스마트폰, TV, 자동차, 냉장고를 열어보면 공통으로 들어 있는 부품이 있습니다. 초록색 판에 금속 선이 가득 그려진 PCB입니다. 이 판이 어떻게 만들어지는지 알면 전자제품이 훨씬 가깝게 느껴집니다. 이번 글에서는 PCB 제작 공정을 어려운 용어 없이 순서대로 설명드리겠습니다.
PCB란 무엇인가요?
PCB는 Printed Circuit Board의 줄임말로, 우리말로는 인쇄회로기판입니다. 전자 부품을 올려놓고 부품끼리 전기가 흐르도록 길을 만들어 주는 판입니다.
쉽게 비유하면 도시의 도로 지도와 같습니다.
– 기판은 도시의 땅입니다.
– 구리 선은 도로입니다.
– 칩과 저항, 콘덴서 같은 부품은 건물입니다.
도로가 잘 깔려 있어야 건물끼리 오갈 수 있듯이, 구리 선이 정확하게 만들어져야 전자제품이 제대로 작동합니다.
PCB 제작 공정 한눈에 보기
PCB 제작은 크게 아래 순서로 진행됩니다.
1. 설계 및 데이터 준비
2. 원판 재단
3. 내층 회로 형성
4. 적층(층 쌓기)
5. 드릴 가공
6. 도금
7. 외층 회로 형성
8. 솔더마스크 및 인쇄
9. 표면처리
10. 외형 가공
11. 전기 검사 및 최종 검사
하나씩 살펴보겠습니다.
1단계. 설계 및 데이터 준비
공장에서 만들기 전에 먼저 설계도가 필요합니다. 설계자는 전용 프로그램으로 회로 배치를 그리고, 이를 거버(Gerber) 파일이라는 제작용 파일로 변환합니다.
건물을 짓기 전에 건축 도면을 그리는 것과 같습니다. 도면이 잘못되면 아무리 좋은 공장에서도 제대로 된 제품이 나오지 않습니다.
공장에서는 이 도면에 오류가 없는지 먼저 확인합니다. 선 간격이 너무 좁지는 않은지, 구멍 위치가 맞는지 점검하는 단계입니다.
2단계. 원판 재단
PCB의 재료는 CCL(동박적층판)입니다. 얇은 절연판 양쪽에 구리 막이 붙어 있는 판입니다.
– 가운데 절연판은 주로 유리섬유에 에폭시 수지를 입힌 소재입니다.
– 양쪽 구리 막은 머리카락보다 훨씬 얇습니다.
큰 원판을 제품 크기에 맞춰 자르는 단계입니다. 큰 피자 한 판을 먹기 좋은 크기로 나누는 것과 비슷합니다.
3단계. 내층 회로 형성
이 단계가 PCB 제작의 핵심입니다. 구리 막 위에 회로 모양만 남기고 나머지는 녹여 없앱니다.
3-1. 드라이필름 부착
구리 위에 빛에 반응하는 필름을 붙입니다.
3-2. 노광
회로 모양이 그려진 필름을 올리고 자외선을 쪼입니다. 빛을 받은 부분은 단단하게 굳습니다.
사진을 인화할 때 필름에 빛을 비춰 상을 만드는 원리와 같습니다. 또는 스텐실로 티셔츠에 그림을 찍는 방식과 비슷합니다.
3-3. 현상
굳지 않은 부분을 씻어냅니다. 이제 회로 모양 부분만 필름이 남아 구리를 보호하고 있습니다.
3-4. 에칭
약품으로 보호받지 못하는 구리를 녹입니다. 회로 모양의 구리만 남습니다.
3-5. 박리
남아 있던 필름을 벗겨내면 구리 회로가 드러납니다.
조각가가 돌덩이에서 필요 없는 부분을 깎아내 조각상만 남기는 것과 같은 방식입니다.
4단계. 내층 검사와 적층
회로가 만들어지면 AOI라는 자동 광학 검사 장비가 사진을 찍어 끊어진 선이나 붙은 선이 없는지 확인합니다.
검사를 통과하면 층을 쌓습니다. 회로가 있는 얇은 판들 사이에 프리프레그라는 접착용 절연 시트를 끼우고 높은 열과 압력으로 눌러 하나로 붙입니다.
샌드위치를 떠올리시면 쉽습니다.
– 빵은 회로가 있는 판입니다.
– 치즈는 접착 절연 시트입니다.
– 눌러서 하나로 만드는 과정이 프레스입니다.
스마트폰 PCB는 이렇게 8층 이상 쌓기도 합니다. 층이 많을수록 좁은 공간에 더 많은 회로를 넣을 수 있습니다.
5단계. 드릴 가공
여러 층이 쌓이면 위아래 층을 연결할 구멍이 필요합니다. 아주 작은 드릴로 구멍을 뚫습니다. 이 구멍을 비아(Via)라고 부릅니다.
아파트에 비유하면 비아는 엘리베이터와 같습니다. 1층, 2층, 3층을 이어 주는 통로입니다.
구멍 지름이 머리카락 굵기 수준인 경우도 많아서 정밀한 장비가 필요합니다. 최근에는 레이저로 뚫기도 합니다.
