PCB 제조란 무엇입니까? PCB 제조 및 조립 방법

무엇입니까? PCB 제조?

PCB 제조 — 인쇄 회로 기판 제조 — 거의 모든 현대 장치의 전자 부품을 기계적으로 지지하고 전기적으로 연결하는 강성 또는 유연성 기판을 생산하는 산업 공정입니다. 스마트폰과 노트북부터 산업용 컨트롤러와 의료 기기에 이르기까지 PCB는 전자 시스템이 구축되는 기본 플랫폼입니다.

PCB는 비전도성 기판(가장 일반적으로 FR4(유리 강화 에폭시 라미네이트))에 적층된 하나 이상의 구리 도체 트레이스 레이어로 구성됩니다. 구리 트레이스는 초기 전자 장치의 특징이었던 지점 간 배선을 대체하여 복잡한 회로 토폴로지를 규모에 맞게 안정적으로 재현할 수 있습니다. 최신 HDI(고밀도 상호 연결) PCB에는 다음이 포함될 수 있습니다. 20개 이상의 구리층 두께가 1.6mm에 불과한 보드에 트레이스 폭이 75미크론 미만입니다.

원시 라미네이트부터 완성된 테스트 보드까지 PCB 제조에 ​​관련된 내용을 이해하는 것은 제조를 위한 설계, 공급업체 선택 및 품질 사양에 대해 정보를 바탕으로 결정을 내려야 하는 엔지니어, 구매자 및 제품 개발자에게 중요합니다.

PCB 작동 방식: 전기 및 기계 기초

파악 PCB 작동 방식 이를 위해서는 전도층, 유전체 기판, 부품 실장 구조 등 세 가지 기능 요소 간의 상호 작용을 이해해야 합니다.

구리 트레이스 도체

전류는 보드의 각 레이어에 에칭된 구리 트레이스를 통해 구성요소 간에 흐릅니다. 트레이스 폭과 두께에 따라 전류 전달 용량이 결정됩니다. 폭 0.5mm, 두께 35μm 구리 트레이스는 표준 조건에서 과도한 가열 없이 대략 1A를 지속적으로 전달할 수 있습니다. 고속 설계의 신호 무결성은 제어된 임피던스, 즉 트레이스 폭, 유전체 두께, 기판의 유전 상수(Dk) 사이의 관계에 따라 달라집니다. 이는 RF 및 고주파 디지털 회로에서 신호 반사와 누화를 방지하기 위해 정밀하게 관리되어야 합니다.

유전체 기판

절연 기판은 구리층을 분리하고 기계적 강성을 제공합니다. FR4 — 대략 유전 상수 4.2~4.5 130~170°C의 유리 전이 온도(Tg)는 범용 PCB의 산업 표준입니다. 고주파 응용 분야에서는 Rogers 4003C(Dk 3.55) 또는 PTFE 기반 라미네이트와 같은 저밀도 재료를 사용하여 마이크로파 주파수에서 신호 손실을 최소화합니다.

비아 및 레이어 상호 연결

비아는 서로 다른 레이어에 걸쳐 구리 트레이스를 연결하는 도금된 관통 구멍 또는 막힌/매설 구멍입니다. 스루홀 비아는 전체 보드 두께에 걸쳐 있습니다. 블라인드 비아는 반대쪽 표면을 관통하지 않고 외부 레이어를 하나 이상의 내부 레이어에 연결합니다. 매립된 비아는 내부 레이어만 연결합니다. 비아 선택은 다층 설계의 라우팅 밀도와 신호 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

솔더 마스크 및 실크스크린

일반적으로 녹색이지만 파란색, 빨간색, 검은색 및 흰색으로 제공되는 폴리머 솔더 마스크 층은 조립 중 산화 및 솔더 브리징을 방지하기 위해 구리 트레이스를 덮습니다. 상단에 인쇄된 실크스크린(범례) 잉크는 조립 및 현장 서비스 사용을 위한 구성 요소 참조 지정자, 극성 표시 및 제조업체 정보를 제공합니다.

PCB 보드 제작 방법: 단계별 제조 공정

이해 PCB 보드가 만들어지는 방법 특정 설계 결정이 비용과 리드 타임에 영향을 미치는 이유를 명확히 합니다. 다층 FR4 보드의 표준 제조 순서는 다음과 같이 진행됩니다.

1단계 - 내부 레이어 이미징

내부 구리층은 구리 피복 라미네이트 패널로 시작됩니다. 감광성 드라이 필름 레지스트를 구리 표면에 적층한 다음 포토마스크(Gerber 생성 필름 또는 직접 레이저 이미징)를 통해 UV 광선에 노출시킵니다. 노출되지 않은 레지스트는 화학적으로 현상 제거되고, 노출된 구리는 알칼리성 용액으로 에칭되어 원하는 트레이스 패턴만 남습니다. 이 단계에서는 추적 정확도가 중요합니다. 내부 레이어 등록 오류는 다층 스택업의 여러 레이어에 걸쳐 복합적으로 발생합니다.

