앞서 [제조 길잡이] PCB 설계는 어떻게 이뤄지나요? 를 통해 PCB를 설계하는 과정에 대해 설명했습니다. 이를 토대로 PCB(Printed Circuit Board) 설계도가 준비됐다면 이제는 본격적으로 PCB를 제작할 차례입니다.
PCB는 언뜻 보기에는 단순히 ‘초록색 판’으로 보이지만 자세히 뜯어보면 미세한 배선들이 새겨져 층층이 압축돼있는 복잡한 부품들로 구성돼 있다는 것을 알 수 있습니다. 초록색 기판 위에 어떤 작업을 해놓았기에 전기가 통하고 기기를 작동시킬 수 있는 것일까요? 이번엔 PCB를 실제로 제작하는 과정에 대해 한 번 알아보겠습니다.
층수에 따라 제작방식 조금씩 달라져
PCB 제작 과정은 레이어(층) 수에 따라 조금씩 다릅니다. 우선 단면 PCB 제작 과정부터 알아볼까요.
① 단면 PCB
재단, 면취 → 정면(세정) → 화상형성공정 → 배선의 형성 → 스크린 인쇄 → 솔더레지스트 형성 → 심벌마크 인쇄 → 표면처리 → 단자도금 → 외형가공
재단
재단(Shearing)이란 CCL(Copper Clad Laminate : 절연판에 동박*을 입힌 얇은 적층판)을 고객의 주문에 맞게 적당한 크기로 자르는 것을 말합니다. 애초에 고객의 주문을 받고 특정 사이즈의 CCL을 제조사가 주문하기는 하지만, 고객의 의뢰에 따라 세밀하게 사이즈를 조정하기 위해서는 추가적인 재단 공정이 필요합니다. CCL뿐만 아니라 동박이나 알루미늄 호일, 프리프레그(PCB 기판에서 절연층의 역할을 하는 유전물질) 등 원자재와 부자재를 원하는 크기별로 자르는 작업 역시 재단 공정의 부분입니다.
*동박(銅箔): 동 같은 것을 이용해 표면에 아주 얇은 층을 만든 것
면취(모따기)
재단만 한다고 해서 CCL과 원자재, 부자재들을 바로 사용할 수 있는 것은 아닙니다. 재단기는 톱날을 사용하는 작업이라, 절단된 면이 깨끗하지 않은 경우가 다반사입니다. 때로는 면이 늘어나 있거나 돌출돼 있어서 그대로 PCB를 제조하면 배선이 손상되는 등 불량이 발생하기 쉽습니다.
이러한 문제를 방지하기 위해 면취(Bevelling) 공정이 필요합니다. 튀어나온 모서리를 다듬거나, PCB 단자를 다른 장치에 삽입하기 쉽게 칼날 모양으로 가공하는 등 면을 깎는 작업이라고 이해할 수 있습니다.
정면(세정)
정면은 패널의 표면을 깨끗하게 세정하는 작업을 말합니다. 패널의 표면에 지문이나 기름, 먼지 등이 묻어있게 되면 핀홀(Pin Hole) 불량의 원인이 됩니다. 패널의 표면이 깨끗하지 않으면 도금 공정에서 도금 피막의 두께가 달라져 도금 두께가 얇은 쪽은 '단선(Open) 불량'(PCB 회로나 홀(hole) 속이 끊어져 전기가 흐르지 않는 것)’이 발생할 수 있습니다.
반대로 도금 두께가 두꺼운 쪽은 배선이 연결되는 '단락(Short) 불량'(PCB를 구성하는 회로나 홀 속에서 전기가 원치 않는 방향으로 흐르는 것)이 발생할 수 있죠. 정면을 하면, 표면이 깨끗해짐은 물론 동박에 거칠기(Roughness)가 만들어집니다. 거칠기는 다음 공정인 화상형성공정에 사용되는 드라이 필름(Dry Film : 감광용 필름)의 밀착력을 높이는 역할도 하죠.
화상형성 공정
배선 패턴을 비롯한 각종 패턴을 만드는 공정을 말합니다. 크게 세 가지 단계로 ‘감광층의 형성 → 노광 → 현상’ 과정을 거칩니다. 빛에 반응하는 감광재를 이용해 감광층을 만들고, 노광(Explosure) 단계에서 감광층을 빛에 노출시킵니다. 배선 위치를 제외한 부분에 마스터 필름을 부착해서 자외선이 통과되지 못하게 하고, 배선 위치만 노광되게 합니다. 현상(Development) 단계에서는 배선을 제외한 나머지 부분을 녹여서 제거합니다.
