단면 vs. 양면 vs. 다층 PCB: 프로젝트에 적합한 디자인 선택

인쇄 회로 기판(PCB)은 현대 전자 제품의 중추이지만, 모든 PCB가 동일하게 만들어지는 것은 아닙니다. 단면, 양면, 다층 PCB 중에서 선택하는 것은 복잡성, 공간 제약, 성능 요구 사항 및 예산과 같은 요인에 따라 달라집니다. 각 유형은 고유한 장점과 제한 사항을 가지고 있어 간단한 LED 손전등부터 고급 5G 라우터에 이르기까지 다양한 응용 분야에 적합합니다.

이 가이드는 이 세 가지 PCB 유형 간의 주요 차이점을 분석하여 구성, 성능, 비용 및 이상적인 사용 사례를 비교합니다. 엔지니어, 설계자 및 제조업체는 강점과 약점을 이해함으로써 기능성과 경제성을 균형 있게 유지하는 정보에 입각한 결정을 내릴 수 있습니다.

주요 내용
  1. 단면 PCB는 가장 간단하고 저렴하며, 한쪽에 부품이 있어 저복잡성 장치(예: 계산기)에 이상적이지만 낮은 밀도와 신호 라우팅으로 제한됩니다.
  2. 양면 PCB는 양쪽에 부품이 있고 스루홀 비아가 있어 더 많은 유연성을 제공하며, 중간 비용으로 중간 복잡성(예: Arduino 보드)을 지원합니다.
  3. 다층 PCB(4+ 레이어)는 고밀도, 뛰어난 신호 무결성 및 전력 관리를 제공하여 복잡한 전자 제품(예: 스마트폰, 5G 기지국)에 필수적이지만 더 높은 비용이 듭니다.
  4. 올바른 유형을 선택하면 생산 비용을 20~50% 절감할 수 있습니다. 간단한 장치에 다층 PCB를 사용하면 과도한 엔지니어링으로 인해 비용이 낭비되고, 복잡한 설계에 단면 보드를 사용하면 성능 실패를 유발하는 과소 엔지니어링이 발생합니다.

단면, 양면 및 다층 PCB를 정의하는 것은 무엇입니까?
이러한 PCB 유형 간의 핵심 차이점은 레이어 수와 부품 및 트레이스가 배열되는 방식에 있습니다.

단면 PCB
  a. 구성: 절연 기판(일반적으로 FR4)의 한쪽에 결합된 단일 전도성 구리 호일 레이어입니다. 부품은 구리 쪽에 장착되며 모든 트레이스는 해당 단일 레이어에서 라우팅됩니다.
  b. 주요 특징: 전도성 레이어가 하나뿐이므로 비아(레이어를 연결하는 구멍)가 필요하지 않습니다.
  c. 두께: 일반적으로 0.8~1.6mm이며 트레이스에 1oz 구리(35μm 두께)가 사용됩니다.

양면 PCB
  a. 구성: 기판의 양쪽에 구리 레이어가 있으며, 상단 및 하단 트레이스를 연결하는 스루홀 비아(도금된 구멍)가 있습니다. 부품은 양쪽에 장착할 수 있습니다.
  b. 주요 특징: 비아를 통해 신호가 레이어 간에 '점프'할 수 있어 단면 PCB보다 더 복잡한 라우팅이 가능합니다.
  c. 두께: 0.8~2.4mm이며 트레이스에 1~2oz 구리(35~70μm)가 사용됩니다.

다층 PCB
  a. 구성: 절연 기판 레이어(프리프레그 및 코어)로 분리된 4개 이상의 구리 레이어(짝수 표준). 내부 레이어는 종종 접지면 또는 전력 분배 네트워크 역할을 하는 반면 외부 레이어는 부품을 보유합니다.
  b. 주요 특징: 블라인드 비아(외부 레이어를 내부 레이어에 연결) 및 베리드 비아(내부 레이어만 연결)를 통해 공간을 희생하지 않고 밀집된 라우팅이 가능합니다. 제어된 임피던스 트레이스는 고속 신호를 지원합니다.
  c. 두께: 4~16 레이어의 경우 1.2~3.2mm이며 전력 요구 사항에 따라 1~3oz 구리(35~105μm)가 사용됩니다.

나란히 비교: 주요 특성

유형별 장점 및 제한 사항
단면 PCB
장점:
  a. 저렴한 비용: 가장 단순한 제조 공정(비아 드릴링 또는 도금 없음)은 양면 PCB에 비해 재료 및 인건비를 30~50% 절감합니다.
  b. 빠른 생산: 레이어 정렬 또는 비아 처리가 필요하지 않아 프로토타입의 경우 2~5일의 리드 타임을 제공합니다.
  c. 쉬운 검사: 모든 트레이스와 부품이 한쪽에 표시되어 수동 테스트 및 문제 해결이 간소화됩니다.