2단계 - 산화물 처리 및 적층

내부 레이어 패널은 접착력을 향상시키기 위해 갈색 또는 검정색 산화물로 화학적으로 처리된 다음 프리프레그(부분 경화된 수지가 포함된 사전 함침 유리 직물) 시트를 삽입하고 열과 압력을 가하여 함께 압착합니다. 일반적으로 200~350psi에서 170~185°C - 적층 프레스에서. 이는 모든 레이어를 단일 견고한 패널로 접착하고 프리프레그 수지를 완전히 경화시킵니다.

3단계 - 드릴링

CNC 드릴링 머신은 비아 및 부품 리드에 대한 정확한 X/Y 좌표에서 관통 구멍을 뚫습니다. 드릴 직경의 범위는 다음과 같습니다. 6.0mm에서 0.1mm까지 마이크로비아용. 드릴링 속도, 칩 부하 및 비트 마모는 드릴의 이탈, 홀 벽에 유전체의 번짐 또는 홀 출구 지점의 박리를 방지하기 위해 엄격하게 제어됩니다.

4단계 - 디스미어 및 무전해 구리 도금

드릴링을 하면 구멍 벽에 수지 번짐이 발생하여 전기적 연속성을 차단할 수 있습니다. 플라즈마 또는 화학적 과망간산염 제거 공정을 통해 이러한 오염이 제거됩니다. 무전해(자가 촉매) 구리 증착은 얇은 시드 구리 층을 적용합니다. 일반적으로 0.5~1.5μm - 구멍 벽과 패널 표면에 후속 전기도금을 위한 전도성을 제공합니다.

5단계 - 외부층 이미징 및 도금

외부 레이어는 내부 레이어와 동일한 이미징 프로세스를 거치지만 추가 접근 방식을 사용합니다. 즉, 레지스트를 적용하고, 노출하고 현상하여 도금을 위해 구리 영역을 노출시킵니다. 전해 구리 도금은 트레이스와 비아 벽 구리를 지정된 두께(일반적으로 IPC-6012 클래스 2에 따라 홀 벽에서 최소 25~35μm)로 만듭니다. 구리 위의 주석 도금은 후속 외부층 에칭 중에 에칭 레지스트 역할을 합니다.

6단계 - 에칭, 솔더 마스크 및 표면 마감

외부 층 구리가 에칭되고, 주석 레지스트가 제거되고, 스크린 또는 잉크젯 인쇄로 솔더 마스크가 적용되고 UV 경화됩니다. 그런 다음 노출된 구리 패드에 표면 마감 처리를 적용합니다. 일반적인 옵션에는 HASL(열풍 납땜 레벨링), ENIG(무전해 니켈 침지 금), OSP(유기 납땜성 보존제) 및 침지 은이 포함됩니다. 각 옵션에는 비용, 납땜성 유효 기간 및 미세 피치 구성 요소에 대한 적합성이 뚜렷하게 상충됩니다.

7단계 — 라우팅, 테스트 및 검사

패널은 CNC 라우터 또는 채점을 통해 개별 보드 아웃라인으로 라우팅됩니다. 전기 테스트(플라잉 프로브 또는 못바닥 고정 장치)를 통해 모든 네트의 개방 및 단락 여부를 확인합니다. 자동 광학 검사(AOI)는 트레이스 형상을 확인하고 보드는 선적 전 도금 두께 검증을 통해 제어된 임피던스에 대한 단면 분석 또는 미세 단면 검사를 거칠 수 있습니다.

PCB 생산 및 조립: 베어보드에서 기능 유닛까지

PCB 생산 및 조립 베어 보드의 제조와 후속 전자 부품 채우기(에칭된 라미네이트를 작동하는 전자 어셈블리로 변환하는 프로세스)를 모두 포함합니다. 조립은 일반적으로 두 가지 구성 요소 장착 기술 중 하나 또는 둘 다를 따릅니다.

표면 실장 기술(SMT)

SMT 부품(저항기, 커패시터, IC, 커넥터)은 픽 앤 플레이스 기계를 통해 다음 속도로 보드 표면의 솔더 페이스트 인쇄 패드에 직접 배치됩니다. 시간당 구성요소 20,000~60,000개 현대 고속선의 경우. 조립된 보드는 페이스트가 녹아 영구적인 납땜 접합부를 형성하는 리플로우 오븐(무연 납땜의 경우 일반적으로 최고 온도 245~260°C)을 통과합니다. SMT는 두 보드 표면 모두에 조밀한 구성 요소 배치를 가능하게 하며 소비자 가전 및 대용량 전자 제품에 대한 지배적인 기술입니다.