배선의 형성
현상(Development) 공정까지 마치면, 배선의 영역에는 동박과 부식 레지스트 2층 구조가 형성되고, 배선 이외의 영역에는 동박만으로 1층 구조가 형성됩니다. 배선의 영역에만 전류가 흐르게 하려면, 배선 이외 영역의 동박을 제거하고, 배선의 영역을 추가로 덮고 있는 부식 레지스트 층을 제거해야 합니다. 부식액(염화제2철 부식액, 염화제2동 부식액, 알칼리 부식액 등)으로 배선 이외의 영역에 있는 동박을 제거하고, 박리액(수산화나트륨, 수산화칼륨 등)으로 부식 레지스트를 걷어내고 나면, 배선의 영역에만 동박층이 형성됩니다.
스크린 인쇄
PCB가 개발된 초기에는 스크린 인쇄 공정에서 배선을 그렸습니다. 하지만 이후 화상형성 공정을 통해 배선을 형성하는 것이 일반화되었고, 스크린 인쇄 공정에은 솔더레지스트나 심벌마크를 인쇄하는 데에 주로 활용됩니다.
솔더레지스트 형성
솔더 레지스트(=솔더 마스크)는 PCB의 구리 트레이스를 보호하고 전기 단락을 방지하기 위한 코팅입니다. PCB 기판 위 면적을 보통 가장 많이 차지하는 초록색 면이 바로 솔더 레지스트인데요. 솔더 레지스트 면을 형성해서 배선의 손상으로부터 보호하는 역할을 하는 층입니다. 아래 사진을 보면 비아 홀 안 쪽으로 동박이 형성돼있는 모습을 보실 수 있는데요, 위 아래로 초록색의 솔더 레지스트가 깔려 있는 모양을 확인할 수 있습니다.
심벌마크 인쇄
심벌마크(Symbol Mark)는 PCB 표면에 부품명이나 용량 등을 표기하는 문자나 심벌을 말합니다. 심벌마크는 보통 흰색 잉크를 사용합니다.
표면처리
솔더 레지스트로 덮이지 않은 부분의 표면을 처리하는 작업입니다. 주로 홀 주위에 도금된 부분인 ‘랜드(Land)’와 부품 실장용 패드와 같이 금속으로 이뤄진 부분의 표면을 처리합니다. 표면처리 공정의 목적은 노출된 동박의 산화를 막고, 부품의 납땜성과 전도성을 높이기 위함입니다.
단자도금
PCB는 부품만 실장한다고 작동하지 않습니다. PCB 기판 자체에 전력을 공급하고 외부 장치와 신호도 주고 받을 수 있어야 하죠. 전력 공급 및 신호 교환을 위해 PCB가 연결되는 부분을 ‘단자(Terminal)’이라고 합니다. 단자는 탈부착이 많이 이뤄지고, 외부와 전기적으로 연결돼야 하기 때문에 경도와 전도성이 높은 금속으로 도금하는데, 이를 ‘단자도금’이라고 합니다.
단자도금으로는 경도를 높인 하드 골드(Hard Gold)가 주로 사용되는데, 하드 골드의 경도는 160~210HV(경도의 단위) 수준입니다.
외형가공
PCB를 양산하는 경우 한 공정 당 하나의 완성품을 만들지 않고, 대형 패널에 여러 개의 회로 기판을 합쳐둔 형태로 만듭니다. 이때 본래 PCB 기판의 사이즈별로, 낱개 제품별로 외형을 잘라내는 작업이 필요합니다. 이러한 PCB의 외형을 만드는 작업이 ‘외형가공’입니다. 외형 가공의 종류에는 라우터 가공, 프레스 가공, V-cut 가공 등이 있습니다.
라우터 가공은 CNC, 레이저 등을 이용해 PCB 외곽 모양을 가공하는 작업을 말합니다. PCB 외형을 만드는 작업은 프레스 가공으로도 가능합니다. 라우터 가공과 프레스 가공은 모두 PCB의 외형을 가공하는 것이지만, 라우터 가공은 기계로 하나하나 정교하게 작업하기 때문에 다품종 소량생산에 적합한 반면, 프레스 가공은 소품종 대량생산에 유리합니다.
V-cut 가공은 여러 개의 PCB가 조립된 상태에서 각각을 분리하기 쉽게 파놓은 V자 홈을 만드는 가공 방식입니다.
