모든 설계 작업에는 많은 규칙과 선택 사항이 있습니다. 구성 요소 배치, 라우팅 관행, 스택업 관리, 신호 및 전력 무결성 등을 고려해야 합니다. 수천 명의 엔지니어가 이러한 프로세스를 원활하게 진행하기 위해 노력한다고 할 수 있습니다.
시작하기 좋은 곳은 재료 선택 가이드입니다. 일반적인 PCB에는 하나 이상의 구리 층이 있습니다. 이러한 구리 층은 얇은 비전도성 기판 층 사이에 적층되어 있습니다. PCB는 전기 부품, 전도성 트레이스, 패드 및 기타 기능적 특징을 보유하는 물리적 기반입니다. 이 글에서는 실크스크린, 솔더마스크, 구리, 기판 등 각 PCB 층의 재료와 설계 포인트를 살펴보겠습니다.
PCB 재료 선택
PCB 재료를 다루는 엔지니어라면 누구나 공정에서 열, 기계, 전기, 화학적 특성을 고려하게 됩니다.
열 성능의 경우, 전체 설계에서 부품이 얼마나 뜨거워질 수 있는지와 최고 작동 온도를 고려해야 합니다. 기계적 특징에는 인클로저와 폼 팩터, 특히 리지드 플렉스 보드의 경우 밀도 또는 유연성이 포함됩니다.
전기적 특성은 임피던스, 신호 무결성, 저항과 같은 유전체 요구 사항과 관련이 있습니다. 설계 엔지니어는 전체 보드 또는 시스템에서 이러한 특성의 균형을 맞춰야 합니다. 제품 수명을 위해서는 습기가 많은 환경(예: 농업용 IoT 센서)에서는 수분 흡수와 같은 화학적 특성이 필요합니다. 가연성 또한 중요합니다. 또한 환경 및 지속 가능성 제한은 PCB 소재 선택에 영향을 미칩니다.
확인해야 할 주요 사항
- 열: 부품 온도 제한 및 보드 핫스팟.
- 기계적: 모양, 크기, 밀도, 유연성.
- 전기: 유전 상수(Dk), 탄젠트 손실, 임피던스 제어 및 저항.
- 화학 물질: 수분 흡수, 할로겐 함량, 인화성.
- 환경: RoHS 및 기타 규정, 재활용 가능성.
실크스크린
실크스크린은 보드에 로고, 문자, 기호, 숫자 및 기타 정보를 인쇄하는 레이어입니다. 이름은 스크린 인쇄 방법에서 유래했습니다. 실크스크린의 주요 역할은 PCB 조립 및 ID에 대한 정보를 제공하는 것입니다. 극성, 부품 위치 및 기타 세부 사항은 올바른 조립을 위해 필수적입니다.
가장 일반적인 실크스크린 인쇄 기법은 두 가지입니다:
- 액체 사진 이미징(LPI)UV 경화 잉크를 사용하는 시간이 오래 걸리는 고해상도 인쇄물입니다.
- 직접 범례 인쇄(DLP)아크릴 잉크를 사용하는 더 빠르고 간단한 잉크젯 인쇄.
참조 마크부터 UL 인증 번호 적용까지, 인쇄물 색상과 대비되는 잉크를 사용하는 것이 일반적인 규칙입니다. 흰색이 가장 일반적인 색상이지만 다른 많은 색상을 사용할 수 있습니다. 동일한 보드에 두 가지 이상의 실크스크린 색상을 사용하는 경우는 드뭅니다.
솔더마스크
솔더마스크는 구리 호일 위의 폴리머 층으로, 다른 색상도 가능하지만 PCB를 상징적인 녹색으로 보이게 하는 역할을 합니다. 이름에서 알 수 있듯이 솔더마스크는 땜납이 이동해서는 안 되는 곳으로 이동하는 것을 방지합니다. 솔더마스크는 납땜이 환형 링이나 SMD 패드와 같은 노출된 피처 등 제조업체가 원하는 곳에 떨어지도록 합니다. 또한 솔더마스크는 전도성 구리 흔적을 분리하여 땜납, 금속 또는 기타 전도성 부품에 닿지 않도록 하고 산화를 방지합니다.
솔더마스크 재료는 구리 층에 적용하는 방법에 따라 선택됩니다:
- 에폭시 액체가장 저렴한 솔더마스크. 스크린 인쇄로 도포한 열경화성 에폭시입니다.
