PCB 설계 전에 회로 설계자는 PC 보드 작업장을 둘러보고 PCB 제조 요구 사항에 대해 제조업체와 직접 소통하는 것이 좋습니다. 이는 디자이너가 설계 단계에서 불필요한 오류가 전송되는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 점점 더 많은 기업이 PCB 제조 문의를 해외 공급업체에 아웃소싱함에 따라 이는 실용적이지 않게 됩니다. 이러한 이유로 우리는 PCB 보드 제조 공정 단계에 대한 올바른 이해를 제공하기 위해 이 기사를 제시합니다. 이를 통해 회로 설계자와 PCB 업계에 처음 입문하는 사람들에게 인쇄 회로 기판 제조 방법에 대한 명확한 시각을 제공하고 불필요한 오류를 방지할 수 있기를 바랍니다.

PCB 제조 공정 단계

1단계: 디자인 및 출력

회로 기판은 PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 설계자가 만든 PCB 레이아웃과 엄격하게 호환되어야 합니다. 일반적으로 사용되는 PCB 설계 소프트웨어에는 Altium Designer, OrCAD, Pads, KiCad, Eagle 등이 포함됩니다. 참고: PCB 제작 전에 설계자는 불일치로 인한 문제를 방지하는 데 도움이 되므로 회로 설계에 사용되는 PCB 설계 소프트웨어 버전에 대해 계약 제조업체에 알려야 합니다.

PCB 설계가 생산용으로 승인되면 설계자는 해당 제조업체가 지원하는 형식으로 설계를 내보냅니다. 가장 자주 사용되는 프로그램은 확장 Gerber입니다. 1980년대 이유식 광고 캠페인은 아름다운 아기를 추구했고, 이 소프트웨어는 아름답게 디자인된 자손을 만들어 냈습니다. Gerber는 IX274X라는 이름으로도 사용됩니다.

PCB 업계에서는 확장된 Gerber를 완벽한 출력 형식으로 탄생시켰습니다. 다양한 PCB 설계 소프트웨어에는 다양한 Gerber 파일 생성 단계가 필요할 수 있으며, 모두 구리 추적 레이어, 드릴 도면, 구멍, 구성 요소 표기법 및 기타 옵션을 포함한 포괄적인 필수 정보를 인코딩합니다. 이 시점에서 PCB 설계의 모든 측면을 점검합니다. 소프트웨어는 오류가 감지되지 않도록 설계에 대한 감독 알고리즘을 수행합니다. 또한 설계자는 트랙 폭, 보드 가장자리 간격, 트레이스 및 구멍 간격, 구멍 크기와 관련된 요소와 관련하여 계획을 검토합니다.

철저한 조사 후 설계자는 생산을 위해 PCB 파일을 PC Board Houses로 전달합니다. 설계가 제조 공정 중 최소 공차 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 거의 모든 PCB Fab House는 회로 기판 제조 전에 DFM(Design for Manufacture) 검사를 실행합니다.

2단계: 파일에서 필름으로

PCB 인쇄는 설계자가 PCB 회로도 파일을 출력하고 제조업체가 DFM 검사를 수행한 후에 시작됩니다. 제조업체는 회로 기판을 인쇄하기 위해 PCB의 사진 필름을 만드는 플로터라는 특수 프린터를 사용합니다. 제조업체는 필름을 사용하여 PCB를 이미지화합니다. 레이저 프린터이지만 표준 레이저젯 프린터는 아닙니다. 플로터는 매우 정밀한 인쇄 기술을 사용하여 PCB 디자인의 매우 상세한 필름을 제공합니다.

최종 제품은 검정색 잉크로 인쇄된 PCB의 사진 네거티브가 있는 플라스틱 시트로 만들어집니다. PCB 내부 레이어의 경우 검정색 잉크는 PCB의 전도성 구리 부분을 나타냅니다. 이미지의 나머지 선명한 부분은 비전도성 물질 영역을 나타냅니다. 외부 레이어는 반대 패턴을 따릅니다. 즉, 구리는 투명하지만 검은색은 에칭될 영역을 나타냅니다. 플로터가 자동으로 필름을 현상하고 필름은 원치 않는 접촉을 방지하기 위해 안전하게 보관됩니다.