② 양면 PCB
양면 PCB의 제작 공정은 아래와 같습니다. 아래 공정 중 단면 PCB 공정과 중복되는 단계는 제외하고, 새롭게 추가되는 ‘드릴링’ ‘홀 도금’ ‘배선 그리기’ 공정에 대해 살펴보겠습니다.
재단, 면취 > 정면(세정) > 드릴링(비아홀 가공) > 홀 도금 > 배선 그리기(패턴도금법, 패널도금법) > 솔더레지스트 형성 >심벌마크 인쇄 > 표면처리 > 단자도금 > 외형 가공
드릴링(비아홀 가공)
PCB 기판의 윗면과 아랫면이 서로 전기적으로 연결될 수 있도록 하는 비아홀을 만드는 작업입니다. PCB 기판에 구멍을 뚫는 드릴링 공정은 CNC 드릴을 이용합니다.
홀 도금
드릴링 공정에서 구멍을 뚫는다고 해서 바로 전기적으로 연결되는 것은 아니겠죠. 전류가 흐를 수 있도록 구멍의 내벽을 동(copper)으로 도금해야합니다.
배선 그리기
양면 PCB에서 배선을 그리는 방법에는 두 가지가 있습니다. ‘패널도금법’과 ‘패턴도금법’입니다.
패널도금법은 이미 가공된 홀 내벽의 도금을 보호하면서 배선을 그리는 방법입니다. 홀 매립(Hole Plugging)법과 텐팅(Tenting)법이 패널도금법의 유형입니다.
먼저 홀 매립법은 홀의 내벽을 매립용 잉크로 채워서 홀 도금을 보호하는 방법입니다. 홀 속을 매립용 잉크로 채운 뒤에, 화상형성공정으로 거쳐 배선을 형성합니다.
텐팅법은 부식레지스트 층이 텐트처럼 홀까지 덮어서 홀을 보호하는 방법입니다. 단면 PCB 제조 공정에서 배선을 형성할 때, 배선이 형성되는 부분 위에 부식 레지스트 층을 만들어서 부식액으로부터 보호합니다. 배선 이외의 영역에 존재하는 동박을 부식액으로 제거한 뒤, 부식레지스트를 제거하면 배선 영역에만 동박이 남게 됩니다. 부식레지스트 층을 홀(hole)을 덮게 해서, 부식액으로부터 홀도 함께 보호하는 방법이 텐팅법입니다.
패턴도금법은 솔더도금을 활용한 배선 형성 방법입니다. 솔더도금은 땜납도금이라고도 하는데, 패널도금법보다는 덜 활용되는 배선형성 방식입니다.
③ MLB(Multi-Layer Board) 공정
MLB는 다층(多層) PCB입니다. 다층 PCB는 3층 이상의 회로층을 갖고있는 PCB를 말합니다. 적층 공정은 아래의 단계를 거쳐 이뤄집니다.
A. 1차 적층
내층과 프리프레그(층 사이의 절연과 접착을 위해 끼워넣는 층)를 쌓는 것입니다.
B. 2차 적층
1차 적층된 면에 동박면을 추가하는 것입니다. 작업에는 경면판*과 쿠션패드**를 이용합니다.
*경면판: 가장 위쪽에서 열을 기판 전체에 고르게 전달하는 역할을 함(Top plate라고도 함).
**쿠션 패드: 약간의 쿠션을 제공하면서 압력이 고르게 전달되도록 하고, 열의 급격한 변화도 방지함. 주로 크래프트지가 사용됨.
***적층 프레스: PCB 기판을 적층할 때는 일정량의 열이 필요한데, 내층과 프리프레그들을 완전히 경화시키기 위해서는 170도 내외의 온도에서 최소 20분 이상 압착해야 함. 이 때 PCB가 휘거나 손상되지 않도록, 초반 5~10분은 낮은 압력을 가하고 이후에는 최대 압력을 가하는 방식으로 작업이 진행됨.
C. 트리밍
2차 적층까지 마쳤다고 해서 PCB 기판이 완성되는 것이 아닙니다. 압착하는 과정에서 층 사이사이로 수지와 동박 찌꺼기들이 흘러나올 수 있습니다. 이를 제거하는 작업이 바로 트리밍입니다.
PCB 제작 의뢰, '거버파일'을 이용하세요
지금까지 PCB 제작이 어떤 방식으로 이뤄지는 지에 대해 살펴봤습니다. PCB 제작을 의뢰하는 고객이 이 모든 과정을 상세히 알아야 할 필요는 없습니다. 그보다는 자신에게 필요한 PCB를 제조업체가 제대로 제조할 수 있도록 자신의 요구사항을 정확히 전달하는 것이 중요합니다.
