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책임은 크지만 존중받지 못하는 인쇄 회로 기판

인쇄 회로 기판은 말 그대로 전자 제품 및 시스템의 기반입니다. 인쇄 회로 기판은 작은 랜드(패드)와 머리카락 굵기의 트레이스를 사용하여 수십, 수백, 수천 개의 능동 및 수동 부품을 연결하고 물리적인 지원, 실장 탭, 커넥터 배열 등을 제공합니다. 이러한 기판은 PCB 또는 PC 기판이라고 하며, 예전에 상호 연결 및 패키징 전자 회로 연구소라고 불렸던 대표적인 업계 표준 구축 조직인 IPC에서 몇 년 전에 회로 전선 기판 또는 PWB라는 이름으로 변경하려고 시도했지만 새로운 이름은 많이 사용되지 않았습니다.

물론 인쇄 회로(PC) 기판의 필수적인 역할과 다양한 용도와 기능에 대해서는 말할 필요도 없습니다. 하지만 많은 논의에서 인쇄 회로 기판은 단순하지만 필수적인 별것 아닌 수동 부품으로 가볍게 간주되지만 이는 지나친 단순화입니다.

PC 기판의 흥미로운 역사

이러한 기판은 흥미로운 과정을 거쳐왔습니다. 50년 전 처음 개발되었을 때 많은 설계자는 이 기판을 필수적이면서도 골치 아픈 것으로 생각했습니다. 100개 이상의 진공관이 있는 컬러 TV와 같은 제품에 필요한 밀도와 제작 시간을 지원할 수 없는 수작업 기법인 지점 간 수작업 전선 연결 및 납땜을 대체하는 데 이러한 기판이 필요합니다. 실제로 당시 대표적인 TV 벤더 중 하나는 TV에 이름 없는 회로 기판을 사용하지 않고 장인들이 수작업으로 제작했다고 홍보하기도 했습니다. 이 마케팅이 어떻게 끝났는지는 아시겠죠.

최초의 PC 기판은 단면으로, 현대의 유리 에폭시 복합 소재가 아닌 페놀 수지나 베이크라이트로 제작되었으며 스루홀 부품이나 소켓 리드를 위한 홀을 드릴이 아닌 펀치 방식으로 만들었고 여전히 수작업으로 납땜되었습니다(그림 1). 선 너비는 차례대로 3mm ~ 6mm입니다.

그림 1: 이와 유사한 기본적인 단면 스루홀 페놀 수지 기판은 최초로 널리 사용된 PC 기판 컨셉의 반복 작업이었습니다. (이미지 출처: TheEngineeringProjects.com)

이러한 초기의 기판은 피복 벗겨짐, 허용 오차 범위 문제, 불규칙한 납땜으로 인해 신뢰도가 낮았습니다. 하지만 PC 기판은 비교적 많은 개수의 부품, IC 패키지, 비교적 작은 부품, 많은 개수의 핀, 그리고 표면 실장 부품을 다루는 하나의 실질적인 방법만을 제공했기 때문에 결함이 용납되지 않았습니다. 오늘날의 PC 기판은 초기 기판에 비해 모든 성능 및 기능 파라미터가 크게 발전했습니다.

흥미로운 사실은 일부 소비자 가전에서 거의 모든 부품 고정에 단면 페놀 수지 기판이 사용된다는 점입니다. 윗면 전선 점퍼가 삽입되어 매우 저렴한 단면 기판을 사용할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 2010년도 전자레인지의 이러한 페놀 수지 PC 기판은 전원 공급 장치(저전압 및 고전압), 변압기, 전력 장치, 회로망 나머지 부분의 대부분으로 구성됩니다. 윗면 점퍼를 통해 저렴한 단면 기판을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Low Price Mart)

PC 기판의 멀티태스킹 정밀성

PC 기판을 가볍게 얘기하는 경우가 많지만 오늘날의 PC 기판은 고도로 설계된 정밀 부품입니다. 사람들은 이러한 기판이 단순히 부품을 담고 있는 상호 연결 플랫폼 역할보다 더 많은 기능을 수행해야 한다고 생각합니다. 이러한 기판이 수행하는 작업은 다음과 같습니다.