PCB 및 솔더 마스크의 각 레이어에는 자체 투명 및 검정색 필름 시트가 있습니다. 전체적으로 2레이어 PCB에는 4개의 시트가 필요합니다. 2개는 레이어용이고 2개는 솔더 마스크용입니다. 중요한 것은 모든 영화가 서로 완벽하게 일치해야 한다는 것입니다. 조화롭게 사용되면 PCB 정렬을 계획합니다.

모든 필름을 완벽하게 정렬하려면 모든 필름에 등록 구멍을 뚫어야 합니다. 구멍의 정확성은 필름이 놓인 테이블을 조정하여 발생합니다. 테이블의 작은 교정으로 최적의 일치가 이루어지면 구멍이 뚫립니다. 구멍은 이미징 프로세스의 다음 단계에서 등록 핀에 맞습니다.

3단계: 내부 레이어 인쇄: 구리는 어디로 갈까요?

이전 단계에서 필름을 만드는 것은 구리 경로의 그림을 그리는 것을 목표로 합니다. 이제 필름의 그림을 구리 호일에 인쇄할 차례입니다.

PCB 제조의 이 단계에서는 실제 PCB를 만들기 위해 준비합니다. PCB의 기본 형태는 기판 재료라고도 불리는 에폭시 수지와 유리 섬유를 핵심 재료로 하는 라미네이트 보드로 구성됩니다. 라미네이트는 PCB를 구성하는 구리를 수용하는 이상적인 본체 역할을 합니다. 기판 재료는 PCB의 견고하고 방진 시작점을 제공합니다. 구리는 양면에 사전 결합되어 있습니다. 이 과정에는 구리를 깎아내서 필름에서 디자인을 드러내는 작업이 포함됩니다.

PCB 구성에서는 청결이 중요합니다. 구리면 라미네이트는 세척되어 오염이 제거된 환경으로 전달됩니다. 이 단계에서는 라미네이트에 먼지 입자가 쌓이지 않도록 하는 것이 중요합니다. 잘못된 먼지 얼룩으로 인해 회로가 단락되거나 열린 상태로 유지될 수 있습니다.

다음으로, 깨끗한 패널에는 포토레지스트라고 불리는 감광성 필름 층이 들어갑니다. 포토레지스트는 자외선에 노출된 후 경화되는 광반응성 화학물질 층으로 구성됩니다. 이는 사진 필름과 포토 레지스트가 정확히 일치하도록 보장합니다. 필름은 라미네이트 패널 위에 고정하는 핀에 맞습니다.

필름과 보드가 정렬되어 자외선을 받습니다. 빛은 필름의 투명한 부분을 통과하여 아래 구리에 있는 포토레지스트를 경화시킵니다. 플로터의 검정색 잉크는 빛이 경화되지 않는 영역에 도달하는 것을 방지하므로 해당 영역은 제거될 예정입니다.

보드가 준비되면 경화되지 않은 포토레지스트를 제거하는 알칼리 용액으로 세척됩니다. 최종 압력 세척을 통해 표면에 남아 있는 모든 물질이 제거됩니다. 그런 다음 보드가 건조됩니다.

제품은 최종 형태를 유지하기 위한 구리 영역을 적절하게 덮는 레지스트와 함께 나타납니다. 기술자는 이 단계에서 오류가 발생하지 않는지 확인하기 위해 보드를 검사합니다. 이 시점에 존재하는 모든 레지스트는 완성된 PCB에 나타날 구리를 나타냅니다.

이 단계는 레이어가 2개 이상인 보드에만 적용됩니다. 간단한 2층 보드는 드릴링 단계로 건너뜁니다. 다층 보드에는 더 많은 단계가 필요합니다.