스루홀 기술(THT)

스루홀 부품(커넥터, 전해 커패시터, 변압기, 전력 장치)에는 드릴 구멍을 통해 리드가 삽입되고 웨이브 솔더링 또는 선택적 솔더링 기계를 통해 반대쪽에 납땜됩니다. THT 조인트는 SMT 패드보다 더 높은 기계적 인장 강도를 제공하므로 자동차, 산업 및 군사 응용 분야에서 기계적 응력이나 진동을 받는 부품에 선호됩니다.

혼합 기술 조립

대부분의 최신 전자 어셈블리는 동일한 보드에 SMT 및 THT 부품을 결합합니다. 프로세스 순서(SMT 우선 또는 THT 우선)는 부품 배치 밀도, 보드 방향 및 솔더 프로세스 호환성에 따라 달라집니다. 혼합 기술 보드에는 리플로우 및 웨이브 납땜 공정이 이전에 납땜한 구성 요소를 손상시키지 않도록 주의 깊은 열 프로파일링이 필요합니다.

PCB 제조 및 조립: 공급망 옵션 이해

용어 PCB 제조 및 조립 — 때로는 PCBA(인쇄 회로 기판 어셈블리)라고도 하며 단일 공급업체 또는 협력 공급망에서 베어 보드 제조와 부품 어셈블리를 모두 소싱하는 것을 의미합니다. 통합 소싱과 분할 소싱 간의 선택은 품질 관리, 리드 타임 및 비용에 중요한 영향을 미칩니다.

턴키 PCB 제조 및 조립 서비스는 다중 공급업체 조정에 따른 관리 부담을 줄여주며, 전용 공급망 리소스가 없는 스타트업 및 제품 팀에 특히 유용합니다. 그러나 구매자는 계약 전자 제품 제조에서 여전히 중요한 문제로 남아 있는 위조 부품 위험을 관리하기 위해 턴키 공급업체가 적합성 인증서 및 원산지 문서를 포함한 모든 부품에 대해 완전한 추적성을 유지하는지 확인해야 합니다.

PCB 사용 방법: 통합, 테스트 및 현장 고려 사항

제품 개발자 및 시스템 통합자는 다음 사항을 알고 있어야 합니다. PCB를 사용하는 방법 기본 전기 연결 이상으로 보드가 최종 애플리케이션의 사양에 맞게 작동하는지 여부를 올바르게 결정합니다. 성공적인 PCB 통합을 좌우하는 몇 가지 실질적인 요소는 다음과 같습니다.

취급 및 ESD 보호

베어 및 조립된 PCB는 정전기 방전(ESD)에 민감합니다. 취급 시에는 접지된 손목 스트랩, ESD 방지 작업 표면, 보관 및 운송을 위한 정전기 방지 포장 등 ANSI/ESD S20.20 프로토콜을 따라야 합니다. 단일 ESD 이벤트 500V 이상 MOSFET 게이트 산화물 또는 ESD에 민감한 IC에 잠재적인 손상을 일으킬 수 있으며 이는 즉각적인 오류로 나타나지는 않지만 장기적인 신뢰성을 저하시킬 수 있습니다.

장착 및 기계적 응력

진동이나 열 순환 시 보드가 휘어지는 것을 방지하려면 설계된 스탠드오프 구멍 패턴을 사용하여 PCB를 장착해야 합니다. 과도한 보드 굴곡(특히 대형 세라믹 커패시터가 보드 가장자리 근처에 배치된 어셈블리)은 간헐적인 개방 회로 또는 단락을 생성하는 부품 균열(MLCC 파손)을 유발할 수 있습니다. 진동이 많이 발생하는 응용 분야의 경우 컨포멀 코팅 및 포팅 컴파운드가 추가적인 기계적 보호 기능을 제공합니다.

열 관리

발열 부품(전력 조정기, 프로세서, RF 증폭기)은 실제 장착 환경에서 접합부와 주변 열 저항을 평가해야 합니다. 구리 주입, 열 비아(내부 구리 층이나 방열판에 열을 전달하기 위한 전원 패드 아래의 작은 비아 배열) 및 강제 공기 흐름은 일반적인 열 관리 기술입니다. 구성 요소 온도를 관리하지 못하면 MTBF가 단축되고 잘못 설계된 설계에서는 즉각적인 열 차단이 발생할 수 있습니다.

입고검사 및 기능테스트

PCBA를 최종 제품에 통합하기 전에 입고 검사에서는 보드 치수 및 구멍 등록, IPC-A-610 클래스 2 또는 3 기준에 따른 솔더 조인트 품질, 테스트 사양에 대한 기능 테스트 결과를 확인해야 합니다. 초기 생산 로트에 대한 초도품 검사(FAI)는 부적합 어셈블리가 대량 생산 또는 고객 배송에 도달하기 전에 프로세스 드리프트를 조기에 포착합니다.