  1. 기본적인 양면 PC 기판의 경우 노출된 층에서 전력 및 접지를 라우팅합니다.
  2. 일반적인 4층 버전과 같은 다층 기판에서는 하나의 내부 층이 1개 이상의 레일에 전력 분배를 공급하고 다른 내부 층은 접지 기능을 제공하며 전도성 via(수직 상호 연결 액세스의 줄임말로, 대문자로 표기하지 않음)는 필요 시 이러한 층을 연결합니다.
  3. 고온 부품을 감싸거나 가까이에 있는 구리는 방열판 또는 별도의 싱크로 열을 라우팅하는 열 전선관의 역할을 합니다.
  4. PC 기판 구리는 스트립 선로 또는 마이크로 스트립 토폴로지를 사용하여 RF 전송선, 필터, 아이솔레이터, 순환기의 역할을 하도록 구성할 수 있습니다.
  5. PC 기판은 단대역 안테나가 아닌 다대역 배열 안테나로 설계될 수도 있습니다.
  6. RF 수동 소자, 즉 커패시터 및 인덕터도 적합한 구리 패턴을 사용하여 구성될 수 있습니다.
  7. 정밀한 크기의 트레이스는 트레이스의 IR 강하로 전류 흐름을 측정하기 이한 저가 저항기(수 밀리옴)의 역할을 할 수 있습니다.
  8. 구리는 연산 증폭기에 민감한 저가 아날로그 센서 입력을 감싸는 가드 링을 제공하기도 합니다.
  9. 기판의 구리는 EMC 차폐를 제공하여 우발적인 RF가 회로에 영향을 미치지 않도록 방지하거나 기판으로부터 감쇠하는 방출을 보완합니다.
  10. 개별 전선을 하니스에서 종단하는 강성 및 연성 핀을 위한 푸시-인 리셉터클 역할을 합니다.

이외에도 이 목록에 추가된 새로운 역할이 있습니다. 바로 Würth Elektronik의 리본-케이블 IDC(절연 변위 커넥터)를 위한 결합 커넥터로서의 역할입니다. 하나는 핀 접점(핀, 수)이며 다른 하나는 소켓(암)인 IDC의 표준 결합 페어 대신 Würth 방식은 기판을 IDC(수)의 결합부로 사용합니다.

전선이 기판에 직접 플러깅되는 것은 이번이 처음이 아닙니다. 수년간 개별적인 강성 또는 연성 핀이 도금된 홀을 통해 PC 기판으로 삽입되었습니다. 하지만 이러한 핀을 제거하려면 핀과 기판이 손상되기 때문에 일회성 삽입만 가능했습니다. 반대로 Würth의 REDFIT IDC SKEDD 커넥터 제품군은 특정 PC 기판 홀 크기 조정 및 도금을 통해 최대 10회, 허용 오차 범위를 완화하면 최대 25회까지 플러그를 끼고 뺄 수 있습니다.

그림 3: Würth의 REDFIT IDC SKEDD 커넥터 제품군은 IDC 리셉터클이 핀(수) IDC와 평면 케이블에 결합할 필요가 없어 비용이 절감되고 BOM이 간소화되며 전선-커넥터 간 전이가 줄어 문제가 발생할 위험이 줄어듭니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

과소평가되고 있는 PC 기판의 다음 단계는 무엇일까요? 널리 사용되었던 FR-4 에폭시 유리 기판이 이제는 그만큼 독보적이지 않은 것처럼 보입니다. 특성상, 유전체 상수, 유전체 상수(er), 손실 계수(tδ), 습기 흡수율 등의 감지하기 힘든 전기 및 소재 요인이 중요한 수 기가헤르츠(GHz) 설계의 강력한 수요가 부족합니다. 또한 이러한 수치가 GHz 설계의 요구 사항에 일치해야 할 뿐 아니라 FR-4에는 없는 매우 낮은 온도 계수(tempco)가 있어야 합니다. 이러한 주파수에서는 미세한 변화도 전자적 성능에 영향을 미치기 때문에 기계적 및 크기에 따른 온도 계수도 중요합니다.

