경성 PCB 제조: 재료, 공정 및 산업 표준

강성 인쇄 회로 기판(PCB)은 스마트폰과 노트북부터 산업 기계 및 의료 장비에 이르기까지 거의 모든 전자 장치의 중추를 형성합니다. 플렉시블 PCB와 달리 강성 PCB는 고정된 형태를 유지하여 부품의 구조적 안정성을 제공하고 고정된 응용 분야에서 안정적인 성능을 보장합니다. 강성 PCB 제조는 재료 선택부터 최종 테스트까지 엄격한 산업 표준에 따라 일련의 정밀한 단계를 거칩니다. 이 가이드에서는 강성 PCB 제조를 정의하는 주요 재료, 공정 및 표준을 살펴보고 이러한 요소가 성능, 비용 및 신뢰성에 미치는 영향에 대한 통찰력을 제공합니다.

강성 PCB 제조의 핵심 재료
강성 PCB의 성능은 기본적으로 기판, 구리 호일 및 보호층을 포함하는 핵심 재료에 의해 결정됩니다. 각 재료는 열 저항, 전기적 성능 및 비용에 대한 응용 분야의 요구 사항에 따라 선택됩니다.

1. 기판 재료
기판은 PCB의 강성 베이스를 형성하여 기계적 지지대와 구리층 간의 전기적 절연을 제공합니다. 가장 일반적인 기판은 다음과 같습니다.

a. FR-4 지배력: 유리 섬유 강화 에폭시(FR-4)는 산업 표준이며 강성 PCB의 ~90%를 차지합니다. 비용, 강도 및 가공성의 균형으로 인해 대부분의 응용 분야에 이상적입니다.
b. High-Tg 변형: 표준 FR-4가 부드러워지거나 박리될 수 있는 자동차 시스템의 후드 아래와 같이 130°C를 초과하는 환경에서 사용됩니다.
c. 특수 기판: 알루미늄 코어 PCB는 열 발산에 뛰어나고 폴리이미드 기판은 우주 또는 산업용 오븐과 같은 극한 조건에 사용됩니다.

2. 구리 호일
구리 호일은 전기 신호를 전달하는 전도성 트레이스를 형성합니다. 두께와 표면 처리는 성능에 영향을 미칩니다.
   a. 두께: 0.5oz(17μm)에서 6oz(203μm)까지 다양합니다. 두꺼운 구리(2~6oz)는 고전류를 처리하기 위해 전원 PCB에 사용되는 반면, 0.5~1oz는 신호 트레이스에 표준입니다.
  b. 표면 처리:
      표준(STD) 구리: 일반적인 응용 분야를 위한 중간 정도의 거칠기(Rz = 1.5~3.0μm)의 무광택 마감.
초저 프로파일(VLP) 구리: 고주파 설계(>1GHz)에서 신호 손실을 최소화하기 위한 초매끄러움(Rz <1.0μm).
      역처리(RT) 구리: 다층 PCB에 사용되는 접착력을 향상시키기 위한 매끄러운 유전체면.

3. 보호층
   a. 솔더 마스크: 조립 중 솔더 브리지를 방지하기 위해 구리 트레이스 위에 적용되는 폴리머 코팅. 일반적인 유형에는 액체 사진 이미지 가능(LPI) 및 드라이 필름이 있으며 녹색(표준), 검정색 또는 흰색(고대비 검사용)으로 제공됩니다.
   b. 실크스크린: 부품, 테스트 포인트 및 극성 마커에 레이블을 지정하는 에폭시 잉크의 인쇄된 레이어로, 조립 및 문제 해결에 도움이 됩니다.

강성 PCB 제조 공정
강성 PCB 제조에는 20단계 이상이 포함되지만, 공정은 품질과 성능을 보장하는 데 중요한 6가지 주요 단계로 나눌 수 있습니다.
1. 설계 및 Gerber 파일 준비
  a. CAD 설계: 엔지니어는 PCB 설계 소프트웨어(Altium, KiCad)를 사용하여 트레이스 라우팅, 부품 배치 및 레이어 스택업을 정의하는 레이아웃을 만듭니다.
  b. Gerber 파일: 설계 데이터는 트레이스 너비, 드릴 크기 및 솔더 마스크 레이어와 같은 세부 정보를 포함하여 제조를 위해 Gerber 형식(산업 표준)으로 변환됩니다.
  c. DFM 확인: 제조 가능성 설계(DFM) 소프트웨어는 과도하게 좁은 트레이스, 불충분한 여유 공간 또는 표준이 아닌 드릴 크기와 같은 문제를 식별하여 생산 오류를 줄입니다.

