PCB 제조 과정 단계: 회로 보드 건설에 대한 포괄적 인 가이드

인쇄 회로 기판(PCB) 제작은 디지털 설계를 전자 부품을 위한 물리적 플랫폼으로 변환하는 정밀하고 다단계의 공정입니다. 프로토타입 제작부터 대량 생산까지, 재료 선택부터 최종 테스트까지 각 단계는 PCB가 의도된 응용 분야에서 안정적으로 작동하도록 정확성을 요구합니다. 간단한 IoT 센서든 복잡한 5G 기지국이든, 제작 공정을 이해하는 것은 설계, 비용 및 성능을 최적화하는 데 핵심입니다.

이 가이드는 PCB 제작의 10가지 핵심 단계를 자세히 설명하며, 주요 기술, 품질 검사 및 표준 공정과 고급 공정 간의 차이점을 강조합니다. 마지막으로, 설계가 어떻게 기능적인 회로 기판이 되는지에 대한 명확한 로드맵을 갖게 될 것입니다.

주요 내용
  a. PCB 제작은 재료 절단부터 최종 테스트까지 10가지 중요한 단계를 포함하며, 각 단계는 성능과 비용에 영향을 미칩니다.
  b. 고급 공정(예: 레이저 드릴링, 자동 광학 검사)은 정밀도를 향상시키지만 표준 방법에 비해 생산 비용을 10~30% 추가합니다.
  c. 재료 선택(FR4 vs. Rogers) 및 레이어 수(2 vs. 16 레이어)는 제작 복잡성 및 리드 타임에 상당한 영향을 미칩니다.
  d. 각 단계의 품질 검사는 결함률을 10%(검사 없음)에서 <1%(종합 테스트)로 줄여 재작업 비용을 70% 절감합니다.

PCB 제작 개요: 설계에서 생산까지
PCB 제작은 CAD(Computer-Aided Design) 파일을 일련의 감산 및 가산 공정을 통해 물리적 기판으로 변환합니다. 워크플로우는 레이어 수, 재료 및 응용 분야에 따라 다르지만 일관된 핵심 시퀀스를 따릅니다. 다음은 세부 사항을 살펴보기 전에 간략한 개요입니다.
1. 설계 검토 및 CAM 파일 준비
2. 재료 절단
3. 내부 레이어 이미징
4. 내부 레이어 에칭
5. 레이어 라미네이션
6. 드릴링
7. 도금
8. 외부 레이어 이미징 및 에칭
9. 표면 마감 적용
1. 최종 테스트 및 검사

1단계: 설계 검토 및 CAM 파일 준비
제작을 시작하기 전에 설계를 검증하고 제조 준비가 된 파일로 변환해야 합니다.
  a. 제조 가능성(DFM) 검사: 엔지니어는 CAD 설계를 검토하여 제작 제약 조건(예: 최소 트레이스 너비 0.1mm, 홀 크기 ≥0.2mm)을 충족하는지 확인합니다. 좁은 간격이나 지원되지 않는 기능과 같은 문제는 생산 지연을 방지하기 위해 플래그가 지정됩니다.
  b. CAM 파일 변환: 설계는 레이어 데이터, 드릴 좌표 및 재료 사양을 포함하는 CAM(Computer-Aided Manufacturing) 파일로 변환됩니다. Gerber 및 ODB++ 형식과 같은 소프트웨어가 표준입니다.
  c. 패널화: 소형 PCB는 재료 사용을 극대화하고 생산을 간소화하기 위해 더 큰 패널(예: 18"×24")로 그룹화됩니다. 패널화는 대량 생산 시 비용을 20~30% 절감합니다.
주요 지표: 철저한 DFM 검사는 제작 후 재작업을 40% 줄입니다.

2단계: 재료 절단
기본 기판(일반적으로 유리 섬유 강화 에폭시인 FR4)을 필요한 패널 크기로 절단합니다.
  a. 기판 선택: FR4는 비용과 다용도성으로 인해 PCB의 90%에 사용됩니다. 고성능 기판은 Rogers(고주파용) 또는 금속 코어(열 관리용)를 사용합니다.
  b. 절단 공정: 자동 전단기 또는 레이저 커터는 기판을 패널 치수(예: 12"×18")로 ±0.1mm 공차로 트리밍합니다. 레이저 절단은 더 정밀(±0.05mm)하지만 기계적 전단보다 20% 느립니다.
  c. 디버링: 모서리를 매끄럽게 하여 다음 단계에서 장비 손상을 방지합니다.