다음번에 누군가가 PC 기판을 “별로 중요하지 않은 것”으로 폄하하면 이러한 태도나 착각에 빠지지 마시기 바랍니다. 프로젝트의 성공은 다른 부품만큼이나 기판에 따라 판가름 납니다. 기능을 극대화하고 다층 기판을 매우 엄격한 사양으로 제조하며 로드하고 적절히 납땜하는 역량이 기본적인 성능, 차단/폐기율, 현장 신뢰도에 직접적인 영향을 줍니다.

 

참고 자료:

1 – Wikipedia, “FR-4” https://en.wikipedia.org/wiki/FR-4

2 – Wikipedia, “Printed circuit board” https://en.wikipedia.org/wiki/Printed_circuit_board#Materials

3 – Wikipedia, “Via (electronics)” https://en.wikipedia.org/wiki/Via_(electronics)

4 – SEEED Studio, “Printed Circuit Board (PCB) Material Types and Comparison” https://www.seeedstudio.com/blog/2017/03/23/pcb-material/

5 – Al Wright, Epec LLC., “PCB Vias - Everything You Need To Know” https://blog.epectec.com/pcb-vias-everything-you-need-to-know

6 – John W. Schultz, Compass Technology Group, “A New Dielectric Analyzer for Rapid Measurement of Microwave Substrates up to 6 GHz” https://compasstech.com/wp-content/uploads/2019/02/A-New-Dielectric-Analyzer-for-Rapid-Measurement-of-Microwave-Substrates-up-to-6-GHz.pdf

7 – Rogers Corp., “Characterizing Circuit Materials at mmWave Frequencies” https://www.microwavejournal.com/articles/32237-characterizing-circuit-materials-at-mmwave-frequencies?v=preview

8 – Rogers Corp., “Laminate Materials Simultaneously Increase μ and ε, Reducing Antenna Size” https://www.microwavejournal.com/articles/32056-laminate-materials-simultaneously-increase-mu-and-epsilon-reducing-antenna-size

작성자 정보

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Bill Schweber는 전자 엔지니어로서 전자 통신 시스템에 관한 세 권의 교과서를 집필하고 수백 건의 기술 자료, 의견 칼럼 및 제품 특집 기사를 기고해 왔습니다. 이전에는 EE Times의 다양한 주제별 사이트 관련 기술 웹 사이트 관리자와 EDN의 편집장 및 아날로그 편집자를 역임한 바 있습니다.

Analog Devices, Inc.(아날로그 및 혼합 신호 IC 업계를 선도하는 판매업체)에서는 마케팅 통신(홍보 관련)을 담당했습니다. 결과적으로 Bill은 미디어에 회사 제품, 사례, 메시지를 제공하는 기술적 PR 역할과 이러한 내용을 받는 미디어 역할 모두를 경험했습니다.

Analog의 마케팅 통신을 담당하기 전에는 평판 있는 기술 저널에서 편집장을 역임했으며 제품 마케팅 및 응용 엔지니어링 그룹에서도 근무했습니다. 그 이전에는 Instron Corp.에서 아날로그 및 전력 회로 설계와 재료 시험 기계 제어를 위한 시스템 통합 실무를 담당했습니다.

Bill은 MSEE(메사추세츠 주립대학교) 및 BSEE(컬럼비아 대학교) 학위를 취득한 공인 전문 엔지니어이자 어드밴스드 클래스 아마추어 무선 통신 면허를 보유하고 있습니다. 또한 MOSFET 기본 사항, ADC 선택, LED 구동을 비롯한 다양한 엔지니어링 주제에 관한 온라인 과정을 계획 및 작성하여 제공하고 있습니다.

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