2. 기판 준비 및 구리 클래딩
  a. 절단: 대형 기판 시트(일반적으로 18”x24”)는 정밀 톱을 사용하여 원하는 PCB 크기로 절단됩니다.
  b. 세척: 기판은 알칼리 용액으로 세척하여 오일 및 오염 물질을 제거하여 구리 접착력을 강화합니다.
  c. 클래딩: 구리 호일은 열(180~200°C)과 압력(20~30kgf/cm²)을 사용하여 기판의 한쪽 또는 양쪽에 접착됩니다. 다층 PCB에는 각 레이어에 대한 추가 라미네이션 단계가 필요합니다.

3. 패턴 형성 및 에칭
  a. 포토레지스트 적용: 감광성 포토레지스트는 스프레이 또는 침지를 통해 구리 클래딩 기판에 적용됩니다.
  b. 노출: 기판은 포토마스크를 통해 UV 광선에 노출되어 트레이스 패턴을 포토레지스트로 전송합니다.
  c. 현상: 경화되지 않은 포토레지스트는 씻겨 나가 보호된 구리 트레이스를 남깁니다.
  d. 에칭: 노출된 구리는 산성 에칭제(염화철 또는 염화구리)를 사용하여 용해되어 원하는 트레이스 패턴을 남깁니다.
  e. 스트리핑: 남은 포토레지스트는 용매로 제거하여 구리 트레이스를 드러냅니다.

4. 드릴링 및 도금
  a. 드릴링: 스루홀 부품, 비아 및 장착 하드웨어를 위한 구멍은 탄화물 또는 다이아몬드 팁 비트가 있는 CNC 기계를 사용하여 드릴링됩니다. 고밀도 PCB용 마이크로비아(<0.15mm)는 레이저를 사용하여 생성됩니다.
  b. 디버링: 구멍은 구리 및 기판 버를 제거하여 단락을 방지하기 위해 세척됩니다.
  c. 도금: 얇은 구리층(5~10μm)이 홀 벽에 전기 도금되어 레이어를 전기적으로 연결합니다. 다층 PCB는 더 나은 커버리지를 위해 무전해 구리 도금을 사용할 수도 있습니다.

5. 솔더 마스크 및 실크스크린 적용
  a. 솔더 마스크 인쇄: 솔더 마스크는 UV 광선으로 적용 및 경화되어 구리 패드와 비아가 노출됩니다.
  b. 실크스크린 인쇄: 부품 레이블 및 마커는 에폭시 잉크를 사용하여 인쇄한 다음 150°C에서 경화하여 내구성을 보장합니다.

6. 테스트 및 최종 검사
  a. 전기 테스트:
    연속성 테스트: 모든 트레이스가 설계대로 전기를 전도하는지 확인합니다.
    Hi-Pot 테스트: 트레이스 간의 절연 파손을 확인하기 위해 고전압(500~1000V)을 적용합니다.
  b. 육안 검사: 자동 광학 검사(AOI) 시스템은 솔더 마스크 누락, 트레이스 정렬 불량 또는 드릴 오류와 같은 결함을 확인합니다.
  c. 기능 테스트: 복잡한 PCB의 경우 기능 테스트는 부품이 함께 제대로 작동하는지 확인하기 위해 실제 작동을 시뮬레이션합니다.

강성 PCB에 대한 산업 표준
강성 PCB 제조는 제조업체 간의 일관성, 신뢰성 및 안전을 보장하는 글로벌 표준에 의해 관리됩니다. 주요 표준은 다음과 같습니다.
1. IPC 표준(전자 산업 연결 협회)
    a. IPC-A-600: 구리, 솔더 마스크 및 라미네이션의 허용 가능한 결함을 포함하여 PCB 제작에 대한 허용 기준을 정의합니다.
    b. IPC-2221: 트레이스 너비, 간격 및 홀 크기 지침을 포함하여 인쇄 기판에 대한 설계 표준을 제공합니다.
    c. IPC-J-STD-001: 강력하고 신뢰할 수 있는 조인트를 보장하는 솔더링 공정에 대한 요구 사항을 지정합니다.

2. UL 인증(Underwriters Laboratories)
    a. UL 94: PCB 재료의 가연성을 테스트하며 V-0(최고 저항)과 같은 등급은 화재 발생 시 PCB가 화염을 전파하지 않도록 보장합니다.
    b. UL 796: 전기 장비에 대한 안전 표준을 준수하는지 확인하여 PCB 구성을 인증합니다.

