인쇄 회로 기판을 만드는 데 사용되는 재료

인쇄 회로 기판(PCB)은 다양한 부품을 상호 연결하고 지원하기 위한 플랫폼을 제공하는 현대 전자제품의 중추입니다. 스마트폰과 컴퓨터부터 의료 장비와 자동차 시스템에 이르기까지 우리가 매일 사용하는 거의 모든 전자 기기에서 이 숨은 영웅을 찾아볼 수 있습니다. 하지만 이러한 필수 부품을 만드는 데 어떤 재료가 사용되는지 궁금한 적이 있으신가요?

이 글에서는 복잡한 기판을 구성하는 주요 구성 요소와 그 특성이 전자 기기의 성능과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는지 살펴보면서 PCB 재료의 세계에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

PCB 재료 소개

인쇄 회로 기판은 평평하고 단단한 구조로, 트레이스라고 하는 내장된 금속 표면과 플레인이라고 하는 넓은 면적의 금속으로 구성된 전기 회로가 포함되어 있습니다. 구성 요소는 보드 회로에 연결된 금속 패드에 납땜되어 보드에 납땜되어 상호 연결될 수 있습니다. PCB는 한 층, 두 층 또는 여러 층의 회로로 구성될 수 있습니다.

PCB는 순수한 회로 전송을 보장하기 위해 전기 전도성이 낮은 유전체 코어 재료로 제작됩니다. 이 코어는 필요에 따라 추가 금속 및 유전체 층으로 간격을 두고 있습니다. 회로 기판에 사용되는 표준 유전체 재료는 FR-4로 알려진 직조 유리 섬유 천과 에폭시 수지의 내염성 합성물이며, 회로의 금속 흔적과 평면은 일반적으로 구리로 구성됩니다.

PCB의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다:

기판: 기계적 지지 및 전기 절연 제공
전도성 층: 일반적으로 구리, 회로 경로를 형성합니다.
솔더 마스크: 솔더 브리지를 단열하고 방지하는 보호 층
실크스크린: 식별을 위한 텍스트 및 기호 추가

이러한 각 구성 요소에 대한 재료 선택은 PCB의 성능, 내구성 및 비용에 영향을 미칩니다. 이러한 재료의 특성과 특성을 이해하는 것은 안정적이고 효율적인 전자 장치를 설계하고 제조하는 데 매우 중요합니다.

기판 재료

기판은 PCB의 기초로서 전도성 층에 기계적 지지와 전기적 절연을 제공합니다. 일반적으로 순수한 회로 전송을 보장하기 위해 전기 전도성이 떨어지는 유전체 재료로 만들어집니다. PCB에 사용되는 가장 일반적인 기판 재료는 유리 섬유 천과 에폭시 수지의 내염성 합성물인 FR-4입니다.

FR-4는 다음과 같은 우수한 특성으로 인해 널리 사용됩니다:

높은 중량 대비 강도 비율
우수한 전기 절연성
난연성
내습성
상대 온도 저항(일반적으로 50°C ~ 115°C 등급)

FR-4 기판은 다양한 등급으로 제공되며, 각 기판은 다양한 용도에 맞는 특정 특성을 가지고 있습니다. 예를 들어 고온 FR-4(높은 Tg)는 무연 리플로우 기술과 호환되며 최대 170°C~180°C의 온도를 견딜 수 있습니다. 할로겐 프리 FR-4는 환경 규정을 준수하고 무연 리플로우 기술과 호환되는 또 다른 변형입니다.

FR-4 외에도 특정 애플리케이션을 위한 PCB에는 다른 기판 재료가 사용됩니다:

로저스: 높은 열 안정성과 우수한 전기적 성능을 제공하여 고주파 및 고성능 회로에 적합한 폴리머-세라믹 복합 소재입니다.
폴리이미드: 유연한 PCB 및 고온 환경에서 사용되는 유연하고 내열성이 뛰어난 소재입니다.
금속 코어(예: 알루미늄): 향상된 열 관리 기능을 제공하며 고전력 전자 제품 및 LED 조명 애플리케이션에 사용됩니다.

