45. PCB

PCB의 구조, 생산과정 및 설계
전자 장비의 핵심 부품으로서 PCB는 전자 부품을 설치하고 전기적으로 연결하는 기판으로, 회로 설계부터 제품 생산까지 전자 시스템의 성능과 신뢰성을 좌우하는 중요한 역할을 합니다. PCB는 단순한 기판이 아니라 다층 복합 구조와 정밀한 생산 공정을 거쳐 제작되며, 설계, 제조, 조립, 테스트의 각 단계에서 정밀한 관리가 필요합니다.

 

1. PCB의 구조
PCB는 주로 단층, 다층 PCB와 및 유연한 PCB(FPC)로 나뉩니다.

단 PCB
단층 PCB는 기판에 회로 패턴을 형성하는 것으로 주로 간단한 전자 제품이나 저비용 애플리케이션에 사용됩니다. 기본적인 전원 분배 및 신호 전달에 적합하지만 복잡한 회로 설계에는 한계가 있습니다.

다층 PCB
다층 PCB는 다층 기판을 접착하여 형성되며 내부에는 신호 층, 전원 층, 접지층 등이 포함됩니다.
신호 레이어는 고속 회로 또는 복잡한 회로 설계에 필수적인 디지털 및 아날로그 신호 전달 레이어입니다.
전원/접지층: 전원 분배 및 EMI(전자 간섭) 억제에 사용되며 층 간의 임피던스 매칭 및 노이즈 최소화에 도움이 됩니다.
다층 PCB는 고밀도 회로 설계에 적합하며 소형화와 고속 데이터를 요구하는 현대 전자 제품에 널리 사용됩니다.

플렉시블 PCB(FPC)
플렉시블 PCB는 플라스틱 기판을 사용해 구부릴 수 있는 PCB로 휴대용 기기나 웨어러블 기기, 자동차 전자기기 등 다양한 분야에 쓰입니다. 유연한 PCB는 기계적 충격이나 진동에 강하고 공간 활용도가 높아 복잡한 전자 제품 설계에 유리합니다.

 

2. PCB 생산과정
PCB의 생산 과정은 설계 단계부터 최종 제품 조립까지 여러 단계를 거쳤습니다. 주요 생산 공정은 다음과 같습니다.
설계 데이터 준비 및 파일 생성
회로도와 PCB Artwork이 완료되면 Gerber 파일과 같은 생산용 데이터가 생성됩니다. 파일에는 각 층의 패턴, 드릴링 파일, 땜납 마스크, 솔더 레지스트 정보 등이 포함되어 있으며, 제조사에 기판 제조를 위해 전달됩니다.
기판 제작
기판 재료 선택: FR-4 및 기타 절연 및 내열성이 좋은 재료를 사용합니다.
회로 패턴 인쇄: 생성된 Gerber 파일에 따라 기판에 회로 패턴을 인쇄하고 화학 식각 공정을 통해 불필요한 구리 도금을 제거합니다.
전기 도금 및 표면 처리: 회로 패턴이 형성된 후 전기 도금 및 표면 처리(ENIG, HASL 등)를 수행하여 솔더 환경을 개선하고 부식을 방지합니다.
내층 및 다층 PCB 제작
다층 PCB의 경우, 복수의 기판을 적층하고 접착제를 이용하여 고정한 후, 내층을 절단하여 식각하는 추가 공정을 진행합니다. 각 층의 도킹은 매우 정확해야 하며 신호 간섭을 줄이고 전원 분배를 최적화해야 합니다.
SMT 조립 및 부품 설치
완성된 PCB에 전자부품을 장착하는 SMT(Surface Mount Technology)를 진행하고 있습니다. 자동화 장비를 사용하여 SMD 부품이 PCB 표면에 정확하게 부착되고 리플로우 솔더링 과정을 통해 부품이 기판에 단단히 결합됩니다. 이 단계에서는 부품의 위치, 솔더링 품질, 접촉 상태 등을 엄격하게 검사합니다.

 

3. PCB 디자인 
(1) 부품 배치 및 기계적 고려 사항
PCB 디자인의 첫 번째 단계는 부품의 배치입니다. 부품의 배열은 전체 플레이트의 크기, 기계적 제약 조건, 방열성 및 조립성을 기반으로 결정됩니다.
부품 위치 설정
입력 신호와 전원은 일반적으로 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 보드 주변에 배치됩니다.
신호 간섭과 전압 강하를 최소화하기 위해 중요한 회로 블록이 인접하게 배치됩니다.
조립 및 유지 보수를 용이하게 하고 유지 보수가 어려운 영역을 피하고 주요 구성 요소를 만질 수 있는 위치에 배치합니다.
제품 크기 및 재료 높이 고려
부품 높이와 배치 간격은 최종 제품의 크기 제한 및 두께 제한을 고려하여 최적화되어야 합니다.
기관 설계 팀과의 협력을 통해 하우징 내부 공간, 커넥터 위치, 방열 경로 등을 반영하는 레이아웃을 결정합니다.

 

(2) 전원과 신호 라우팅
전원 및 신호 라우팅은 PCB 일러스트에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 안정적인 전원 공급과 신호 무결성을 보장하기 위해 다음 사항을 고려해야 합니다.
전원 라우팅
전원 신호는 보드 전체에 고르게 분포되어야 하며 소음을 최소화하기 위해 직렬 및 병렬 경로를 적절하게 사용해야 합니다.
전원 라인의 라인 설계는 짧고 굵어야 하며 감압 및 발열을 줄이고 중요한 구성 요소의 안정적인 전원 공급을 보장해야 합니다.
전원 라우팅 시 LDO, DC-DC 컨버터 등 전원 관리 IC의 위치와 연결도 주의 깊게 고려해야 합니다.
신호 라우팅
고속 신호의 경우 임피던스 매칭, 차폐 및 접지 기술을 적용하여 노이즈 및 신호 왜곡을 최소화합니다.
신호 경로는 상호 간섭을 피하기 위해 충분한 간격을 유지해야 하며 신호 경로는 가능한 한 일직선으로 배치하는 것이 좋습니다.
중요한 신호 라인 또는 데이터 버스는 EMI/EMC 문제를 피하기 위해 접지 층에 가깝습니다.

 

(3) IC 바이패스 커버와 부품 간의 근접 배치
안정적인 작동을 위해 각 IC에 바이패스 커패시터를 배치해야 합니다.
IC 바이패스 커버는 전원 공급 시 발생할 수 있는 고주파 노이즈를 제거하고 전압 변동을 안정화시키는 효과가 있습니다. 바이패스 커버는 가능한 한 해당 IC의 전원 핀과 GND 핀에 가까워야 한다.
부품 간 근접 배치: 관련 기능을 수행하는 부품을 근접 배치하여 신호 전송 및 전력 분배 효율성을 높입니다. 예를 들어, 오디오 신호 처리 회로 또는 디지털 신호 처리 회로는 노이즈와 지연을 줄이기 위해 신호 경로의 길이를 최소화합니다.

(4) PCB Artwork 최적화
PCB Artwork 전시는 단순히 부품을 배치하는 것이 아니라 전체 시스템 성능을 좌우하는 중요한 설계 단계입니다.

 

 

4. 결론

 

전자 회로 설계자와 엔지니어는 최신 기술과 공정 관리 기법을 적용하여, 각 단계마다 철저한 검증과 협업을 통해 안정적이고 신뢰성 높은 전자 제품을 개발해야 합니다. 이러한 체계적인 접근은 제품 개발 기간 단축, 비용 절감, 그리고 시장 경쟁력 향