단일, 이중 및 다층 PCB: 유형 및 선택 방법

단면 PCB는 단순하고 저렴한 애플리케이션에 적합한 선택입니다. 양면 PCB는 예산 제약이 있는 적당한 복잡성에 적합합니다. 다층 PCB는 고밀도, 고속 또는 소음에 민감한 설계에 필수적입니다. 이 세 가지 PCB 유형은 제조 복잡성, 기능 및 비용의 발전을 나타내며 각 유형은 최상의 결과를 제공하는 명확하게 정의된 애플리케이션 세트를 갖추고 있습니다. 비용이 많이 드는 단면 보드 생산하는 데 $0.50 기본 LED 컨트롤러에 대한 올바른 엔지니어링 및 상업적 결정입니다. 동일한 보드는 5G 모뎀의 비실용적 출발점이 될 것입니다. 이 세 가지 범주 간의 구조적, 전기적, 제조적 차이점을 이해하는 것은 초기 설계 단계부터 올바른 PCB 결정을 내리는 기초입니다.

PCB 레이어 수가 기능을 정의하는 방법

인쇄 회로 기판은 절연 기판 재료(가장 일반적으로 FR4 유리-에폭시 라미네이트)로 분리된 전도성 구리 층의 적층 구조입니다. 구리 레이어의 수는 보드 내에 존재하는 독립적인 라우팅 채널의 수를 결정하며, 이는 라우팅 밀도, 신호 무결성, 배전 품질 및 전자기 호환성(EMC) 성능을 결정합니다.

세 가지 기본 계층 구성은 각각 고유한 엔지니어링 기능 계층을 나타냅니다.

• 단면 PCB(구리층 1개): 모든 전도성 트레이스는 기판의 한쪽 면에 있습니다. 구성 요소 장착 및 추적 라우팅은 동일한 평면을 차지하므로 교차 없이 달성할 수 있는 수준으로 라우팅 밀도가 제한됩니다.
• 양면 PCB(구리층 2개): 구리 트레이스는 PTH(도금 관통 구멍)를 통해 연결된 기판 양면에 존재합니다. 구성요소를 한쪽 또는 양쪽에 장착할 수 있어 단면 보드에 비해 라우팅 용량이 대략 두 배로 늘어납니다.
• 다층 PCB(4개 구리층): 여러 개의 구리 레이어가 내부 라우팅 레이어, 전용 전원 플레인 및 접지 플레인을 갖춘 단일 보드 구조로 적층됩니다. 고급 애플리케이션의 경우 레이어 수는 4~50개입니다. 4, 6, 8, 10개 레이어 가장 일반적인 상용 구성입니다.

기판 재료의 역할

세 가지 PCB 유형 모두 동일한 기본 기판 옵션을 사용하지만 레이어 수가 증가함에 따라 재료 선택이 더욱 중요해집니다. FR4(유리 강화 에폭시, Tg 130~170°C)는 대부분의 상업 및 산업 응용 분야의 표준입니다. 위의 고주파 설계 1GHz 여러 레이어에 걸쳐 신호 무결성을 유지하기 위해 Rogers 4003C(유전율 εr = 3.55, 손실 탄젠트 0.0027) 또는 Isola IS680과 같은 저손실 라미네이트가 점점 더 필요해지고 있습니다. 이는 대부분의 단면 응용 분야에서는 발생하지 않는 고려 사항입니다.

단면 PCB : 구조, 장점 및 이상적인 응용 분야

단면 PCB에는 절연 기판의 한 면에 구리 호일 한 층이 접착되어 있습니다. 부품은 일반적으로 구리 면(스루홀 부품의 경우 리드 와이어가 보드를 통과하여 구리 면에 납땜됨)에 장착되거나 SMD 부품이 반대면의 구리 패드에 납땜된 베어 기판 면에 장착됩니다.