- 액체 포토이미징 솔더마스크(LPSM)모양이 고르지 않은 기판의 경우 UV 경화 잉크 포뮬러를 사용하여 코팅한 후 노출 및 현상합니다. LPSM은 완벽하게 균일한 레이어를 제공하지는 않지만 복잡한 표면 특징을 더 잘 커버하고 구리 흔적 근처의 좁은 공간까지 도달할 수 있습니다.
- 건식 필름 포토이미징 솔더마스크(DPSM)지형이 균일한 평평한 보드의 경우 건식 필름을 진공 라미네이팅한 후 노출 및 현상합니다. 드라이 필름은 균일한 두께를 제공하지만 평평한 보드에만 사용할 수 있습니다.
구리 클래드 라미네이트(CCL)
솔더마스크 아래에는 구리 클래드 라미네이트(CCL)가 있습니다. CCL은 두 부분으로 구성됩니다:
- 구리 호일전도성 구리의 얇은 층. 일반적인 제조 유형으로는 STD(E형, 전착), ANN(E형, 어닐링 전착), AR(W형, 압연) 등이 있습니다.
- 기판기계적 강도와 지지력을 제공하는 비전도성 층입니다. 기판은 일반적으로 유리 섬유 강화 에폭시 라미네이트인 fr4와 난연성 에폭시 바인더로 만들어집니다. “fr”은 난연성을 나타내며 성능, 가연성 및 사용된 보강재의 유형에 따라 여러 가지로 분류됩니다.
사람들이 양면 또는 양면 보드라고 할 때는 기판의 상단과 하단에 구리 호일이 있는 CCL을 의미합니다. 표준 다층 보드는 일반적으로 두 개 이상의 양면 패널을 사이에 절연 층을 두고 쌓아서 만듭니다. 그렇기 때문에 대부분의 표준 다층 기판에는 짝수 개의 구리 층이 있습니다. 레이어가 많을수록 더 많은 접지면을 제공하여 전력을 분산하고 소음을 낮추는 데 도움이 됩니다. 레이어 추가의 유일한 단점은 비용입니다.
레이어 수가 중요한 이유
- 더 많은 레이어 = 더 많은 전력 분배 및 더 나은 EMI 제어.
- 더 많은 레이어 = 더 높은 비용과 더 복잡한 제조.
- 임피던스 제어, 더 많은 접지면 또는 타이트한 라우팅이 필요한 경우 더 많은 레이어를 사용하세요.
PCB 재료의 미래
모바일 기기용 작고 가벼운 기판은 더 많은 레이어 적층과 고밀도 디자인에 대한 수요를 증가시킵니다. 오늘날 대부분의 혁신은 실크스크린이나 솔더마스크의 작은 변화가 아니라 CCL을 개선하는 데 있습니다.
Getek, Megtron, 4000-13, fr-408과 같은 향상된 에폭시 시스템은 Dk 및 손실 탄젠트를 낮추는 데 있어 기본 fr4보다 우수한 성능을 발휘합니다. 아사히 글래스 A-PPE, 넬코 600-21 Si, 로저스 4350과 같은 고성능 소재는 고속 신호의 Dk를 낮추고 임피던스 제어를 개선하며 지터를 감소시키는 등 뚜렷한 이점을 보여줍니다.
폴리이미드(PI) 또는 폴리에스터로 만든 유연한 CCL은 진정한 플렉스 보드를 제공합니다. 구부릴 수 있는 회로가 필요할 때 유용합니다.
엄격한 RoHS 규정은 더 높은 내열성과 신뢰성을 요구합니다. 무할로겐 CCL은 염소와 브롬을 900ppm 이하로 제한합니다. 무연 CCL은 표준 fr4에 사용되는 DICY 경화 시스템을 페놀 경화제를 사용하는 PN 경화 시스템으로 대체하여 납이 없는 조립에 적합한 보드를 제공합니다.
최종 참고 사항
PCB 소재를 선택한다는 것은 장단점을 의미합니다. 제품의 용도, 신호 속도, 제조 방법 및 환경 규칙에 맞게 선택해야 합니다. 많은 일반적인 보드에는 FR4를 사용하되, 더 나은 임피던스 제어 또는 더 낮은 손실이 필요한 경우에는 고성능 라미네이트를 선택하세요. 유연한 디자인을 원한다면 PI 또는 폴리에스테르 기반의 유연한 CCL을 선택하세요. 조립 시 기판 모양과 패드 레이아웃에 맞는 실크스크린 및 솔더마스크 방법을 선택합니다.
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