4단계: 불필요한 구리 제거

포토 레지스트를 제거하고 유지하려는 구리를 덮고 있는 경화된 레지스트를 사용하여 보드는 다음 단계인 불필요한 구리 제거로 진행됩니다. 알칼리성 용액이 레지스트를 제거한 것처럼 보다 강력한 화학적 준비가 과잉 구리를 제거합니다. 구리 용매 용액조는 노출된 구리를 모두 제거합니다. 동시에 원하는 구리는 경화된 포토레지스트 층 아래에서 완전히 보호된 상태로 유지됩니다.

모든 구리 보드가 동일하게 생성되는 것은 아닙니다. 일부 무거운 보드에는 더 많은 양의 구리 용매와 다양한 노출 길이가 필요합니다. 참고로, 더 무거운 구리 보드는 트랙 간격에 추가적인 주의가 필요합니다. 대부분의 표준 PCB는 유사한 사양을 사용합니다.

이제 용매가 원하지 않는 구리를 제거했으므로 선호하는 구리를 보호하는 경화된 레지스트를 씻어내야 합니다. 또 다른 용매가 이 작업을 수행합니다. 이제 PCB에 필요한 구리 기판만으로 보드가 반짝입니다.

5단계: 레이어 정렬 및 광학 검사

모든 레이어가 깨끗하고 준비되면 레이어가 모두 정렬되었는지 확인하기 위해 정렬 펀치가 필요합니다. 정합 구멍은 내부 레이어를 외부 레이어에 맞춰 정렬합니다. 기술자는 광학 펀치라는 기계에 레이어를 배치하여 정확한 일치를 허용하므로 등록 구멍이 정확하게 펀칭됩니다.

레이어가 함께 배치되면 내부 레이어에서 발생하는 오류를 수정할 수 없습니다. 또 다른 기계는 패널의 자동 광학 검사를 수행하여 결함이 전혀 없는지 확인합니다. 제조사에서 받은 거버의 오리지널 디자인이 모델이 되었습니다. 기계는 레이저 센서를 사용하여 레이어를 스캔하고 디지털 이미지를 원본 Gerber 파일과 전자적으로 비교합니다.

기계가 불일치를 발견하면 기술자가 평가할 수 있도록 비교 결과가 모니터에 표시됩니다. 레이어가 검사를 통과하면 PCB 생산의 최종 단계로 이동합니다.

6단계: 레이어업 및 접착

이 단계에서는 회로 기판의 형태가 완성됩니다. 모든 개별 레이어는 결합을 기다리고 있습니다. 레이어가 준비되고 확인되었으면 간단히 융합하면 됩니다. 외부 레이어는 기판과 결합되어야 합니다. 이 과정은 레이어업(layer-up)과 본딩(bonding)의 두 단계로 진행됩니다.

외부 층 재료는 에폭시 수지가 미리 함침된 섬유 유리 시트로 구성됩니다. 이를 줄여서 프리프레그(prepreg)라고 합니다. 또한 얇은 구리 포일은 구리 트레이스 에칭이 포함된 원본 기판의 상단과 하단을 덮습니다. 이제 그것들을 함께 끼워 넣을 시간입니다.

결합은 금속 클램프가 있는 무거운 강철 테이블에서 이루어집니다. 레이어는 테이블에 부착된 핀에 단단히 고정됩니다. 정렬 중 이동을 방지하려면 모든 것이 꼭 맞아야 합니다.

기술자는 정렬 용기 위에 프리프레그 층을 배치하는 것으로 시작합니다. 구리 시트가 배치되기 전에 기판 층이 프리프레그 위에 맞춰집니다. 추가 프리프레그 시트가 구리 층 위에 놓입니다. 마지막으로 알루미늄 호일과 구리 프레스 플레이트가 스택을 완성합니다. 이제 누를 준비가 되었습니다.

전체 작업은 본딩 프레스 컴퓨터에 의해 자동으로 실행됩니다. 컴퓨터는 스택을 가열하는 과정, 압력을 가하는 지점, 제어된 속도로 스택을 냉각시키는 시기를 조율합니다.