제조 공정 및 비용 우위

단면 기판은 간단한 감산 공정으로 제조됩니다. 구리 피복 기판을 포토레지스트로 코팅하고 회로 패턴 필름을 통해 노출시킨 후 현상하고 에칭하여 원하지 않는 구리를 제거합니다. 스루홀 도금, 내부 레이어 라미네이션 및 다중 정렬 작업이 없기 때문에 단면 PCB는 제조하기에 가장 간단하고 저렴한 PCB 유형입니다.

대량 생산(100,000개)에서는 100 × 80mm 크기의 표준 단면 FR4 보드를 생산할 수 있습니다. 단위당 $0.10~$0.50 . 이러한 비용 이점은 BOM 목표가 엄격한 가전 제품에 중요합니다.

단면 기판의 설계 제약

단면 설계의 근본적인 제약은 점퍼 선이나 0옴 저항 없이 트레이스를 교차할 수 없다는 것입니다. 즉, 기존 트레이스 위에 라우팅할 두 번째 레이어가 없습니다. 이는 모든 연결이 교차하지 않는 평면 구성으로 라우팅될 수 있는 설계로 회로 복잡성을 제한합니다. 단면 설계의 실제 상한은 일반적으로 다음과 같습니다.

• 스루홀 또는 SMD 부품이 약 30~50개 미만인 부품 수
• 대략 50~80개 미만의 연결 수
• 제어된 임피던스 또는 차폐가 필요한 고주파 신호 경로가 없음
• 전용 전원 또는 접지판이 필요하지 않습니다.

단면 PCB가 뛰어난 곳

단면 보드는 다양한 응용 분야에서 대량 생산되고 있습니다.

• LED 조명 드라이버 및 컨트롤러: 구성 요소 밀도가 낮고 고주파수 요구 사항이 없는 간단한 전력 스위칭 회로
• 기본 전원 공급 장치 보드: 전력 트레이스를 위해 견고한 구리가 필요하지만 신호 라우팅 복잡성이 최소화된 변압기, 정류기 및 필터 회로
• 리모콘 및 간단한 가전제품: 회로가 잘 구축되고 비용 최소화가 설계를 주도하는 계산기, 기본 장난감 및 IR 리모컨
• 센서 인터페이스 보드: 가전제품의 온도, 압력 또는 근접 센서를 위한 간단한 아날로그 조절 회로
• 자동차 계전기 및 퓨즈 보드: 라우팅 밀도보다 트레이스 폭과 열 관리가 더 중요한 고전류 스위칭 회로

양면 PCB: 밀도 증가 및 적용 범위 확대

양면 PCB는 기판의 반대편 면에 두 번째 구리 층을 추가하고 도금 관통 구멍(PTH)을 통해 두 층을 연결합니다. PTH(도금 관통 구멍)는 상단과 하단 구리 층 사이에 전기적 연결을 생성하는 구리 라이닝 드릴 구멍입니다. 이 한 가지 추가로 엔지니어가 사용할 수 있는 설계 공간이 근본적으로 바뀌었습니다.

도금 관통 구멍: 핵심 구현 기술

PTH 비아는 보드 전체 두께에 구멍을 뚫은 다음 구리로 전기 도금하여 벽 두께를 2mm로 만듭니다. 최소 25μm IPC-6012 클래스 2(표준 상업용) 또는 최소 20μm 클래스 1당. 도금은 층 사이에 안정적인 전기적, 기계적 연결을 생성합니다. 표준 양면 제작 범위에서 드릴 직경을 통해 0.2mm ~ 6.3mm , 완성된 구멍 크기는 도금 후 드릴 직경보다 0.1-0.15mm 더 작습니다.

PTH 제조를 추가하면 제조 공정에 화학적 구리 증착, 전기 도금 및 추가 검사 단계가 추가되어 단위 비용이 대략적으로 증가합니다. 단면 대비 30~60% 동일한 보드 크기와 부피로 라우팅 용량을 대략 두 배로 제공합니다.