기판 소재를 선택할 때 엔지니어는 전기적 특성, 열적 특성, 비용과 같은 요소를 고려해야 합니다. 올바른 기판 소재는 PCB가 신뢰성과 성능을 유지하면서 애플리케이션의 특정 요구 사항을 충족할 수 있도록 보장합니다.

전도성 재료

전도성 재료는 PCB에서 중요한 역할을 하며 전기 신호가 구성 요소 사이를 이동할 수 있는 회로 경로를 형성합니다. PCB에 가장 일반적으로 사용되는 전도성 소재는 구리로, 전도성이 뛰어나고 비용 효율이 높기 때문입니다.

구리 두께는 트레이스의 전류 전달 용량과 신호 무결성에 영향을 미치기 때문에 PCB 설계에서 중요한 고려 사항입니다. 구리 두께는 일반적으로 평방피트당 온스(oz/ft²) 단위로 측정되며, 1oz/ft²가 가장 일반적인 두께입니다. 이는 약 35µm 또는 1.4밀리미터로 환산됩니다. 2온스/ft² 또는 3온스/ft²와 같이 더 두꺼운 구리 층은 고출력 애플리케이션이나 더 높은 기계적 강도가 필요한 경우에 사용됩니다.

구리가 PCB의 주요 전도성 소재이지만, 특정 애플리케이션에는 다른 소재가 사용되기도 합니다:

알루미늄: 구리에 비해 비용과 무게가 저렴하기 때문에 일부 고전력 애플리케이션에 사용됩니다.
은과 금: 특수 애플리케이션에 사용되거나 전도성 및 내식성을 향상시키기 위한 도금으로 사용됩니다.

구리 흔적을 산화로부터 보호하고 안정적인 납땜을 보장하기 위해 솔더 마스크 또는 금도금과 같은 보호 층으로 코팅하는 경우가 많습니다. 솔더 마스크는 조립 과정에서 간격이 좁은 패드 사이에 솔더 브리지가 생기는 것을 방지하는 데도 도움이 됩니다.

PCB 설계에서 또 다른 중요한 고려 사항은 구리 트레이스의 폭입니다. 트레이스 폭은 회로의 전류 전달 용량에 직접적인 영향을 미치며, 트레이스 폭이 넓을수록 더 높은 전류를 처리할 수 있습니다. 그러나 트레이스 폭을 늘리면 PCB의 전체 크기도 커지므로 설계자는 전류 전달 용량과 보드 크기 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

솔더 마스크

솔더 마스크는 솔더 레지스트 또는 솔더 스톱 마스크라고도 하며, PCB의 구리 트레이스에 적용되는 얇은 보호 폴리머 층입니다. 주요 목적은 전도성 트레이스를 절연하고 납땜 공정 중 우발적인 단락을 방지하는 것입니다.

솔더 마스크는 일반적으로 에폭시 기반 폴리머로 구성되며, 스크린 인쇄 또는 LPI(액체 사진 이미징) 기술을 사용하여 PCB 표면에 도포됩니다. 도포 후 솔더 마스크는 열 또는 자외선(UV)을 사용하여 경화되어 내구성 있는 보호 층을 형성합니다.

솔더 마스크의 가장 일반적인 색상은 녹색이지만 파란색, 빨간색, 검은색과 같은 다른 색상도 사용할 수 있습니다. 녹색은 구리 흔적과 대비가 잘 되고 PCB의 결함을 검사하기 쉽기 때문에 가장 많이 선택되는 색상입니다.

솔더 마스크의 주요 기능은 다음과 같습니다:

솔더 브리지 방지: 솔더 마스크는 구리 트레이스 사이의 공간을 덮음으로써 단락을 일으킬 수 있는 실수로 납땜 연결이 이루어지는 것을 방지합니다.
구리 흔적 보호: 솔더 마스크는 시간이 지남에 따라 부식 및 성능 저하를 유발할 수 있는 습기 및 먼지와 같은 환경적 요인으로부터 구리 흔적을 보호합니다.
전기 절연 제공: 솔더 마스크는 절연 층 역할을 하여 인접한 트레이스와 구성 요소 간의 전기적 접촉을 방지합니다.