다음으로 일정량의 포장 풀기가 발생합니다. 모든 레이어가 PCB 영광의 슈퍼 샌드위치로 함께 성형된 상태에서 기술자는 다층 PCB 제품의 포장을 풀기만 하면 됩니다. 고정핀을 제거하고 상단 압력판을 폐기하기만 하면 되는 간단한 문제입니다. PCB의 장점은 알루미늄 프레스 플레이트의 쉘 내부에서 승리합니다. 공정에 포함된 구리 호일은 PCB의 외부 레이어를 구성하는 데 남아 있습니다.

7단계: 훈련

마지막으로 스택 보드에 구멍을 뚫습니다. 구리 연결 비아 홀 및 납 측면과 같은 향후 출시 예정인 모든 구성 요소는 정밀 드릴 홀의 정확성에 의존합니다. 구멍은 머리카락 너비로 뚫습니다. 드릴의 직경은 100미크론이고 머리카락의 평균 직경은 150미크론입니다.

드릴 타겟의 위치를 ​​찾기 위해 X-Ray 로케이터는 적절한 드릴 타겟 지점을 식별합니다. 그런 다음 적절한 등록 구멍을 뚫어 일련의 보다 구체적인 구멍에 대한 스택을 고정합니다.

드릴링 전에 기술자는 드릴 타겟 아래에 완충재 보드를 배치하여 깨끗한 보어가 형성되도록 합니다. 출구 재료는 드릴 출구에서 불필요한 찢어짐을 방지합니다.

컴퓨터는 드릴의 모든 미세한 움직임을 제어합니다. 기계의 동작을 결정하는 제품이 컴퓨터에 의존하는 것은 자연스러운 일입니다. 컴퓨터로 구동되는 기계는 원래 설계의 드릴링 파일을 사용하여 보링할 적절한 지점을 식별합니다.

드릴은 150,000rpm으로 회전하는 공기 구동 스핀들을 사용합니다. 이 속도에서는 드릴링이 순식간에 이루어진다고 생각할 수도 있지만, 구멍을 뚫어야 할 구멍이 많습니다. 평균 PCB에는 100개 이상의 보어 손상되지 않은 지점이 포함되어 있습니다. 드릴링을 하는 동안에는 드릴과 관련된 각자의 특별한 순간이 필요하므로 시간이 걸립니다. 나중에 이 구멍에는 PCB용 비아와 기계적 장착 구멍이 들어갑니다. 이러한 부품의 최종 부착은 나중에 도금 후에 발생합니다.

드릴링이 완료되면 프로파일링 도구를 사용하여 생산 패널 가장자리를 감싸는 추가 구리를 제거합니다.

8단계: 도금 및 구리 증착

드릴링 후 패널이 도금 위로 이동합니다. 이 공정은 화학적 증착을 사용하여 서로 다른 층을 융합합니다. 철저한 청소 후 패널은 일련의 화학 세척 과정을 거칩니다. 도금조 동안 화학 증착 공정을 통해 패널 표면 위에 얇은 구리 층(약 1 마이크론 두께)이 증착됩니다. 구리는 최근에 뚫은 구멍으로 들어갑니다.

이 단계 이전에 구멍의 내부 표면은 패널 내부를 구성하는 섬유 유리 재료를 노출시킵니다. 구리 욕조는 구멍의 벽을 완전히 덮거나 도금합니다. 또한 전체 패널에는 새로운 구리 층이 적용됩니다. 가장 중요한 것은 새로운 구멍이 덮여 있다는 것입니다. 컴퓨터는 침지, 제거 및 처리의 전체 과정을 제어합니다.

9단계: 외부층 이미징

3단계에서는 패널에 포토레지스트를 적용했습니다. 이 단계에서는 이 작업을 다시 수행합니다. 이번에는 PCB 디자인으로 패널의 외부 레이어를 이미지화합니다. 오염 물질이 레이어 표면에 달라붙는 것을 방지하기 위해 멸균실에서 레이어를 시작하고, 패널에 포토레지스트 레이어를 적용합니다. 준비된 패널은 노란색 방으로 들어갑니다. UV 조명은 포토레지스트에 영향을 미칩니다. 황색광 파장은 포토레지스트에 영향을 미칠 만큼 충분한 UV 수준을 전달하지 않습니다.