양면 기판의 설계 기능

• 추적 교차 해결: 상위 레이어의 트레이스 충돌은 비아를 통해 하위 레이어로 삭제하고, 충돌하는 트레이스 아래로 라우팅한 후 반환하여 해결할 수 있습니다. 이는 단면 설계의 점퍼 와이어 제한을 제거합니다.
• 부품 밀도 증가: SMD 부품은 보드 양면에 배치할 수 있어 동일한 보드 설치 공간에서 부품 밀도를 두 배로 늘릴 수 있습니다. 이는 공간이 제한된 산업 및 소비자 애플리케이션에 매우 중요합니다.
• 부분 전원 및 접지 참조: 한 레이어는 주로 전력 및 접지 분배에 사용되고 다른 레이어는 신호 라우팅을 처리할 수 있습니다. 이는 단면에 비해 개선되었지만 전용 내부 플레인의 모든 이점은 없습니다.
• 중간 주파수 신호 라우팅: 양면 보드는 최대 대략적으로 신호에 대해 제어된 임피던스 트레이스를 지원합니다. 100~200MHz 주의 깊게 설계하면 접지면 기준이 없으면 임피던스 제어가 다층 설계보다 정확도가 떨어집니다.

양면 PCB의 일반적인 응용 분야

• 산업용 제어 보드: 적당한 구성 요소 밀도와 혼합 신호/전력 라우팅이 필요한 PLC, 모터 컨트롤러, 릴레이 로직 및 HVAC 제어 패널
• 의료 기기: 신뢰성이 중요하지만 신호 주파수가 보통인 진단 장비, 환자 모니터링 장치 및 주입 펌프
• 자동차 차체 전자장치: 회로 복잡성이 단면 기능을 초과하지만 다층 비용을 정당화하지 못하는 대시보드 모듈, 차체 제어 장치 및 센서 클러스터
• 전력 전자 장치: 전원과 신호 트레이스가 공존하고 상하 분리가 가능한 인버터, DC-DC 컨버터, UPS 보드는 레이아웃 이점을 제공합니다.
• 중급 가전제품: 오디오 증폭기, 네트워크 스위치 및 홈 자동화 컨트롤러

다층 PCB : 고밀도, 고성능 및 신호 무결성

다층 PCB는 단순히 추가 라우팅 용량을 통해서가 아니라 차폐 환경에서 내부 접지면, 전력면 및 제어된 차동 쌍 라우팅을 통해 가능해진 질적으로 다른 전기적 성능을 통해 단면 또는 양면 설계에서 근본적으로 접근할 수 없는 기능을 달성합니다.

다층 기판 제조 방법

다층 제조는 개별 양면 내부 레이어 코어로 시작되며 각각은 독립형 양면 보드처럼 처리됩니다(이미지, 식각, 검사). 그런 다음 내부 레이어는 정밀 정합 핀을 사용하여 정렬되고 가열된 유압 프레스에서 프리프레그(사전 함침된 유리 섬유 에폭시) 접착 레이어와 함께 적층됩니다. 170~200°C 및 250~400psi . 적층 후 외층을 가공하고, 드릴링 및 PTH 도금을 통해 모든 층을 연결하여 기판을 완성합니다.

고품질 다층 제조에서 층간 정합 정확도는 일반적으로 ±75~100μm , 비아 드릴 위치가 모든 내부 레이어의 구리 패드와 정렬되도록 합니다. 레이저 드릴링된 마이크로비아를 사용한 고급 제작으로 ±25μm HDI(고밀도 상호 연결) 보드용.

전력 및 접지면: 핵심 다층 장점

내부 레이어를 견고한 구리 전원 및 접지판 전용으로 사용하면 2레이어 설계에서는 복제할 수 없는 세 가지 중요한 이점을 얻을 수 있습니다.