이처럼 PCB 제작을 의뢰하려면 먼저 거버파일이 필요합니다. 거버파일은 쉽게 말해 PCB 설계도의 다른 이름입니다. CNC 제품을 의뢰할 때 CNC 제품 설계도면이 필요한 것과 같은 개념입니다. <거버파일에 대해 더 자세히 알아보고 싶다면 링크를 클릭해보세요.>
거버파일의 확장자는 매우 다양합니다. 마치 <아래 사진>에서처럼 사진 등을 볼 수 있는 이미지 파일의 확장자가 다양한 것과 마찬가지입니다.
즉, 거버파일 역시 PCB 설계도면을 보여주는 동일한 기능을 가지고 있어도, 파일의 종류는 다양할 수 있는 것입니다.
이미지를 열 수 있는 파일이라는 동일한 기능이 있지만, 파일의 유형(확장자)은 다를 수 있습니다. 왼쪽 사진에서 볼 수 있듯이 굉장히 다양한 종류의 거버 파일이 실제 제조 현장에서 사용되고 있습니다.
이러한 파일들은 큰 틀에서 봤을 때 PCB의 세부 구성요소별로 구분되고 있습니다. G1, G2는 중간 레이어 층의 설계 구조를 내용으로 담고 있고, GBL은 마지막 레이어 층, GTL은 맨 위 레이어 층의 설계 구조를 담는 식이죠.
이처럼 거버파일의 확장자가 다양하지만, 사실 기준이 되는 ‘표준 확장자’는 딱 두 가지입니다. 바로 ‘.GBR’과 ‘.gbr’입니다.
하지만 실제 PCB 제조 현장에서는 이 두 가지 확장자를 포함해 다양한 확장자가 사용되고 있다 보니 종종 혼란이 생기기도 합니다. 이 때문에 표준 확장자를 중심으로 확장자를 정리하려는 움직임도 있습니다.
거버파일을 처음 발명한 조셉 거버의 'Gerber Scientific'사를 인수함으로써 거버 파일의 정통성을 이어오고 있는 Ucamco사가 그러한 움직임을 주도하고 있습니다. 실제로 이 회사는 올해 2월에도 공식 문서를 통해 "Please use ".gbr" or ".GBR" as file extension for all your Gerber files.(제발 ".gbr" 과 ".GBR" 을 모든 거버파일의 확장자로 사용해주세요)"라고 밝히기도 했습니다.
다양한 거버파일, 압축파일로 한번에 전달
PCB 제작을 의뢰하기 위해서는 PCB를 구성하는 모든 거버파일을 파트너 제조업체에 전달해야 합니다. 앞서 살펴본 것처럼 거버파일은 종류가 다양합니다. 레이어별로, 마스크 종류별(페이스트 마스크, 솔더 마스크 등)로 나뉘어있죠.
PCB 제작을 의뢰할 때는 보통 각각의 거버파일들을 하나로 묶어서 전달하는 것이 일반적입니다. 여러가지 파일을 하나로 묶어서 압축하기 위해 'zip' 파일과 'rar' 파일의 형식을 사용합니다. rar(Roshal Archive Compressed) 파일도 zip 파일과 마찬가지로 여러 파일을 하나로 묶어주는 역할을 합니다. 제조업체 매칭플랫폼 카파(CAPA)에서 PCB 제작을 의뢰할 때 zip 파일과 rar 파일을 모두 사용할 수 있습니다.
제작의뢰시 두께도 고려해야.... 왜?
이 외에도 PCB 제작 의뢰시엔 '두께'도 결정해야 합니다. PCB 두께가 전류량에 영향을 주기 때문입니다. PCB에 전류가 흐르게 되면 열이 발생하는데, 동박 두께에 따라 허용할 수 있는 전류량에 차이가 있습니다. 따라서 어느 정도의 전류량까지 허용해야 하는 제품인지를 고려하면서 PCB 두께를 결정해야 합니다.
동박의 두께는 저항에도 영향을 줍니다. 저항을 계산하는 식을 간단히 살펴볼까요.
R = 0.017 * L / W * t
(R : 저항값, L : 패턴 길이 mm, W : 패턴 폭 mm, t : 동박 두께)
동박의 두께가 두꺼워질수록 저항값은 커지게 될 것입니다. 이 때문에 PCB의 두께는 PCB가 삽입될 제품의 형태뿐 아니라, PCB 기능에 직접적으로 영향을 주는 전류량, 저항 등을 고려하여 설정해야 합니다. 특히 공작기계와 같이 대형 기계 제품들은 360V의 전압까지도 사용합니다. 고전압이 필요한 제품의 경우 PCB 두께가 두꺼워지는 이유입니다.