3단계: 내부 레이어 이미징
다층 PCB의 경우, 내부 레이어는 포토리소그래피를 사용하여 구리 트레이스로 패턴화됩니다.
  a. 세척: 패널은 화학적으로 세척하여 오일, 먼지 및 산화를 제거하여 포토레지스트의 적절한 접착력을 보장합니다.
  b. 포토레지스트 적용: 감광성 폴리머(포토레지스트)는 롤러 코팅을 통해 적용됩니다(두께: 10~20μm). 액체 포토레지스트는 미세한 특징(<0.1mm 트레이스)에 사용됩니다. 건식 필름은 더 큰 설계에 사용됩니다.
  c. 노출: 패널은 포토마스크(회로 설계의 스텐실)를 통해 UV 광에 노출됩니다. 포토레지스트는 노출된 영역에서 경화(가교 결합)되어 아래의 구리를 보호합니다.
  d. 현상: 경화되지 않은 포토레지스트는 화학 용액(예: 탄산나트륨)으로 씻어내어 원하는 트레이스 패턴을 보호합니다.
고급 기술: 레이저 직접 이미징(LDI)은 포토마스크를 레이저 스캔으로 대체하여 HDI(High-Density Interconnect) PCB의 경우 0.025mm만큼 작은 트레이스 너비를 가능하게 합니다.

4단계: 내부 레이어 에칭
에칭은 원치 않는 구리를 제거하여 패턴화된 트레이스만 남깁니다.
  a. 에천트 유형:
     염화철: 저렴하지만 느립니다. 소량 생산에 사용됩니다.
     과황산암모늄: 빠르고 더 정밀합니다. 대량, 미세 피치 설계에 이상적입니다.
  b. 공정: 패널을 에천트에 담그거나 분사하여 보호되지 않은 구리를 용해시킵니다. 에칭 시간(2~5분)은 과도한 에칭(트레이스 좁아짐) 또는 언더 에칭(잔류 구리)을 방지하도록 보정됩니다.
  c. 레지스트 스트리핑: 남은 포토레지스트는 용매 또는 알칼리 용액으로 제거하여 구리 트레이스를 노출시킵니다.
품질 검사: AOI(자동 광학 검사)는 누락된 트레이스, 단락 또는 언더 에칭과 같은 결함을 스캔하여 라미네이션 전에 오류의 95%를 감지합니다.

5단계: 레이어 라미네이션
다층 PCB는 열과 압력을 사용하여 함께 접착됩니다.
  a. 프리프레그 준비: 프리프레그(경화되지 않은 에폭시로 함침된 유리 섬유) 시트를 크기에 맞게 절단합니다. 프리프레그는 레이어 간의 접착제와 절연체 역할을 합니다.
  b. 스택업: 내부 레이어, 프리프레그 및 외부 구리 호일을 툴링 핀을 사용하여 정렬합니다(공차: ±0.05mm). 16 레이어 PCB의 경우, 이 단계에서는 레이어 미스 레지스터를 방지하기 위해 정밀한 정렬이 필요합니다.
  c. 프레싱: 스택을 가열(170~180°C)하고 60~90분 동안 가압(300~500psi)하여 프리프레그를 경화하고 레이어를 단일 패널로 접착합니다.
문제점: 레이어 간의 기포는 박리를 유발합니다. 진공 프레싱(경화 전에 공기를 제거)은 이 위험을 90% 줄입니다.

6단계: 드릴링
레이어(비아)를 연결하고 부품(스루홀)을 장착하기 위해 구멍을 뚫습니다.
  a. 드릴 유형:
    기계식 드릴: ≥0.2mm 홀용; 빠르지만 덜 정밀합니다.
    레이저 드릴: 마이크로비아(0.05~0.2mm)용; HDI PCB에 사용됩니다.
  b. 공정: CNC 드릴 머신은 CAM 파일 좌표를 따라 시간당 최대 10,000개의 구멍을 뚫습니다. 피킹 드릴링(간헐적 후퇴)은 파편을 제거하여 구멍 막힘을 방지합니다.
  c. 디버링: 구멍을 청소하여 구리 버를 제거하여 안정적인 도금을 보장합니다.

7단계: 도금
홀과 외부 레이어는 구리로 도금되어 레이어 간의 전기적 연결을 생성합니다.
  a. 디스미어: 화학 물질(예: 과망간산염)은 드릴 구멍에서 에폭시 스미어를 제거하여 구리 접착력을 보장합니다.
  b. 무전해 구리 도금: 얇은 층(0.5~1μm)의 구리가 전기 없이 홀 벽과 외부 표면에 증착되어 전도성 베이스를 생성합니다.
  c. 전기 도금: 패널을 황산구리 욕조에 담그고 전류를 가하여 트레이스와 홀 벽에 구리(15~30μm)를 두껍게 합니다. 이 단계는 비아에서 낮은 저항(≤10mΩ)을 보장합니다.
고급 옵션: 비아 채우기(홀을 완전히 채우기 위한 전기 도금)는 기계적 강도를 추가하여 고진동 응용 분야(자동차, 항공 우주)에 이상적입니다.