• 제어된 임피던스 라우팅: 접지면이 바로 인접한 외부 레이어의 신호 추적(일반적으로 0.1~0.2mm 간격 ) 계산 가능한 특성 임피던스로 잘 정의된 전송선을 형성합니다. 표준 4레이어 보드의 50Ω 마이크로스트립에는 대략 다음의 트레이스 폭이 필요합니다. 0.2~0.3mm 유전체 두께에 따라 다름 - 2층 설계에서는 사용할 수 없는 정밀도로 달성 및 계산 가능.
• PDN(전력 분배 네트워크) 성능: 견고한 구리 전력판은 보드의 모든 구성 요소에 동시에 낮은 임피던스 전력을 전달하여 전원 공급 장치 잡음(Vdd 리플)과 전력 전달 경로의 인덕턴스를 줄입니다. 이는 스위칭 이벤트 중에 큰 과도 전류를 끌어내는 고속 디지털 IC에 매우 중요합니다.
• EMI 차폐: 내부 접지면은 신호 레이어 사이에서 전자기 차폐 역할을 하여 인접한 라우팅 레이어 간의 누화를 줄이고 복사 방출을 제한합니다. 4레이어 보드는 일반적으로 10~15dB 더 낮은 방사 EMI를 달성합니다. 고주파수에서 동등한 2레이어 설계와 비교하여 FCC 또는 CE 인증 통과와 실패의 차이를 결정하는 경우가 많습니다.

공통 구성을 위한 레이어 스택업 전략

다층 적층 내 신호, 전원 및 접지 레이어의 배열에 따라 보드의 전기적 성능이 결정됩니다. 잘못된 스택업 설계는 추가 레이어의 장점을 무효화합니다. 좋은 스택업 설계는 최소 레이어 수 내에서 신호 무결성과 PDN 성능을 극대화합니다.

고급 다층 설계의 블라인드 및 매립 비아

다층 기판의 표준 스루홀 비아는 통과하는 모든 층, 심지어 연결되지 않는 층에서도 패드 및 패드 방지 공간을 소비합니다. 미세 피치 BGA 부품을 사용한 고밀도 설계( 0.4~0.5mm 피치 ), 스루홀 비아는 너무 많은 라우팅 공간을 소비합니다. 블라인드 비아(외부 레이어와 내부 레이어만 연결) 및 매립 비아(외부 표면에 도달하지 않고 내부 레이어 연결)는 스루홀 비아가 달성할 수 없는 BGA 아래의 팬아웃 라우팅을 허용합니다. 이러한 기술은 추가 제작비 30~80% 그러나 최신 고밀도 프로세서 및 메모리 라우팅에는 필수적입니다.

다층 PCB가 필요한 애플리케이션

• 스마트폰 및 태블릿: USB 3.x, MIPI 및 PCIe 인터페이스를 위한 HDI 구성, 미세 피치 BGA 및 제어된 임피던스 차동 쌍을 갖춘 6~10 레이어 보드
• 서버 및 네트워킹 장비: 멀티 기가비트 SerDes 레인, DDR5 메모리 인터페이스 및 PCIe Gen4/Gen5 연결을 라우팅하는 8~16 레이어 보드
• 자동차 ADAS 및 ECU: EMC 준수 및 고속 센서 인터페이스 라우팅이 필요한 안전 필수 시스템의 6-12 레이어 보드
• 5G 기지국 및 RF 전자 장치: 동일한 스택에 저손실 RF 레이어와 표준 FR4 디지털 레이어가 포함된 혼합 적층 다층 보드
• 항공우주 및 방위 전자: 확장된 온도 범위 라미네이트를 갖춘 IPC 클래스 3 표준을 준수하는 고신뢰성 다층 보드

직접 비교: 단면 vs 양면 vs 다층 PCB

설계에 적합한 PCB 유형을 선택하는 방법

PCB 유형 선택을 위한 결정 프레임워크는 우선순위에 따라 일련의 설계 제약 조건을 통해 작동해야 합니다. 비용 최적화는 기능 요구 사항이 충족된 것으로 확인된 후에만 유효합니다. 비용을 절감하기 위해 단면 보드를 선택한 다음 라우팅이 불가능하다는 사실을 발견하면 초기 절약보다 더 많은 시간과 비용을 낭비하게 됩니다.

