최근 수정 시각 : 2018-03-09 22:14:43

Printed Circuit Board

1. 개요2. 형태3. 특징4. 제작5. 제작 업체
5.1. 양산 PCB5.2. 샘플 PCB
5.2.1. 샘플 PCB 업체


파일:external/upload.wikimedia.org/Splatine.jpg

1. 개요

기판의 일종인 인쇄회로기판.

구리 배선이 가늘게 인쇄된 판으로, 반도체·컨덴서·저항 등 각종 부품을 끼울 수 있도록 되어 있어 부품 상호간을 연결시키는 구실을 하는 판. PCB는 전기 배선을 효율적으로 설계할 수 있도록 함으로써 전자기기 크기를 줄이고 성능을 높이는 역할을 한다.

2. 형태

Rigid (고형화 되어 휘면 안되는) / Flexible (유연하게 휘는) / 위의 두가지를 조합한 R-F(Rigid-Flexible) PCB로 나뉜다.

회로가 몇 층 겹쳐있느냐에 따라 단면, 양면, 4층, 6층, ...(n x 2)층 PCB 등으로 불려지고, 3층 이상 (다층)부터는 rigid 보드 제작에 일반적으로 사용되는 원자재(FR-4)의 특성상 홀수 층의 PCB가 거의 없다. flexible PCB의 층 수는 상기 규칙의 예외. 이렇게 여러장의 기판을 겹쳐서 다층으로 만들게 되면 회로의 입체적 설계가 가능해진다. 예를 들어 2장의 기판이 겹쳐져있으면 1층의 도선을 2층으로 이동시켜 1층의 다른 도선을 점프해서 피해갈 수 있게 된다.

당연히 층 수가 많아질수록 그만큼 복잡한 회로를 작은 공간에 구현할 수 있게 되지만 가격은 배로 뛰어오른다. 현재 컴퓨터 메인보드에 사용하는 기판은 대다수가 6층 기판. 그래픽카드 등에는 8층이나 10층이 대세이다. 상업용으로 쓰는 네트워크 장비에는 수십층짜리 PCB 기판이 쓰인다. 다만 구조가 비교적 간단한 라디오 수신기나 어댑터 내부 부속 등은 단면이나 양면과 같은 단층 기판이 많이 쓰인다.

기판 자체는 절연체이기만 하면 뭐든지 사용할 수 있어서 유리(자동차 뒷유리 열선)나 비닐(키보드 접점)에 인쇄한 것도 있지만 보통은 유리섬유 fiber glass 와 에폭시 플라스틱 결합의 수지(Prepreg, P.P)를 다층으로 겹쳐서 기판을 구성한다.

회로를 구성하는 선재는 도체라면 뭐든지 사용할 수 있지만 거의 대다수가 구리를 사용한다. 여러모로 적절하기 때문인데 간혹 알루미늄을 선재로 사용하는 기판도 있다. 열악한 환경에서 동작해야 하는 기판에는 금을 사용하기도 한다. 은도 전기적 특성이 우수하므로 선재로 쓰이지 않을 이유가 없다. 또, 선재 뿐만 아니라 마지막에 패턴 MASK를 도금할 때에는 FLUX와 납을 도포한 HASL도금, 니켈과 금을 올리는 Au도금, 니켈과 은을 올리는 Ag도금, 동박 표면에 알킬벤즈이미다졸이나 디-페닐이미다졸과 같은 물질만 도포하는 OSP(Organic Solderability Preservative), 잘 쓰지는 않지만니켈과 주석을 올리는 TIN도금 등이 있다.

투명전극이라 하여 빛이 투과하는 특성을 가진 선재가 필요할 곳에서는 그래핀을 사용하려는 시도도 이루어지고 있다. 그리고 현재도 투명 PCB가 있다! 인듐-갈륨 전극과 전선을 유리판에 증착하는 방식으로 인쇄해서 쓰고 있는데, 터치스크린이다. 하여튼 전기만 잘 통하면 뭐든 쓸 수 있다. 전기가 아닌 을 통과시키는 선재도 연구되고 있으나 가격크리가 장난이 아니라 아직 광섬유를 PCB화한 물건은 찾아볼 수 없다.