검정 잉크 투명 필름은 핀으로 고정되어 패널과의 정렬 불량을 방지합니다. 패널과 스텐실이 접촉한 상태에서 발생기가 높은 UV 광을 분사하여 포토레지스트를 경화시킵니다. 그런 다음 패널은 검정색 잉크 불투명도로 보호되는 경화되지 않은 레지스트를 제거하는 기계로 전달됩니다.

이 프로세스는 내부 레이어의 프로세스와 반대입니다. 마지막으로, 이전 단계에서 불필요한 포토 레지스트가 모두 제거되었는지 확인하기 위해 외부 플레이트를 검사합니다.

10단계: 도금

우리는 도금실로 돌아갑니다. 8단계에서 했던 것처럼 얇은 구리층으로 패널을 전기도금합니다. 외부 레이어 포토 레지스트 단계에서 패널의 노출된 부분은 구리 전기 도금을 받습니다. 초기 구리 도금조 후에 패널은 일반적으로 주석 도금을 받으며, 이를 통해 제거 예정인 보드에 남아 있는 모든 구리를 제거할 수 있습니다. 주석은 다음 에칭 단계에서 구리로 덮여 있는 패널 부분을 보호합니다. 에칭은 패널에서 원하지 않는 구리 호일을 제거합니다.

11단계: 최종 에칭

주석은 이 단계에서 원하는 구리를 보호합니다. 원하지 않는 노출된 구리와 나머지 레지스트 층 아래의 구리가 제거됩니다. 다시, 과도한 구리를 제거하기 위해 화학 용액이 적용됩니다. 한편, 주석은 이 단계에서 귀중한 구리를 보호합니다.

이제 전도 영역과 연결이 올바르게 설정되었습니다.

12단계: 솔더 마스크 적용

솔더 마스크를 보드 양면에 적용하기 전에 패널을 청소하고 에폭시 솔더 마스크 잉크로 덮습니다. 보드는 납땜 마스크 사진 필름을 통과하는 자외선 폭발을 받습니다. 덮힌 부분은 경화되지 않은 상태로 유지되며 제거됩니다.

마지막으로 보드는 솔더 마스크를 경화하기 위해 오븐으로 전달됩니다.

13단계: 표면 마감

PCB에 납땜성을 추가하기 위해 금이나 은으로 화학적으로 도금합니다. 일부 PCB는 이 단계에서 뜨거운 공기 수준의 패드도 받습니다. 뜨거운 공기 레벨링으로 균일한 패드가 생성됩니다. 이러한 과정을 통해 표면 마감이 생성됩니다. PCBCart는 고객의 특정 요구에 따라 다양한 유형의 표면 마감을 처리할 수 있습니다.

14단계: 실크스크린

거의 완성된 보드의 표면에는 PCB와 관련된 모든 중요한 정보를 나타내는 데 사용되는 잉크젯 기록이 적용됩니다. PCB는 마침내 마지막 코팅 및 경화 단계로 넘어갑니다.

15단계: 전기 테스트

마지막 예방 조치로 기술자는 PCB에 대한 전기 테스트를 수행합니다. 자동화된 절차는 PCB의 기능과 원래 설계와의 적합성을 확인합니다. PCBCart에서는 이동 프로브를 사용하여 베어 회로 기판에서 각 네트의 전기적 성능을 테스트하는 플라잉 프로브 테스트(Flying Probe Testing)라는 전기 테스트의 고급 버전을 제공합니다.

16단계: 프로파일링 및 V-점수

이제 마지막 단계인 자르기에 이르렀습니다. 원래 패널에서 다른 보드가 절단됩니다. 사용된 방법은 라우터나 V-홈을 사용하는 데 중점을 둡니다. 라우터는 보드 가장자리를 따라 작은 탭을 남기고 V홈은 보드 양쪽을 따라 대각선 채널을 자릅니다. 두 가지 방법 모두 보드가 패널에서 쉽게 튀어나오는 것을 허용합니다.

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