1. 개요
印刷回路基板(인쇄회로기판)PCB는 도체와 절연체가 기판 형태의 적층된 구조로 되어 있고 반도체· 캐패시터· 저항 등 각종 부품을 장착 할수 있으며 부품간의 전기적인 연결을 하는 역할을 한다. PCB는 전기 선로를 효율적으로 설계할 수 있도록 함으로써 전자기기 크기를 줄이고 성능 및 생산성을 높이며 서킷 디자인의 최종 구현을 위해 필수불가결한 커스텀 전자 부품이다.
여기에 각종 필요한 전자 부품들이 장착된 형태를 PBA(Printed Board Assembly, 인쇄회로조립체)라고 부른다.
인쇄 회로 기판이라고 명시하는 이유는 기판에 회로가 인쇄되어 있지 않은 회로 기판도 있기 때문이다. 이런 회로 기판은 오늘날엔 전자공학자 외에는 거의 쓰지 않지만 20세기 중후반엔 학생들을 비롯해 많은 이들이 취미 활동으로 이런 회로 기판을 이용해 라디오, 각종 센서 등을 제작하곤 했다. 학생들이 널리 사용하던 회로 기판은 브레드보드(breadboard)라 부르며 납땜 없이 회로 제작이 가능하고 재활용이 가능해 경제적이었다. 전자공학자들이 회로 설계에 사용하는 스트립보드(stripboard)나 퍼프보드(perfboard)는 납땜이 필요하지만 회로 밀도를 브레드보드보다 높게 사용할 수 있다는 장점이 있었다.
2. 형태
Rigid (경직성) / Flexible (유연성) / 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 겹쳐져 있으면 1층의 트레이스를 2층으로 이동시켜 1층의 다른 트레이스로 점프해서 피해갈 수 있게 된다.
당연히 층수가 많아질수록 그만큼 복잡한 회로를 작은 공간에 구현할 수 있게 되지만 가격은 상승한다. 현재 컴퓨터 메인보드에 사용하는 기판은 대다수가 6층 기판. 그래픽카드 등에는 8층이나 10층이 대세이다. 상업용으로 쓰는 네트워크 장비에는 수십층짜리 PCB 기판이 쓰인다. 칩간의 통신에 시리얼 방식이 많이 사용되면서 양면으로 충분한 경우도 많다.
표면 컬러가 녹색인지에 대한 의견 영상 #. PCB생산 공정중에서 마지막단계인 QC공정에 사람이 직접 육안으로 검사시 눈의 피로도가 덜한 초록색이 좋다는 의견도 있다. 자동화 기계가 대신 하기 때문에 다른 색의 솔더 마스크 컬러의 PCB가 많다.
3. 재질
도체를 제외한 기판이 절연체이고 유리섬유(Fiber glass)와 에폭시 플라스틱 결합의 수지(Prepreg, PP)를 다층으로 겹쳐서 기판을 구성한다. LED 조명 등 열 방출이 원활해야 하는 회로에서는 알루미늄에 절연 코팅을 입히고 그 위에 동박을 씌운 알루미늄 PCB를 사용하며, 열 방출이 더욱 원활해야 하는 경우 알루미늄 대신 구리를 사용한다. RF 회로 등 일부 특수목적 회로에서는 세라믹 PCB를 사용하기도 한다.유리섬유 강화 에폭시( FR-4) 외의 소재로는 페놀( 베이클라이트)과 CEM 기판이 있다. 페놀 기판은 저비용 기기나 실습용/프로토타입용 기판에 사용되고 있다. 단점으로는 절연성, 내구성, 내열성에 취약하다. 그리고 2층 기판 이하에서만 사용된다. 흔치 않지만 테플론 소재의 기판도 있다.
유연성(Flexible) 기판에는 단단한 에폭시 대신 폴리이미드 등의 소재가 사용된다. 플렉서블 기판은 유연성이 필요한 공간 영역에서 많이 사용되고 있다. 완전히 유연하지 않은 Rigid-Flexible 기판에는 얇은 에폭시 소재가 사용된다.
선로를 구성하는 도체는 동판 표면 재질 그대로 카퍼가 기본이다. 그 위에 다른 금속 물질로 도금을 한다. 솔더를 도포한 HASL 도금, 니켈/금(Au) 도금, 니켈/은(Ag) 도금, 동박 표면에 알킬벤즈이미다졸이나 디-페닐이미다졸과 같은 물질만 도포하는 OSP(Organic Solderability Preservative), 니켈/주석의 Tin 도금 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 빛을 통과시키는 선재도 연구되고 있으나 아직 광섬유를 PCB화한 물건은 찾아볼 수 없다.