3. 특징

인쇄회로기판은 튼튼하고 저렴하며 높은 신뢰성을 지닐 수 있다. 많은 배치노력이 필요하고 전선 연결이나 접점간 구성보다 초기비용이 비싸지만, 대량생산시 훨씬 저렴하고 빠르며 높은 생산성을 유지한다. 덤으로 좁은 공간에 상대적으로 많은 부품을 배치할 수 있다. 그래서 작은 장난감에서부터 컴퓨터, 휴대폰, 인공위성 등에 이르기까지, 스위치나 전구 혹은 모터[1][2]정도의 전기적인 회로 구조가 간단한 장치가 아니라면 거의 모든 전자기기에 사용된다.

단 앞서 설명한 대로 배선이 가늘기 때문에 큰 전력을 전달하는 데에는 적절하지 못하며[3] 노이즈나 레이턴시(=회로 길이) 혹은 임피던스(=회로 저항값)에 민감한 회로를 구성할 때에도 직접 전선을 연결하는 것보다 별로 나은 점이 없을 때도 있다. 보통 레이턴시에 민감한 회로는 선로를 구불구불 뱀처럼 꼬아서 만들어서 길이를 맞춰준다.[4] 이런 패턴은 컴퓨터 메인보드에서도 USB나 PCI 등의 커넥터 주변에서 쉽게 찾을 수 있다. 또한 고전류가 필요한 부분에는 구리 덩어리로 만든 브리지 등으로 연결하는 경우도 많다. 주로 RC쪽 모터 드라이버. 가끔 100A도 땡겨준다.

그리고 PCB는 기본적으로 수리가 힘들다. 이렇게 부러진 PCB를 고치는 사례가 없지는 않지만 이건 엄청 간단한 단층 기판이니까 가능한거지 다층 기판이나 컴퓨터와 같은 민감한 회로는 수리가 불가능하다.[5] 앞서 언급했듯이 구리 배선의 폭과 두께가 매우 가늘어서 단선시 연결하기 힘든데다가, 외부로 노출되지 않은 배선이 단선되면 손을 댈 방법이 없기 때문이다. 여기에 더해서 과전압이나 부품의 접촉 불량등으로 PCB의 일부가 탄 경우에는 수리를 위한 조사 자체가 매우 힘들어진다. 그래서 뭔가 문제가 발생하기 시작하면 통짜로 교환하는 편이 편리하다.

4. 제작

간단한 회로의 경우 개인이 제작하거나 만드는 건 그리 어렵지는 않다. 회로를 설계하는 데 걸리는 시간을 뺀다면, 아래의 정석적인 방법을 사용하더라도 한 시간 이내에 만드는 것도 가능하다. 기본적으로는 플라스틱 수지에 동판이 붙어 있는 상태에서 남길 패턴만 코팅한 뒤, 염화제2철용액을 이용해 노출된 구리 부분이 녹아 나오는 것이 원리이다.

정석적인 방법은 다음과 같다.
  1. 동판에 수세미질을 하거나 에탄올을 통해 구리의 피막을 벗겨낸다.(정면, Scrubbing)
  2. 동판 위에 감광액을 바른다.(라미네이션, Lamination)
  3. 투명한 비닐에 기판을 인쇄하고, 감광액 위에 덮은 뒤, 자외선을 쪼여 준다.(노광, Exposing)
    이 때, 감광액이 자외선에 노출된 부분만 경화되어 코팅이 남는다.
  4. 감광액을 씻어낸 뒤, 염화제2철 용액에 담궈둔다.(에칭, Etching)
    용액을 따뜻하게 유지하고 스펀지로 문질러 주면 더 빠르게 끝낼 수 있다. 주의할 점은, 이 때 너무 오래 담궈 두면 녹지 말아야 할 곳까지 녹아 버리는 수가 있다는 것. 염화제2철 용액은 피부에 닿지 않도록 해야 한다.
  5. 필요없는 부분의 동판이 모두 녹아 없어졌으면, PCB를 꺼내어 헹궈낸 뒤 에탄올이나 신나 등으로 코팅을 벗겨낸다.(박리, Strip)