솔더 마스크 층의 일반적인 두께는 0.8~1.0밀리미터(20~25µm)입니다. 솔더링 프로세스나 부품 배치를 방해하지 않으면서도 마스크가 적절한 보호 기능을 제공할 수 있도록 두께를 신중하게 제어합니다.

솔더 마스크는 전체 PCB 제조 공정에서 완제품의 신뢰성과 수명을 보장하는 중요한 역할을 합니다. 솔더 마스크가 제대로 적용되지 않으면 PCB는 단락, 부식 및 기타 문제에 더 취약해져 성능과 수명이 저하될 수 있습니다.

실크스크린

범례 또는 명명법이라고도 하는 실크스크린은 조립, 테스트 및 문제 해결을 위한 중요한 정보를 제공하기 위해 PCB 표면에 인쇄된 텍스트 및 기호 레이어입니다. 기능적인 목적을 가진 솔더 마스크와 달리 실크스크린은 주로 식별 및 커뮤니케이션에 사용됩니다.

실크스크린은 일반적으로 PCB 표면에 잘 부착되는 에폭시 기반의 내열성 잉크를 사용하여 인쇄합니다. 실크스크린의 가장 일반적인 색상은 흰색으로, 어두운 솔더 마스크와 뛰어난 대비를 제공하기 때문입니다. 그러나 노란색과 같은 다른 색상도 사용할 수 있습니다.

실크스크린에 포함되는 정보는 PCB의 특정 요구 사항에 따라 달라질 수 있지만 대개 다음과 같은 내용이 포함됩니다:

구성 요소 지정자: 저항기의 경우 'R1', 커패시터의 경우 'C2' 등 보드에서 각 구성 요소의 위치와 유형을 식별하는 레이블입니다.
참조 지정자: 각 구성 요소의 회로도 기호 및 BOM(부품 명세서) 항목에 해당하는 각 구성 요소의 고유 식별자입니다.
극성 표시기: 전해 커패시터 및 다이오드와 같은 극성 부품의 올바른 방향을 표시하는 기호입니다.
제조업체 로고: PCB 제조업체 또는 기판을 설계한 회사를 식별하는 브랜딩 요소입니다.
경고 기호: 고전압 경고 또는 ESD에 민감한 장치 취급 지침과 같은 안전 관련 정보입니다.

실크스크린은 스크린 인쇄 또는 잉크젯 인쇄 기술을 사용하여 PCB에 적용됩니다. 스크린 인쇄는 스텐실을 사용하여 PCB 표면에 잉크를 전사하는 반면, 잉크젯 인쇄는 디지털 프린터를 사용하여 기판에 직접 잉크를 증착하는 방식입니다.

선명하고 정확한 실크스크린은 PCB 조립 및 문제 해결에 매우 중요합니다. 기술자가 구성 요소와 적절한 위치를 신속하게 식별하여 조립 오류의 위험을 줄이고 제품 수명 동안 발생할 수 있는 문제를 더 쉽게 진단하고 수리할 수 있도록 도와줍니다.

PCB의 유형 및 재료 고려 사항

PCB는 다양한 유형이 있으며, 각 유형마다 고유한 구조와 재료 요구 사항이 있습니다. PCB의 세 가지 주요 범주는 단면, 양면 및 다층 기판입니다. 각 유형에 대한 재료 선택은 회로의 복잡성, 작동 환경 및 원하는 성능 특성과 같은 요인에 따라 달라집니다.

단면 PCB

단면 PCB는 기판의 한쪽 면에만 전도성 재료가 있습니다. 가장 간단하고 비용 효율적인 PCB 유형으로 기본적인 저밀도 회로에 적합합니다. 단면 PCB의 가장 일반적인 기판 재료는 FR-4이며, 전도성 층은 일반적으로 구리로 만들어집니다.

단면 PCB는 비용이 주요 관심사인 장난감이나 간단한 가전제품과 같은 가전제품에 자주 사용됩니다. 하지만 라우팅 옵션이 제한적이고 부품 밀도가 낮기 때문에 복잡한 설계에는 적합하지 않습니다.