4. 특징
인쇄회로 기판은 견고성, 저비용, 양산성 등이 특징이다. 설계나 레이아웃에 리드 타임과 초기 비용이 있지만 대량 생산시 단가를 극단적으로 낮추며 높은 생산성을 유지 가능하다. 컴퓨터, 휴대폰에서 시작하여 인공위성에 이르기까지 모든 전자 장비에 사용되고 있는 필수 부품이다. 소형 저전류 모터는 스테이터 코어들의 선로를 간편하게 하기 위해서, 일부 충전기의 변압기는 크기를 줄이기 위해 PCB를 사용하기도 한다. 회로 구성보다는 도선의 역할에 중점을 둔 것이다. 일부 회로에서는 인덕터(코일), 안테나, 열선, 스위치 접점, SMD 부품의 방열판을 PCB로 구현하기도 한다.큰 전력을 전송하거나 노이즈나 레이턴시(=선로 길이) 혹은 임피던스(=교류 저항값)에 민감한 회로를 구성할 때에는 포인트 포인트 형태로 직접 연결해야 하는 경우도 있다. 고전류가 필요할 경우 다층 PCB로 파워플레인화, 선로 폭을 확장, 트레이스 틴닝, 부스바, 절연 전선이나 에나멜선 추가연결 방법 등이 있다. 트레이스 틴닝이 양산시 가장 저렴한 방법이다. #. 고전압이 필요한 부분에는 배선 간격을 넓히거나 슬롯 형태를 추가 하여 Air Gap / Creepage를 주어야 한다. 디퍼렌셜 페어 고주파 선로들은 트레이스를 곡류(Meander) 형태로 주어 Skew 보정이나 선로 길이 매칭을 해준다. 9khz 이상의 선로 경우 EMI/EMC에 대처한 PCB 설계 방법론이 필수 적이다. EMI/EMC 전자파 인증도 필요하다.
5. 설계
ECAD를 이용해서 디자인 한다. 회로도 설계 프로그램으로 서킷 디자인 및 드로잉 한후, 레이아웃 프로그램으로 넘겨 부품 배치 및 레이아웃을 하고 Trace를 연결한다. 트레이스 선로를 자동으로 연결해주는 풀/세미 오토 라우터를 사용하는 경우도 많다. 최종적으로 DRC(Design Rule Check)를 한후 거버 파일 및 드릴 NC 코드를 출력하여 주문하면 된다. 자동 Assy시 BOM과 Pick&Place 파일을 추가로 출력하여 주문하면 된다.6. DIY 동판 박리 제작법
7. PCB 외주 어셈블리 제작
스텐실을 사용한 솔더 페이스트 프린팅, SMD 및 Through홀 부품 마운트, Reflow 또는 Waveflow 솔더링, 검사로 진행된다. Through홀 부품 마운트 및 Waveflow는 추가 공정이 들어 가기 때문에 SMT 부품사용 및 Reflow로만 진행하는 경우도 있다..
8. 제작 업체
업체에 주문을 할 경우 다층 PCB, 플렉서블 PCB, 알루미늄 PCB, PSR등의 코팅, 실크스크린, 표면처리 등등 다양한 옵션을 선정하여 주문이 가능하다. 샘플 PCB와 양산 PCB로 주문이 나누어지는 경우도 있고 구분이 없는 업체도 많다.8.1. 양산 PCB
양산 PCB의 경우 1m x 1m 원판이 사용된다. PCB 기판만 제작하는 업체, SMD/TH등 어셈블리만 가능한 업체, 또는 둘다 가능한 업체가 있다.하이스피드 디지털 및 RF 회로 등에서는 유전율과 임피던스 콘트롤까지 필요하다.
국내에서 온라인 주문으로 샘플 및 양산 업체로 유명한 곳은 한샘디지텍 등등이 있다. 그외 업체 경우 컨트랙 주문을 받는 경우가 대부분이다. 주로 중규모 이상 로트의 수주 업체라고 보면된다 링크.
8.2. 샘플 PCB
1990년대 이후 PCB 자동화 기계 및 로-코스트화로 인해 샘플 및 양산 업체가 활성화 되어 주문이 이지해졌다. 국내 일부 업체 경우 중국 PCB 대행을 하는 형태를 취하고 있는 경우가 있다.2010년 중반 이후 인터넷 온라인 수주를 받는 업체가 중국에서 부상하고 있다. 특수 사양의 PCB등 국내에서 샘플 단위로 주문하기가 어려운 경우 중국 온라인 업체를 이용하면 된다. 구글에서 china pcb 등으로 검색해보면 다수의 업체가 온라인 주문을 받고 있다.