제한 사항:
  a. 낮은 밀도: 트레이스는 단락 없이 교차할 수 없어 부품 수와 설계 복잡성이 제한됩니다.
  b. 열악한 신호 무결성: 길고 구불구불한 트레이스(교차를 방지하는 데 필요)는 고속 설계에서 신호 지연 및 노이즈를 유발합니다.
  c. 제한된 전력 처리: 단일 구리 레이어는 전류 흐름을 제한하여 고전력 장치에 적합하지 않습니다.

양면 PCB
장점:
  a. 밀도 증가: 비아를 통해 트레이스가 반대쪽 레이어에서 라우팅하여 교차할 수 있으므로 단면 PCB보다 2~3배 더 많은 부품을 지원합니다.
  b. 더 나은 신호 라우팅: 비아 덕분에 더 짧은 트레이스는 신호 손실을 줄여 저속 디지털 설계(≤100MHz)에 적합합니다.
  c. 비용 효율적인 균형: 다층 PCB보다 저렴하면서 단면 보드보다 더 큰 유연성을 제공합니다.

제한 사항:
  a. 여전히 레이어 수로 제한됨: 복잡한 설계(예: 100개 이상의 부품 또는 고속 신호 포함)에는 크로스토크를 방지하기 위해 더 많은 레이어가 필요할 수 있습니다.
  b. 비아 신뢰성: 스루홀 비아는 열 응력 하에서 배럴 균열이 발생하기 쉬우며, 이는 고온 환경(예: 자동차 엔진)에서 위험합니다.

다층 PCB
장점:
  a. 고밀도: 내부 레이어 및 고급 비아(블라인드/베리드)를 통해 양면 PCB보다 5~10배 더 많은 부품을 사용할 수 있으며, 스마트폰과 같은 소형 장치에 매우 중요합니다.
  b. 뛰어난 신호 무결성: 제어된 임피던스 트레이스(50Ω/100Ω) 및 전용 접지면은 크로스토크 및 EMI를 최소화하여 고속 신호(1Gbps 이상)를 지원합니다.
  c. 효율적인 전력 분배: 별도의 전력 레이어는 전압 강하를 줄여 5G 트랜시버와 같은 전력 소모가 많은 장치에 대해 높은 전류(10A 이상)를 처리합니다.
  d. 기계적 강도: 여러 기판 레이어는 단면/양면 PCB보다 더 견고하고 뒤틀림에 강합니다.

제한 사항:
   a. 더 높은 비용: 복잡한 제조(레이어 정렬, 비아 드릴링, 라미네이션)는 양면 PCB에 비해 비용을 2~5배 증가시킵니다.
   b. 더 긴 리드 타임: 정밀 엔지니어링 및 테스트는 프로토타입의 경우 7~14일, 레이어 수가 많은 보드의 경우 더 긴 생산 시간을 연장합니다.
   c. 재작업 문제: 내부 레이어 결함은 수리가 어려워 불량률과 재작업 비용이 증가합니다.

각 PCB 유형에 대한 이상적인 응용 분야
응용 분야에 PCB 유형을 일치시키면 최적의 성능과 비용 효율성을 보장합니다.

단면 PCB
공간과 성능이 중요하지 않은 저복잡성, 저비용 장치에 가장 적합:
  a. 소비자 전자 제품: 리모컨, 계산기, LED 손전등 및 장난감.
  b. 산업용 센서: 최소한의 부품이 있는 간단한 온도 또는 습도 센서.
  c. 전원 공급 장치: 활성 부품이 거의 없는 기본 선형 전원 공급 장치.
예: 어린이 장난감 PCB는 단면 설계를 사용하여 비용을 단위당 1달러 미만으로 유지하며 10~15개의 부품(LED, 저항, 간단한 IC)이 있습니다.

양면 PCB
단면 PCB보다 더 많은 부품과 더 나은 라우팅이 필요한 중간 복잡성 장치에 적합:
  a. 임베디드 시스템: Arduino 보드, Raspberry Pi Pico 및 기본 마이크로컨트롤러 기반 장치.
  b. 자동차 액세서리: 차량용 충전기, 대시보드 카메라 및 Bluetooth 수신기.
  c. 오디오 장비: 헤드폰 앰프, 기본 스피커 및 FM 라디오.
예: Arduino Uno는 양면 PCB를 사용하여 스루홀 비아를 통해 양쪽에 라우팅된 트레이스가 있는 50개 이상의 부품(USB 포트, 전압 조정기, GPIO 핀)을 장착합니다.

