력 시스템으로 기능합니다.

PCB 애플리케이션 : 사용되는 곳 (및 이유)
PCB는 어디에나 있지만, 그들의 디자인은 산업마다 크게 다릅니다. 장난감을위한 PCB는 위성에 사용 된 내구성이 필요하지 않으며 스마트 워치 용 유연한 PCB는 EV 인버터의 열을 처리 할 수 ​​없습니다.
1. 소비자 전자 장치 : 가장 큰 시장
소비자 가제트는 성능과 경제성의 균형을 잡는 소규모 저비용 PCB에 의존합니다. 주요 응용 프로그램에는 다음이 포함됩니다.

A.SMARTPHONES : 5G 모뎀, 프로세서 및 카메라에 적합한 작은 흔적 (0.1mm)이있는 6-12 층 PCB.
B. wearbles : 스마트 워치 또는 피트니스 밴드로 구부리는 유연한 폴리이 미드 PCB-Apple Watch는 스트랩에 4 층 유연한 PCB를 사용합니다.
C.home 기기 : 냉장고 (제어 온도) 및 전자 레인지 (전력 관리)의 단일 또는 양면 FR4 PCB.

시장 데이터 : 소비자 전자 장치는 연간 스마트 폰 판매로 13 억 대의 스마트 폰 판매로 인해 글로벌 PCB 수요의 40%를 차지합니다.

2. 자동차 : EVS와 ADAS는 성장을 구동합니다
자동차는 그 어느 때보 다 많은 PCB를 사용합니다. 전통적인 얼음 (내연 기관) 자동차에는 50–100 PCB가 있고 EV에는 300–500이 있습니다. 중요한 자동차 PCB 애플리케이션 :

A.adas (고급 드라이버 보조 시스템) : 레이더 (77GHz) 및 LIDAR 시스템의 다층 PCB-Tesla의 자동 조종 장치는 정확한 객체 감지를 위해 8 층 B.PCB를 사용합니다.
C.EV 배터리 관리 시스템 (BMS) : 400V DC를 처리하고 배터리 셀에서 열을 소산하는 두꺼운 코퍼 (2oz+) PCB.
인포테인먼트 : 터치 스크린 및 블루투스 연결을위한 양면 PCB.

주요 요구 사항 : 자동차 PCBS는 -40 ° C ~ 125 ° C 온도와 진동 (20G+)을 견딜 수 있어야하므로 High -TG FR4 (TG ≥170 ° C)와 추가 솔더 마스크 보호를 사용합니다.

3. 의료 기기 : 안전과 정밀도
의료용 PCB는 클래스 3 (안전성)이며 생체 적합성, 무균 및 신뢰성이 필요합니다. 일반적인 용도 :

A. Implantables : 맥박 조정기 및 신경 자극기의 유연한 폴리이 미드 PCB - 생체 적합성과 체액을 견딜 수 있습니다.
B. 진단 : 초음파 기계 및 혈액 분석기의 다층 PCB-노이즈 설계는 정확한 판독 값을 보장합니다.
C. wearables : 심박수 모니터의 유연한 PCB - 신체를 준수하고 땀에 저항합니다.

준수 : Medical PCB는 ISO 13485 표준을 충족하고 엄격한 테스트를 거칩니다 (예 : 멸균을위한 1,000+ Autoclave Cycles).

4. 항공 우주 및 방어 : 극도의 내구성
항공 우주 PCB는 가혹한 환경 (방사선, 진공, 극한 온도)에서 작동하며 실패해야합니다. 응용 프로그램에는 다음이 포함됩니다.

A.Satellites : 방사선 (100krad)에 저항하고 -55 ° C ~ 125 ° C에서 작동하는 PTFE 및 세라믹 PCB.
B. Military Aircraft : 레이더 및 내비게이션 시스템의 다층 PCB - 총기 진동 (100G) 및 연료 노출을 견딜 수 있습니다.
C.missiles : 타겟팅 시스템을 안내하는 고주파 PCB —PTFE 기판은 100GHz에서 신호 손실을 최소화합니다.

테스트 : 항공 우주 PCBS는 열 순환, 진동 및 방사선을위한 MIL-STD-883H (군사 표준)를 통과합니다.

PCB의 작동 방식 : 전기 연결 및 신호 흐름
PCB의 임무는 간섭이나 손실없이 구성 요소간에 전기 신호와 전력을 이동하는 것입니다. 이것은 세 가지 주요 설계 원칙에 의존합니다.
1. 추적 라우팅 : 신호의 "도로"
구리 흔적은 신호와 전력을 전달하는 "도로"입니다. 디자이너는 라우팅을 최적화합니다.

a.minimize length : 짧은 트레이스 감소 신호 지연 감소-고속 설계의 비판적 (예 : 5G는 5cm <5cm를 사용하여 대기 시간을 피합니다).
B.Avoid 크로스 오버 : 단면 PCB에서 트레이스가 교차 할 수 없으므로 양면/다층 PCB는 vias (구멍)를 사용하여 레이어 사이의 "점프"를 사용합니다.
C. 제어 너비 : 더 넓은 트레이스가 더 전류를 운반합니다-1mm 넓은 1oz 구리 트레이스 핸들 ~ 10A, 0.2mm 트레이스 핸들 ~ 2A (IPC-2221 표준).

예 : 5G 스마트 폰의 PCB는 신호 경로에 0.15mm의 트레이스를 사용하고 1mm 넓은 트레이스 전원 (배터리에서 IC)을 사용합니다.