6단계. 도금
드릴로 뚫은 구멍 안쪽은 절연 소재라서 전기가 통하지 않습니다. 그래서 구멍 벽면에 구리를 입혀 길을 만들어야 합니다.
– 먼저 얇게 구리를 입히는 무전해 도금을 합니다.
– 그다음 전기를 이용해 두껍게 입히는 전해 도금을 합니다.
빈 터널 안쪽 벽에 금속 페인트를 칠해 전기가 흐르는 길을 만드는 과정이라고 생각하시면 됩니다.
7단계. 외층 회로 형성
가장 바깥쪽 면에도 내층과 같은 방식으로 회로를 만듭니다. 드라이필름, 노광, 현상, 에칭 순서로 진행됩니다. 이 단계가 끝나면 PCB의 전체 회로가 완성됩니다.
8단계. 솔더마스크와 문자 인쇄
PCB가 초록색인 이유가 바로 이 단계에 있습니다. 솔더마스크라는 보호 잉크를 기판 전체에 바릅니다.
솔더마스크의 역할은 두 가지입니다.
– 구리 회로를 보호하고 산화를 막습니다.
– 납땜할 때 엉뚱한 곳에 땜납이 붙지 않게 막습니다.
부품을 붙일 자리(패드)만 잉크가 덮이지 않게 열어 둡니다. 마지막으로 부품 이름이나 위치를 흰색 글씨로 인쇄합니다. 이 글씨를 실크 인쇄라고 합니다.
참고로 초록색이 가장 흔한 이유는 검사하기 편하고 오래전부터 표준처럼 쓰여 왔기 때문입니다. 요즘은 검정, 파랑, 빨강, 흰색 PCB도 많이 만듭니다.
9단계. 표면처리
부품을 붙일 구리 패드는 공기 중에 두면 산화되어 녹이 슬 수 있습니다. 그래서 표면에 보호막을 입힙니다.
대표적인 방식은 세 가지입니다.
– HASL: 땜납을 입히는 방식입니다. 가격이 저렴합니다.
– ENIG: 니켈 위에 금을 얇게 입히는 방식입니다. 표면이 평평하고 품질이 좋아 고급 제품에 많이 씁니다.
– OSP: 유기 보호막을 입히는 방식입니다. 비용이 적게 듭니다.
과일에 랩을 씌워 신선하게 보관하는 것과 비슷한 개념입니다.
10단계. 외형 가공
큰 판 하나에는 같은 PCB가 여러 개 들어 있습니다. 이를 제품 크기에 맞게 잘라냅니다. 라우터라는 장비로 모양대로 깎거나, V자 홈을 내서 나중에 쉽게 떼어낼 수 있게 만듭니다.
쿠키 반죽을 틀로 찍어내 한 개씩 분리하는 과정과 같습니다.
11단계. 전기 검사와 최종 검사
마지막 관문입니다. 전기 검사(E-test)는 회로가 정확히 연결되었는지, 연결되면 안 되는 곳이 붙어 있지는 않는지 확인합니다. 작은 탐침을 판에 대고 전기를 흘려보는 방식입니다.
그 뒤 사람이 눈으로, 또는 장비로 외관을 확인하고 합격한 제품만 포장하여 출하합니다.
학교 시험으로 치면 모든 문제를 풀고 마지막에 한 번 더 검토하는 단계입니다.
PCB 종류에 따라 달라지는 공정
모든 PCB가 같은 방식으로 만들어지는 것은 아닙니다.
– 단면 PCB: 한쪽 면에만 회로가 있습니다. 리모컨, 계산기처럼 단순한 제품에 쓰입니다.
– 양면 PCB: 앞뒤 모두 회로가 있고 구멍으로 연결됩니다.
– 다층 PCB: 여러 층이 쌓여 있습니다. 스마트폰, 서버, 자동차 전장 부품에 쓰입니다.
– 연성 PCB(FPCB): 종이처럼 구부러지는 기판입니다. 접히는 스마트폰, 카메라 모듈에 쓰입니다.
층이 많고 선이 가늘수록 공정이 복잡해지고 가격도 올라갑니다.
자주 묻는 질문(FAQ)
Q1. PCB 제작에 시간이 얼마나 걸리나요?
단순한 기판은 며칠이면 만들어지기도 합니다. 층수가 많은 고급 기판은 몇 주가 걸리기도 합니다. 공장과 사양에 따라 달라집니다.
Q2. PCB 가격은 무엇에 따라 달라지나요?
층수, 크기, 선 굵기, 구멍 개수, 표면처리 방식, 주문 수량이 가격을 좌우합니다. 같은 크기라도 층이 늘어나면 가격이 크게 올라갑니다.
Q3. PCB가 불량 나는 이유는 무엇인가요?
회로가 끊어지거나 붙는 문제, 도금 불량, 층 사이가 떨어지는 문제가 대표적입니다. 그래서 공정마다 검사를 반복합니다.
Q4. 처음 주문할 때 가장 중요한 것은 무엇인가요?
정확한 설계 파일입니다. 제작 업체의 설계 규칙(최소 선폭, 최소 간격, 최소 구멍 크기)을 먼저 확인하고 설계하시면 실수를 줄일 수 있습니다.
본 포스팅은 개인적인 학습과 정보 공유를 목적으로 신뢰할 만한 공개 자료를 참고하여 작성되었습니다.