다층 PCB
밀도, 속도 및 신뢰성이 중요한 고성능, 복잡한 전자 제품에 필수적:
  a. 스마트폰 및 웨어러블: 6~12 레이어 PCB는 프로세서, 5G 모뎀 및 배터리를 슬림한 디자인으로 포장합니다.
  b. 통신 인프라: 5G 기지국 및 데이터 센터 스위치는 28GHz mmWave 트랜시버 및 100Gbps+ 신호에 12~16 레이어 PCB를 사용합니다.
  c. 의료 기기: MRI 기계 및 심박 조율기는 정밀한 신호 라우팅 및 EMI 저항을 위해 4~8 레이어 PCB를 사용합니다.
  d. 항공 우주: 위성 페이로드는 극한 온도 및 방사선을 견디기 위해 고Tg 기판이 있는 8~12 레이어 PCB를 사용합니다.
예: 5G 스마트폰의 메인 PCB는 8 레이어 설계입니다. 부품용 외부 레이어 2개, 전력 분배용 내부 레이어 2개, 고속 신호 라우팅(5G, Wi-Fi 6E)용 레이어 4개.

비용 분석: 다층 PCB가 더 비싼 이유
PCB 유형 간의 비용 차이는 제조 복잡성에서 비롯됩니다.

올바른 PCB 유형을 선택하는 방법
최적의 PCB 유형을 선택하려면 이 의사 결정 프레임워크를 따르십시오.
1. 부품 수 평가:
   <50 components: Single-sided.
    50~200개 부품: 양면.
    200개 부품: 다층.

2. 신호 속도 평가:
    ≤100MHz: 단면 또는 양면.
    100MHz~1Gbps: 양면 또는 4 레이어.
    1Gbps: 제어된 임피던스가 있는 4개 이상의 레이어.

3. 전력 요구 사항 고려:
   <1A: Single-sided.
    1~10A: 두꺼운 구리가 있는 양면.
    10A: 전용 전력 레이어가 있는 다층.

4. 공간 제약 확인:
    대형 인클로저(예: 산업용 상자): 단면/양면.
    소형 장치(예: 웨어러블): 다층.

5. 비용과 성능의 균형:
    비용 우선: 요구 사항을 충족하는 가장 간단한 유형을 사용합니다.
    성능 우선: 신뢰성을 위해 더 높은 레이어 수로 업그레이드합니다.

FAQ
Q: 단면 PCB로 설계를 시작하여 다층으로 확장할 수 있습니까?
A: 예. 많은 제품이 기능이 추가됨에 따라 단면에서 양면으로, 양면에서 다층으로 진화합니다. 예를 들어, 초기 스마트워치는 양면 PCB를 사용했지만 최신 모델은 6~8 레이어 설계를 사용합니다.

Q: 다층 PCB가 고속 신호에 항상 더 좋습니까?
A: 일반적으로 그렇습니다. 전용 접지면과 제어된 임피던스 트레이스는 신호 손실을 최소화합니다. 그러나 잘 설계된 양면 PCB는 짧은 트레이스(≤5cm)에서 최대 1Gbps를 처리할 수 있습니다.

Q: 다층 PCB를 사용할 때 비용을 줄이는 방법은 무엇입니까?
A: 레이어 수를 최적화하고(예: 가능한 경우 6개 대신 4개 레이어 사용), 블라인드/베리드 비아를 중요한 영역으로 제한하고, 고주파수에 필요한 경우가 아니면 고비용 재료 대신 표준 FR4를 사용합니다.

Q: 단면 PCB가 RoHS를 준수할 수 있습니까?
A: 예. RoHS 준수는 레이어 수가 아닌 재료(무연 솔더, 할로겐 프리 기판)에 따라 달라집니다. 대부분의 단면 PCB는 오늘날 RoHS를 준수하는 재료를 사용합니다.

Q: PCB의 최대 레이어 수는 얼마입니까?
A: 상업용 PCB는 일반적으로 40 레이어(예: 슈퍼컴퓨터의 경우)로 제한되지만 대부분의 응용 분야에서는 4~16 레이어를 사용합니다.

결론
단면, 양면 및 다층 PCB 중에서 선택하는 것은 복잡성, 성능 및 비용의 균형을 맞추는 데 달려 있습니다. 단면 PCB는 간단하고 저렴한 장치에서 뛰어나며, 양면 보드는 중간 설계에 대한 중간 지점을 제공합니다. 다층 PCB는 더 높은 비용에도 불구하고 고성능, 고밀도 전자 제품에 적합합니다.

PCB 유형을 프로젝트의 부품 수, 신호 속도, 전력 요구 사항 및 공간 제약에 맞게 조정하면 과도한 엔지니어링(및 과도한 지출) 또는 과소 엔지니어링(및 실패 위험)을 방지할 수 있습니다. 전자 제품이 계속 축소되고 속도가 빨라짐에 따라 다층 PCB의 중요성이 커질 것입니다. 그러나 단면 및 양면 보드는 비용에 민감한 저복잡성 응용 분야에 계속 필수적일 것입니다.

궁극적으로 '올바른' PCB 유형은 불필요한 비용 없이 설계 요구 사항을 충족하여 제품이 시장에서 기능적이고 경쟁력을 갖도록 보장하는 유형입니다.