2. 임피던스 매칭 : 신호를 명확하게 유지합니다
신호 반사를 방지하기 위해 임피던스 (AC 신호에 대한 저항)는 흔적에 따라 일관성이 있어야합니다. 대부분의 PCB는 단일 끝 신호 (예 : USB)에 50Ω 임피던스를 사용하고 차동 쌍 (예 : 이더넷)에는 100Ω를 사용합니다. 불일치 임피던스 원인 :

A.Signal 손실 : 10% 임피던스 불일치 (50Ω 대신 55Ω)는 신호의 10%를 반영하여 범위를 줄입니다.
B.Noise : 반사 신호는 다른 트레이스를 방해하여 오디오 또는 데이터에서 결함을 유발합니다.

일치하는 방법 : 미량 폭과 기판 두께 조정 0.1mm 두께 FR4 = 50Ω 임피던스에서 0.15mm 폭의 트레이스.

3. 접지 및 소음 감소
접지는 신호를 방해 할 수있는 전자기 간섭 (EMI)을 줄이는 데 중요합니다. PCBS 사용 :

A. 지상 평면 : 소음을 흡수하기위한 "방패"역할을하는 고체 구리 층 (다층 PCB).
B. Single-Point 접지 : 모든 접지 연결은 한 지점에서 만나 "지상 루프"(노이즈를 생성)를 피합니다.
C. 구 커플 링 커패시터 : 전원 노이즈를 필터링하기 위해 IC 근처에 배치 - 0.1μF 커패시터는 대부분의 설계에 대한 표준입니다.

결과 : 근거가있는 PCB는 EMI가 50% 적으므로 의료 모니터와 같은 민감한 장치에 적합합니다.

PCB에 대한 FAQ : 일반적인 질문이 답변되었습니다
Q1 : 단단하고 유연한 PCB의 차이점은 무엇입니까?
A : Ridid PCB (FR4 기반)는 뻣뻣하고 랩톱과 같은 장치에서 사용됩니다. 유연한 PCB (폴리이 미드 기반) 구부러지고 접어서 웨어러블이나 접을 수있는 전화기. Rigid-Flex PCB는 두 가지를 결합합니다 (예 : 스마트 워치 PCB는 강성 코어 및 유연한 스트랩).

Q2 : 올바른 PCB 자료를 어떻게 선택합니까?
A :이 점검 목록을 따르십시오.

1. 응용 프로그램 : 유연한가요? 폴리이 미드를 사용하십시오. 고주파? ptfe를 사용하십시오.
2. 환경 : 뜨거운 (EVS)? High-TG FR4를 사용하십시오. 무균 (의료)? 생체 적합성 폴리이 미드를 사용하십시오.
3. 코스트 : 예산? FR4를 사용하십시오. 프리미엄? PTFE 또는 세라믹을 사용하십시오.

Q3 : 복잡한 장치에 다층 PCB가 더 나은 이유는 무엇입니까?
A : 다층 PCB :

A. SAVE SPACE (6 계층 PCB = 1/3 동일한 구성 요소를 갖는 단면 PCB 크기).
B. REDUCE NOISE (별도의 전력/지상 비행기).
C. 더 빠른 신호를지지합니다 (짧은 트레이스, 제어 임피던스).

Q4 : PCB를 재활용 할 수 있습니까?
A : 예 - 전문화 된 시설은 화학적 또는 기계적 공정을 사용하여 구리 (PCB 무게의 40-60%)와 귀금속 (금,은)을 회수합니다. 재활용은 전자 폐기물을 줄이고 원료 비용을 낮 춥니 다.

Q5 : PCB를 설계하려면 어떤 도구가 필요합니까?
A : 초보자 : Kicad 또는 Easyeda와 같은 무료 도구 (간단한 프로젝트에 적합). 전문가의 경우 : Altium Designer 또는 Cadence Allegro (다층, 고주파 디자인을 처리 함). 대부분의 도구에는 회로도 캡처 (회로도) 및 레이아웃 (구성 요소/추적)이 포함됩니다.

결론
PCB는 현대 전자 제품의 기초로, 소형화, 신뢰성 및 효율성을 당연하게 여기는 효율성을 가능하게합니다. 어린이의 장난감에서 화성 로버에 이르기까지 각 응용 프로그램의 고유 한 요구를 충족시키기 위해 디자인 (계층, 재료, 구성 요소). PCB 핵심 개념을 이해하는 방법, 구조화 된 방법, 사용할 재료 및 구성 요소가 함께 작동하는 방식으로 전자 장치를보다 효과적으로 설계, 빌드 또는 수리하도록합니다.

기술이 발전함에 따라 (6G, AI, Quantum Computing) PCBS도 진화합니다. 더 얇은 트레이스, 더 많은 층 및 새로운 재료 (예 : 더 빠른 신호를위한 그래 핀)는 가능한 한 한계를 밀어냅니다. 당신이 애호가이든 엔지니어이든, 이러한 기초에 익숙해지면 빠르게 진행되는 전자 제품 세계를 따라 잡는 데 도움이됩니다.

제조업체 및 디자이너의 경우 숙련 된 PCB 공급 업체 (LT 회로)와 파트너 관계를 맺으면 보드가 업계 표준 및 성능 요구 사항을 충족시킬 수 있습니다. 올바른 PCB를 사용하면 가장 복잡한 전자 아이디어를 기능적이고 신뢰할 수있는 제품으로 바꿀 수 있습니다.