1. 신호 주파수 요구 사항을 평가합니다. 보드의 어떤 신호라도 위에서 작동하는 경우 100MHz 또는 인터페이스에 제어된 임피던스(USB 2.0/3.x, HDMI, PCIe, DDR 메모리, RF 트레이스)가 필요한 경우 접지면 참조가 있는 다층 보드가 필요합니다. 이 단일 기준은 대부분의 현대 디지털 디자인에서 단면 및 양면 보드를 배제합니다.
2. 구성 요소 수 및 포장을 평가합니다. 설계에 BGA, QFN 또는 피치가 0.8mm 미만인 미세 피치 CSP 구성 요소가 포함된 경우 팬아웃 라우팅에는 거의 항상 최소 4층 보드가 필요합니다. 피치가 0.5mm 미만인 BGA 구성 요소에는 일반적으로 레이어 수에 관계없이 블라인드/매립 비아가 있는 HDI가 필요합니다.
3. EMC 요구사항을 확인하세요. 위의 클록 또는 스위칭 주파수가 있는 경우 FCC Part 15 클래스 B, CE 또는 자동차 EMC 인증이 필요한 설계 30MHz 사용된 필터링 접근 방식에 관계없이 2층 설계보다 적절한 접지면을 갖춘 다층 기판을 사용하면 거의 항상 인증을 더 안정적으로 통과할 수 있습니다.
4. 라우팅 복잡성 평가: 2레이어 보드에서 예비 구성요소 배치 및 라우팅 시도로 인해 5~10% 이상의 연결이 라우팅되지 않거나 중요한 신호에 대해 과도한 트레이스 길이 절충이 필요한 경우 4레이어 보드로 이동하는 것이 2레이어 레이아웃에서 추가로 반복하는 것보다 더 경제적입니다.
5. 볼륨 및 비용 목표를 확인합니다. 기능적 요구 사항이 충족되었는지 확인한 후에만 비용 드라이브 레이어 수를 결정해야 합니다. 기능적 요구 사항이 단면 또는 양면 보드로 완전히 충족되는 대량 상품의 경우 비용 이점이 상당하며 최적화할 가치가 있습니다.

레이어 수를 업그레이드하는 것이 보이는 것보다 더 경제적인 경우

일반적인 오해는 낮은 레이어 수를 선택하면 항상 총 프로젝트 비용이 줄어든다는 것입니다. 실제로 너무 적은 수의 레이어에 조밀한 설계를 라우팅하는 데 소요되는 추가 엔지니어링 시간, 라우팅 충돌을 해결하는 데 필요한 보드 영역 증가, 인증 실행 실패로 인한 EMC 재테스트 비용이 2레이어와 4레이어 보드 간의 제조 비용 차이를 초과하는 경우가 많습니다. 4레이어 보드는 프로토타입 수량 기준으로 2레이어 보드보다 약 2~2.5배 더 비쌉니다. —보통 보드당 $30~$80의 차이가 있지만 EMC 테스트 주기를 한 번만 피하면 실험실 비용과 엔지니어링 시간이 $5,000~$20,000 절약됩니다.

보드 유형별 PCB 설계 규칙 및 최소 기능 크기

각 PCB 유형에서 달성할 수 있는 최소 피처 크기를 이해하면 설계자는 프로토타입 지연 및 예상치 못한 비용 증가의 일반적인 원인인 선택한 제작업체의 능력을 초과하는 치수 지정을 방지하는 데 도움이 됩니다.

레이아웃을 마무리하기 전에 항상 선택한 제작업체와 특정 설계 규칙을 확인하십시오. 제작기 기능은 다양하며, 확인 없이 위의 절대 최소값으로 설계하면 수율 문제 및 관련 비용 불이익의 위험이 증가합니다. 실용적인 접근 방식은 제작자가 명시한 최소값의 130~150%를 목표로 하는 것입니다. 중요하지 않은 추적 및 공간의 경우 실제로 필요한 영역에 대해서만 최소 규칙 기능을 예약합니다.