3. RoHS 및 REACH(환경 표준)
   a. RoHS: PCB에서 유해 물질(납, 수은, 카드뮴)을 제한하여 무연 솔더 및 규정 준수 재료를 요구합니다.
   b. REACH: 제조에 사용되는 화학 물질을 규제하여 PCB 재료가 인체 건강과 환경에 안전하도록 보장합니다.

비교 분석: 단층 vs. 다층 강성 PCB

강성 PCB 제조의 동향
기술 발전은 강성 PCB 생산의 혁신을 주도하고 있습니다.
  a. 고밀도 상호 연결(HDI): 마이크로비아, 적층 비아 및 더 미세한 트레이스 너비(≤3mil)는 5G 장치 및 AI 가속기를 위한 더 작고 강력한 PCB를 가능하게 합니다.
  b. 자동화: AI 기반 검사 시스템 및 로봇 조립은 인적 오류를 줄여 수율과 일관성을 향상시킵니다.
  c. 지속 가능성: 수성 에칭제, 재활용 구리 및 바이오 기반 기판은 제조의 환경 영향을 줄이고 있습니다.
  d. 적층 제조: 3D 인쇄 전도성 트레이스는 빠른 프로토타입 제작을 위해 테스트되어 더 빠른 설계 반복을 허용합니다.

FAQ
Q: 강성 PCB 제조의 일반적인 리드 타임은 얼마입니까?
A: 리드 타임은 단순한 단층 PCB의 경우 2~5일, 다층(4~8층) 설계의 경우 5~10일입니다. 복잡한 HDI PCB는 10~15일이 걸릴 수 있습니다.

Q: 강성 PCB를 제조하는 데 비용이 얼마나 듭니까?
A: 비용은 크기, 레이어 수 및 볼륨에 따라 다릅니다. 단층 PCB는 단위당 (1~5)에서 시작하고(대량), 8층 HDI PCB는 단위당 (50~100+)의 비용이 들 수 있습니다(소량).

Q: 강성 PCB의 최대 크기는 얼마입니까?
A: 표준 생산 라인은 최대 24”x36”의 PCB를 처리하지만, 맞춤형 제조업체는 산업 응용 분야를 위해 더 큰 보드(최대 48”x60”)를 생산할 수 있습니다.

Q: 강성 PCB를 재활용할 수 있습니까?
A: 예, 강성 PCB에는 재활용할 수 있는 귀중한 구리(중량의 15~20%)가 포함되어 있습니다. 전문 시설에서는 고급 전자 제품에 사용되는 PCB에서 귀금속을 회수하기도 합니다.

Q: 제조에서 FR-4와 high-Tg FR4의 차이점은 무엇입니까?
A: High-Tg FR4는 더 높은 유리 전이 온도를 달성하기 위해 더 높은 라미네이션 온도(표준 FR4의 경우 180~200°C 대 150~170°C)와 더 긴 경화 시간이 필요하므로 생산 비용이 약간 증가합니다.

결론
강성 PCB 제조는 신뢰할 수 있는 전자 부품을 생산하기 위해 재료 과학, 엔지니어링 설계 및 품질 관리를 균형 있게 유지하는 정밀(정밀 주도) 공정입니다. 소비자 장치용 FR-4 기판 선택부터 고전력 응용 분야용 알루미늄 코어 재료까지 모든 선택이 성능과 비용에 영향을 미칩니다. IPC-A-600 및 RoHS와 같은 표준을 준수함으로써 제조업체는 강성 PCB가 안전, 신뢰성 및 환경적 책임에 대한 글로벌 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
전자 제품이 계속 발전함에 따라—더 작아지고, 더 빨라지고, 더 강력해짐에 따라—강성 PCB 제조는 새로운 재료와 공정을 통합하여 새로운 요구 사항을 충족하도록 적응할 것입니다. 스마트폰, 의료 기기 또는 산업 기계에서 강성 PCB는 부품을 연결하고 혁신을 가능하게 하여 현대 기술에 필수적입니다.
핵심 내용: 강성 PCB 제조는 재료 선택, 정밀한 공정 및 표준 준수가 함께 작용하여 전자 시스템의 기반을 만드는 예술과 과학의 조화입니다. 이러한 요소를 이해하는 것은 성능, 비용 및 신뢰성 목표를 충족하는 PCB를 설계하고 생산하는 데 중요합니다.