레인메이커 김성회 대표는 “일반적으로 PCB 두께를 고려하는 상황은 제품 디자인이나 설계 상의 이유”라며 “보통 좁은 면적에 PCB를 넣기 위한 목적으로 PCB 두께를 고려하는 경우가 많다”고 말했습니다. 또 “소형 제품 같은 경우에는 220V 전압을 많이 사용하는데, 이 경우 단면 레이어 1.5t(1.5mm)를 많이 쓴다”고 말했습니다.
비용 산출시 고려해야 할 사항들
마지막으로 PCB 제작 시 어떤 요인들이 비용에 영향을 미치는지 살펴보겠습니다. 비용을 결정하는 요인들에 대한 기본적인 이해만으로도 제품의 단가를 크게 낮출 수 있습니다.
PCB 크기와 집적도
PCB의 크기와 집적도는 가격에 영향을 미치는 대표적인 요인입니다. 일반적으로 만들고자 하는 장치에 필요한 회로 수가 많을수록 PCB 기판의 크기가 커지고 가격도 비싸지게 됩니다. 디지털 시계처럼 작고 단순한 제품은 노트북과 같은 복잡한 제품보다 PCB 생산비용이 낮습니다. 하지만 장치가 복잡한데 제품의 크기가 작다면 좁은 면적에 회로를 구성해야하기 때문에 비용은 더욱 비싸집니다.
레이어 수
단면 PCB보다 MLB가 제작에 더 많은 비용이 듭니다. 레이어 수가 많아지면 PCB 자체를 제작하는 공정이 여러 단계 추가되기 때문입니다. 또한 층과 층 사이의 적층이 제대로 되지 않으면, 전기적인 연결이 잘 이뤄지지 않을 수 있어 더욱 세심한 주의가 필요합니다.
동박 두께
동박의 두께가 두꺼울수록 비용이 증가합니다. 이는 구리가 없는 부분을 메우기 위해 프로프레그가 더 많이 필요하기 때문입니다.
배선 폭과 이격거리
배선의 폭, 이격거리가 좁을수록 고도의 제작 기술이 필요합니다. 이 또한 비용 상승의 요인이 됩니다.
Hole의 크기와 개수
다층 PCB를 제작할 때 구멍을 많이 뚫을수록 비용이 높아집니다. 구멍을 뚫는 드릴 비트 자체가 소모품이기 때문입니다. 구멍의 크기는 작을수록 비용이 높습니다. 크기가 작으면 더 작은 드릴 비트를 사용해야하는데, 크기가 작은 드릴 비트일수록 사용 수명이 짧기 때문입니다. 드릴 비트로도 구멍을 뚫기 어려운 크기라면 레이저로 구멍을 내야합니다. 이 경우 비용은 더욱 비싸집니다.
<PCB 제작 시 알아두면 좋은 용어들>
에칭(etching)
표면에서 원하지 않는 물질을 제거하는 방법. PCB 제작 시 동박 면에서 회로 이외의 영역을 제거해 회로를 그리는데 이 과정에서 에칭 공법을 사용합니다.
비아홀(VIA hole)
층(레이어) 간에 회로를 연결할 수 있는 홀. 동박으로 내벽이 감싸져있습니다.
솔더레지스트
인쇄회로기판의 특정영역에 도포시키는 재료로써 납땜작업 시 부분 납땜이 가능하며 납땜이 불필요한 부분의 회로도 보호합니다.
동박(copper foil)
동박은 10㎛(1㎛=100만분의 1m)이하의 얇은 구리 박(薄)을 가리킵니다.
에디티브법(additive process)
절연판에다 도전성 재료를 이용해서 필요한 도체회로를 직접 형성시키는 인쇄회로기판의 제조공법입니다.
서브트랙티브법(subtractive process)
원자재인 동박적층판 혹은 금속적층판에서 필요한 도체의 회로 부분을 제외한 불필요한 부분의 동 또는 금속을 제거시켜서 필요한 도체회로를 형성하는 인쇄회로기판의 제조공법입니다.
PCB와 관련해 더 많은 정보를 얻고 싶으시다면
[제조 길잡이] 반도체와는 '실과 바늘', PCB에 대해 알아봅시다,
[제조 길잡이] PCB 조립, 핵심은 SMT(표면실장기술)
을 참고하세요.
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