1 개요
기판의 일종인 인쇄회로기판.
구리 배선이 가늘게 인쇄된 판으로, 반도체·컨덴서·저항 등 각종 부품을 끼울 수 있도록 되어 있어 부품 상호간을 연결시키는 구실을 하는 판. PCB는 전기 배선을 효율적으로 설계할 수 있도록 함으로써 전자기기 크기를 줄이고 성능을 높이는 역할을 한다.
2 형태
Rigid (고형화 되어 휘면 안되는) / Flexible (유연하게 휘는) / 위의 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.
당연히 층 수가 많아질수록 가격은 배로 뛰어오른다. 현재 컴퓨터 메인보드에 사용하는 기판은 대다수가 6층 기판. 그래픽카드 등에는 8층이나 10층이 대세이다. 상업용으로 쓰는 네트워크 장비에는 수십층짜리 PCB 기판이 쓰인다. 다만 구조가 비교적 간단한 라디오 수신기나 어댑터 내부 부속 등은 단면이나 양면과 같은 단층 기판이 많이 쓰인다.
기판 자체는 절연체이기만 하면 뭐든지 사용할 수 있어서 유리(자동차 뒷유리 열선)나 비닐(키보드 접점)에 인쇄한 것도 있지만
보통은 유리섬유 fiber glass 와 에폭시 플라스틱 결합의 수지(Prepreg, P.P)를 다층으로 겹쳐서 기판을 구성한다.
회로를 구성하는 선재는 도체라면 뭐든지 사용할 수 있지만 거의 대다수가 구리를 사용한다. 여러모로 적절하기 때문인데 간혹 알루미늄을 선재로 사용하는 기판도 있다. 열악한 환경에서 동작해야 하는 기판에는 금을 사용하기도 한다. 은도 전기적 특성이 우수하므로 선재로 쓰이지 않을 이유가 없다. 또, 선재 뿐만 아니라 마지막에 패턴 MASK를 도금할 때에는 FLUX와 납을 도포한 HASL도금, 니켈과 금을 올리는 Au도금, 니켈과 은을 올리는 Ag도금, 동박 표면에 알킬벤즈이미다졸이나 디-페닐이미다졸과 같은 물질만 도포하는 OSP(Organic Solderability Preservative), 잘 쓰지는 않지만니켈과 주석을 올리는 TIN도금 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 가격크리가 장난이 아니라 아직 광섬유를 PCB화한 물건은 찾아볼 수 없다.
3 특징
인쇄회로기판은 튼튼하고 저렴하며 높은 신뢰성을 지닐 수 있다. 많은 배치노력이 필요하고 전선 연결이나 접점간 구성보다 초기비용이 비싸지만, 대량생산시 훨씬 저렴하고 빠르며 높은 생산성을 유지한다. 덤으로 좁은 공간에 상대적으로 많은 부품을 배치할 수 있다. 그래서 작은 장난감에서부터 컴퓨터, 휴대폰, 인공위성 등에 이르기까지, 스위치+전구 혹은 모터 정도의 간단한 장치가 아니라면 거의 모든 전자기기에 사용된다.
단 앞서 설명한 대로 배선이 가늘기 때문에 큰 전력을 전달하는 데에는 적절하지 못하며 노이즈나 레이턴시(=회로 길이) 혹은 임피던스(=회로 저항값)에 민감한 회로를 구성할 때에도 직접 전선을 연결하는 것보다 별로 나은 점이 없을 때도 있다. 보통 레이턴시에 민감한 회로는 선로를 구불구불 뱀처럼 꼬아서 만들어서 길이를 맞춰준다.[1] 이런 패턴은 컴퓨터 메인보드에서도 USB나 PCI 등의 커넥터 주변에서 쉽게 찾을 수 있다.
또한 고전류가 필요한 부분에는 구리 덩어리로 만든 브리지 등으로 연결하는 경우도 많다. 주로 RC쪽 모터 드라이버.. 가끔 100A도 땡겨준다.
그리고, PCB는 기본적으로 수리가 힘들다. 앞서 언급했듯이 구리 배선의 폭과 두께가 매우 가늘어서 단선시 연결하기 힘든데다가, 외부로 노출되지 않은 배선이 단선되면 그냥 손을 놓아야 한다. 다만 이렇게 부러진 PCB를 장인정신으로 고치는 경우도 간혹 있다(...) 여기에 더해서 과전압이나 부품의 접촉 불량등으로 PCB의 일부가 탄 경우에는 수리를 위한 조사 자체가 매우 힘들어진다. 물론 수리하려고 작정하면 아예 불가능한 것은 아니지만, 비용과 시간이 많이 소모되고 숙련된 인원과 장비가 필요한데다가 수리품의 품질도 원래 상태보다는 약간 떨어질 수 밖에 없다. 그래서 뭔가 문제가 발생하기 시작하면 통짜로 교환하는 편이 편리하다.
4 제작
간단한 회로의 경우 개인이 제작하거나 만드는건 그리 어렵지는 않다. 회로를 설계하는 데 걸리는 시간을 뺀다면, 아래의 정석적인 방법을 사용하더라도 한 시간 이내에 만드는 것도 가능하다. 기본적으로는 플라스틱 수지에 동판이 붙어 있는 상태에서 남길 패턴만 코팅한 뒤, 염화제2철용액을 이용해 노출된 구리 부분이 녹아 나오는 것이 원리이다.
정석적인 방법은 다음과 같다.
- 동판에 수세미질을 하거나 에탄올을 통해 구리의 피막을 벗겨낸다.(정면, Scrubbing)
- 동판 위에 감광액을 바른다.(라미네이션, Lamination)
- 투명한 비닐에 기판을 인쇄하고, 감광액 위에 덮은 뒤, 자외선을 쪼여 준다.(노광, Exposing)
- 이 때, 감광액이 자외선에 노출된 부분만 경화되어 코팅이 남는다.
- 감광액을 씻어낸 뒤, 염화제2철 용액에 담궈둔다.(에칭, Etching)
- 용액을 따뜻하게 유지하고 스펀지로 문질러 주면 더 빠르게 끝낼 수 있다. 주의할 점은, 이 때 너무 오래 담궈 두면 녹지 말아야 할 곳까지 녹아 버리는 수가 있다는 것. 염화제2철 용액은 피부에 닿지 않도록 해야 한다.
- 필요없는 부분의 동판이 모두 녹아 없어졌으면, PCB를 꺼내어 헹궈낸 뒤 에탄올이나 신나 등으로 코팅을 벗겨낸다.(박리, Strip)
여기까지 하면 PCB가 완성된다. 다른 방법으로, 전사지에 레이저 프린팅을 하여 열을 통해 동판으로 바로 옮긴다든지, 코팅 대신 매직을 칠한 뒤 3D 프린터를 활용해 긁어낸다든지, CNC로 가공한다던지 하는 방법도 인터넷으로 찾을 수 있다.
업체에 주문을 할 경우, 여러 층으로 제작하거나, 쇼트를 방지하면서 필요한 곳에만 납이 묻을 수 있도록 잉크 등으로 PSR코팅을 하거나, 흰색으로 프린팅을 하는 실크 스크린을 추가하는 등의 옵션을 추가할 수 있다.
- ↑ 50~60년대에는 아직 소자의 동작속도가 느려서 손으로 대충대충 그려도 이상 없이 작동했지만, 동작 속도가 슬슬 MHz 단위로 넘어가는 60년대 후반만 되어도 벌써 배선 길이를 정확히 맞추고 배선을 촘촘하게 배열하는 현대적인 PCB 설계 방법론이 등장하기 시작한다.