여기까지 하면 PCB가 완성된다. 다른 방법으로, 전사지에 레이저 프린팅을 하여 열을 통해 동판으로 바로 옮긴다든지, 코팅 대신 매직을 칠한 뒤 3D 프린터를 활용해 긁어낸다든지, CNC로 가공한다던지 하는 방법도 인터넷으로 찾을 수 있다.

업체에 주문을 할 경우, 여러 층으로 제작하거나, 쇼트를 방지하면서 필요한 곳에만 납이 묻을 수 있도록 잉크 등으로 PSR코팅을 하거나, 흰색으로 프린팅을 하는 실크 스크린을 추가하는 등의 옵션을 추가할 수 있다.

5. 제작 업체

업체는 크게 샘플 PCB와 양산 PCB로 나뉜다.

5.1. 양산 PCB

양산 PCB의 경우 1m 원판을 이용하여,
원판 1장 당 25만원 정도의 양산 비용이 나오므로,
적당한 업체를 선정하여 양산하면 된다.

여기도 문제는 RF와 같이
유전율과 임피던스를 중요시 하는 회로의 경우
특정 업체 선정이 필요하다.

5.2. 샘플 PCB

문제는 샘플 PCB 업체인데,
과거에는 샘플로 해주는 업체가 없었기에,
거의 독보적이었던 H기술을 이용하였지만,
여기도 10cm 크기에 10만원 근방이었기에,
최종본이 아닌 이상 샘플을 뜨기가 어려웠다.

하지만 중국 업체가 입점을 하게되면서,
같은 크기의 샘플을 3만원 정도에 가능해졌다.

현재는 I은행과 D마트에서
샘플 PCB 대행을 해주고 있는데,
여기도 가격은 5만원 정도이므로,
DIY에 관심이 있는 사람들이라면,
중국 업체를 이용하여
2만 5천원 정도에 퉁칠 수 있다.링크2

2018년 현재 중국 샘플 PCB 시장은
대행 업체만 다르고,
샘플을 양산하는 공장은 같다고 보면 된다.

현재 중국 업체를 이용 시에
우체국 배송으로 선택하면
1주일이면 받아볼 수 있으며,
가격은 20$ 미만이라고 보면 된다.

5.2.1. 샘플 PCB 업체

업체는 주로
FirstPCB,
Seeed Studio
등이 있으며,
원래 Seeed Studio가 선발주자에 가장 유명했으나,
가격은 더 오르며, 서비스가 이 되어
요즘은 FirstPCB를 이용한다.


[1] 소형 저전류 모터는 스테이터 코어들의 배선을 간편하게 하기 위해 PCB를 사용하기도 한다. 회로 구성보다는 도선의 역할에 중점을 둔 것이다.[2] 다만 미세한 조절이 필요한 모터는 위치 검출등을 위해 있다.[3] 이거도 배선 패턴을 넓직하게 짜서 극복하는 경우가 많다. 대충 100A까지 버티는 수준까지도 만드는게 가능하다.[4] 50~60년대에는 아직 소자의 동작속도가 느려서 손으로 대충대충 그려도 이상 없이 작동했지만, 동작 속도가 슬슬 MHz 단위로 넘어가는 60년대 후반만 되어도 벌써 배선 길이를 정확히 맞추고 배선을 촘촘하게 배열하는 현대적인 PCB 설계 방법론이 등장하기 시작한다.[5] 클럭 스피드가 기가헤르츠 단위로 올라가버리면 회로의 길이까지 맞춰줘야 한다. PC메인보드의 패턴이 괜히 구불구불하게 그려져 있는 게 아니다. 이 길이를 안다고 해도 인덕턴스니 유전율이니 하는 것까지 발목을 잡는다.

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