양면 PCB

양면 PCB는 기판의 양면에 전도성 소재가 있어 더 복잡한 회로와 더 높은 부품 밀도를 구현할 수 있습니다. 이러한 기판에는 종종 반대쪽의 전도성 층을 연결하기 위해 스루홀과 비아가 통합되어 있습니다.

양면 PCB의 재료 고려 사항은 단면 보드의 재료 고려 사항과 유사하며, FR-4가 가장 일반적인 기판 재료입니다. 그러나 양면 설계의 복잡성이 증가함에 따라 적절한 성능과 신뢰성을 보장하기 위해 고급 재료 또는 특수 기판을 사용해야 할 수 있습니다.

양면 PCB는 소비자 가전, 산업 제어 및 통신 장비를 포함한 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.

다층 PCB

다층 PCB는 절연 층으로 분리된 3개 이상의 전도성 층으로 구성됩니다. 이 보드는 가장 높은 부품 밀도와 라우팅 옵션을 제공하므로 복잡한 고성능 애플리케이션에 적합합니다.

다층 PCB의 경우 레이어 수가 증가하고 전도성 트레이스가 근접하면 누화 및 전자기 간섭(EMI)과 같은 신호 무결성 문제가 발생할 수 있으므로 재료 선택이 매우 중요합니다. 이러한 문제를 완화하기 위해 설계자는 유전 상수와 손실 계수가 낮은 특수 기판 재료(예: 로저스 또는 아이솔라 재료)를 사용할 수 있습니다.

신호 무결성 문제 외에도 다층 PCB는 열 관리 및 기계적 스트레스와 관련된 문제에 직면합니다. 폴리이미드 또는 세라믹 기판과 같은 고성능 소재를 사용하면 이러한 문제를 해결하고 까다로운 환경에서도 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.

다층 PCB는 신뢰성과 성능이 가장 중요한 항공우주, 방위, 의료 장비와 같은 고성능 애플리케이션에서 흔히 볼 수 있습니다.

각 유형의 PCB에 대한 재료 선택은 보드의 성능, 비용 및 제조 복잡성에 큰 영향을 미칩니다. 설계자는 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 적절한 재료를 신중하게 선택함으로써 비용과 생산 문제를 최소화하면서 필요한 성능 및 신뢰성 표준을 충족하는 PCB를 만들 수 있습니다.

결론

결론적으로 인쇄 회로 기판 제작에 사용되는 재료는 전자 기기의 성능, 신뢰성 및 비용을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. PCB의 네 가지 주요 구성 요소인 기판, 전도성 재료, 솔더 마스크, 실크스크린은 각각 특정 용도로 사용되며 보드의 전반적인 기능에 기여합니다.

일반적으로 FR-4 또는 기타 특수 재료로 만들어진 기판은 PCB의 기초를 제공하여 기계적 지지와 전기 절연을 제공합니다. 전도성 재료(주로 구리)는 구성 요소 간에 전기 신호가 흐르도록 하는 회로 경로를 형성합니다. 솔더 마스크는 납땜 과정에서 구리 흔적을 손상으로부터 보호하고 단락을 방지하며, 실크스크린은 조립 및 문제 해결을 위한 필수 정보를 제공합니다.

기술이 발전하고 고성능 전자 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 PCB 소재에 대한 새로운 트렌드가 등장하고 있습니다. 제조업체가 생태 발자국을 줄이기 위해 노력하면서 할로겐 프리 기판 및 무연 솔더와 같은 환경 친화적인 옵션이 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 또한 저손실 기판 및 고주파 라미네이트와 같은 첨단 소재의 개발로 더 높은 주파수에서 작동하고 최신 통신 표준을 지원할 수 있는 PCB를 설계할 수 있게 되었습니다.

엔지니어와 설계자는 효과적이고 효율적인 전자 장치를 제작하기 위해 PCB 소재에 대한 깊은 이해가 필수적입니다. 애플리케이션의 특정 요구 사항에 따라 적절한 재료를 신중하게 선택함으로써 설계자는 제품의 성능, 신뢰성 및 비용을 최적화할 수 있습니다. 전자 산업이 계속 진화함에 따라 이 역동적이고 혁신적인 분야에서 성공하려면 PCB 재료의 최신 발전 사항을 파악하는 것이 중요합니다.

목차