8단계: 외부 레이어 이미징 및 에칭
외부 레이어는 내부 레이어와 유사하게 패턴화되지만 솔더 마스크 및 실크 스크린에 대한 추가 단계가 있습니다.
  a. 이미징: 포토레지스트를 적용, 노출 및 현상하여 외부 트레이스를 정의합니다.
  b. 에칭: 보호되지 않은 구리를 제거하여 외부 트레이스와 패드를 남깁니다.
  c. 솔더 마스크 적용: 녹색(가장 일반적) 또는 유색 폴리머를 적용하여 트레이스를 덮고 솔더링을 위해 패드를 노출시킵니다. 솔더 마스크는 단락을 방지하고 산화를 방지합니다.
  d. 실크 스크린 인쇄: 잉크를 솔더 마스크에 인쇄하여 부품(예: "R1," "+5V")에 레이블을 지정하여 조립 및 문제 해결을 지원합니다.
트렌드: LED PCB의 경우 투명 솔더 마스크와 흰색 실크 스크린이 인기를 얻어 빛 확산을 개선하고 있습니다.

9단계: 표면 마감 적용
표면 마감은 노출된 구리 패드를 산화로부터 보호하고 안정적인 솔더링을 보장합니다.

10단계: 최종 테스트 및 검사
완성된 패널은 품질을 보장하기 위해 엄격한 테스트를 거칩니다.
  a. 전기 테스트: 플라잉 프로브 테스터는 모든 네트에서 단락, 개방 및 저항을 확인하여 연결성을 확인합니다.
  b. AOI: 고해상도 카메라는 결함(예: 정렬 불량 솔더 마스크, 누락된 실크 스크린)을 검사합니다.
  c. X선 검사: BGA 및 HDI PCB에 사용하여 숨겨진 솔더 조인트 및 비아 품질을 확인합니다.
  d. 임피던스 테스트: 고속 PCB의 경우 TDR(Time Domain Reflectometer)은 신호 무결성을 보장하기 위해 제어된 임피던스(예: 50Ω, 100Ω)를 확인합니다.
  e. 디패널화: 패널은 설계에 따라 라우팅, 스코어링 또는 레이저 절단을 사용하여 개별 PCB로 절단됩니다.

표준 vs. 고급 제작: 주요 차이점

FAQ
Q: PCB 제작에 얼마나 걸립니까?
A: 표준 2 레이어 PCB의 경우 5~7일, 16 레이어 HDI 보드의 경우 10~14일입니다. 긴급 서비스는 리드 타임을 30% 단축하지만 비용을 50% 추가합니다.

Q: PCB 제작 결함의 원인은 무엇입니까?
A: 일반적인 문제는 레이어 미스 레지스터(불량 라미네이션), 언더/오버 에칭 및 드릴 정렬 불량입니다. 엄격한 공정 관리는 결함을 <1%로 줄입니다.

Q: 제작이 시작된 후 설계를 변경할 수 있습니까?
A: 레이어 라미네이션 후 변경은 비용이 많이 듭니다(원래 비용의 50~100%). DFM 단계에서 설계를 마무리하는 것이 가장 좋습니다.

Q: PCB 제작 비용은 얼마입니까?
A: 표준 2 레이어 PCB의 경우 (5~15)(1000개 단위); 고급 16 레이어 HDI 보드의 경우 (20~50)입니다. 재료(예: Rogers vs. FR4) 및 볼륨이 가격을 결정합니다.

Q: PCB의 최대 레이어 수는 얼마입니까?
A: 상업용 PCB는 40개 이상의 레이어에 도달하지만(예: 슈퍼컴퓨터), 대부분의 응용 분야에서는 2~16개의 레이어를 사용합니다.

결론
PCB 제작은 설계 복잡성, 재료 과학 및 제조 기술의 균형을 맞추는 정밀 주도형 공정입니다. 설계 검토부터 최종 테스트까지 각 단계는 보드가 전기적, 기계적 및 신뢰성 요구 사항을 충족하는 데 중요한 역할을 합니다.
이러한 단계를 이해하면 엔지니어가 의료 기기에 HASL 대신 ENIG를 선택하거나 HDI 스마트폰 PCB에 레이저 드릴링을 지정하는 등 비용과 성능을 위해 설계를 최적화하는 데 도움이 됩니다. 전자 제품이 발전함에 따라 제작 공정은 계속 발전하여 미래 기술을 위한 더 작고 빠르며 더 안정적인 PCB를 가능하게 할 것입니다.

품질 검사를 우선시하고 고급 장비를 사용하는 제조업체와 협력하면 가장 까다로운 응용 분야의 요구 사항도 충족하는 PCB를 보장할 수 있습니다.