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다층 PCB 제작은 첨단 전자 기기의 개발을 지원하는 핵심 기술로, 소비자 가전, 항공우주 및 의료 기기 산업 등 다양한 분야에서 활용되는 소형화되고 고성능인 장치의 통합을 가능하게 합니다. 단면 또는 양면 PCB가 하나 또는 두 개의 구리층만을 의미하는 반면, 다층 PCB는 세 개 이상의 구리층이 절연 물질로 적층되어 분리된 구조를 가지며, 이는 더 복잡한 배선 라우팅, 더 높은 부품 밀도 및 향상된 전기적 성능을 실현할 수 있게 해줍니다. 다층 PCB 제작의 주요 공정 단계를 이해함으로써 설계자, 엔지니어 및 구매 담당자는 제품의 품질, 신뢰성 및 생산 능력에 대해 보다 정확한 판단을 할 수 있게 됩니다.
설계 검토 및 엔지니어링 준비
물리적인 제조 외에도 멀티레이어 PCB 제작은 본질적으로 설계 단계의 산물입니다. 제조사는 Gerber 파일, 적층 구조 세부 정보 및 기술 요구사항을 수신한 후 엔지니어가 설계를 매우 상세히 검토합니다. 엔지니어는 트레이스 폭, 간격, 임피던스 요구사항, 레이어 정렬, 비아 구조 및 재료 선택 측면에서 설계를 철저히 분석합니다.
매우 복잡한 회로판의 경우 시뮬레이션 및 제조성 설계(DFM) 분석은 필수입니다.
킹필드와 같은 제조사들은 신호 무결성 문제나 드릴링 난이도 등 초기 단계에서 잠재적 문제들을 식별하여 DFM 결과를 제공함으로써 비용이 많이 드는 리비전을 피하고 원활한 양산 공정을 보장할 수 있습니다.
내층 이미징 및 에칭
각 내층 구리층은 별도로 제작된다. 처음에 구리 클래드 라미네이트의 표면을 청소한 후 포토레지스트를 도포한다. 그 후, 자외선(UV)을 사용하여 포토패턴 공정(photoengraving)에서 회로 패턴을 포토레지스트 위에 매우 정밀하게 새긴다.
현상 공정을 통해 빛에 노출된 레지스트를 제거하고, 레지스트로 보호되지 않은 구리 부분은 산화제를 이용한 화학 에칭으로 제거된다. 이 시점에서 자동 광학 검사(AOI)를 사용하여 선 폭과 간격이 기대되는 사양에 부합하고 패턴이 무결한지 확인한다. 적층 후 발견된 결함은 수정이 불가능하므로, 내층의 품질이 우수한지 반드시 확인하는 것이 중요하다.
내층 산화 처리
적층 전에 내층은 결합을 촉진하는 산화물 또는 기타 표면 처리를 거칩니다. 이 처리 과정에서 구리의 표면이 원자 수준에서 거칠어지며, 이는 적층 시 프리프레그 절연재와 구리층 간의 접착력을 향상시킨다고 여겨집니다. 층간 접착력은 다층 PCB의 기계적 안정성과 장기적인 신뢰성에 매우 중요한 요소입니다. 특히 고온이나 진동이 발생하는 환경에서 작동하는 다층 소자에서는 더욱 중요합니다.
층 구성 및 적층
적층 공정은 다층 PCB 제조 과정에서 가장 특징적인 단계 중 하나입니다. 내층 사이에는 프리프레그(에폭시 수지가 함침된 유리섬유) 조각을 끼워 넣고, 승인된 층 구성 설계에 따라 상하부에 외부 구리박을 추가합니다.
그런 다음 이 적층물을 라미네이션 프레스에 넣어 정밀하게 조절된 온도와 압력 사이클을 거치게 합니다. 프리프레그 수지가 녹아 흐른 후 경화되면서 모든 층이 하나의 견고한 기판으로 잘 결합됩니다. 정확한 층 정렬을 보장하고 공극이나 벌링(blisters)과 같은 일반적인 결함을 방지하기 위해 온도, 압력 및 시간을 정밀하게 제어해야 합니다.
드릴링 및 비아 형성
라미네이션 후 다층 PCB는 스루홀 부품과 각 층 간 전기적 연결을 위한 비아를 위해 드릴링 처리됩니다. CNC 드릴링 장비로 기계적 구멍을 만들며, 고밀도 상호연결(HDI) 설계의 마이크로비아의 경우 레이저 드릴링 장비가 사용될 수 있습니다.
구멍 벽은 드릴링 후 청소 및 활성화되어 홀 내부에 금속 도금이 가능하도록 합니다. 자명한 사실이지만, 드릴링은 매우 정확하게 수행되어야 하며 그렇지 않을 경우 불정렬로 인해 층 간 전기적 연결이 저하될 수 있습니다.
홀 금속화 및 구리 도금
비아를 전도성으로 만들기 위해 초기에 무전해 구리 공정을 통해 홀 벽면에 얇은 구리 박막을 증착한다. 이후 전해 구리 도금 공정을 수행하여 전기적, 기계적으로 신뢰할 수 있는 두께가 될 때까지 두께를 증가시킨다.
외층 이미징 및 에칭
최종 층의 회로는 내층과 마찬가지로 포토레지스트를 사용하여 외층에 이미징함으로써 형성된다. 포토리소그래피 및 현상 공정 후 과잉 구리는 제거되며, 외층에 완성된 회로만 남게 된다.
이 단계에서는 패드 형상, 트레이스 배선, 부품 연결 지점 등이 결정되며, 이는 결국 조립 수율과 전기적 성능 모두에 영향을 미친다.
방진막 적용
스울더 마스크는 PCB 위에 도포되는 래커와 같은 폴리머 층으로, 구리 배선을 의도하지 않은 산화 및 오염으로부터 보호하고 인접한 패드 사이의 납 브리징 가능성을 줄이는 목적을 가지고 있습니다. 납땜이 필요한 패드와 비아의 개구부는 스울더 마스크 층에서만 정의됩니다.
특히 부품의 피치가 미세한 경우, 다층 PCB 제작 시 스울더 마스크 정렬의 정확성은 매우 중요합니다. 이에 따라 킹필드(King Field)와 같은 제조업체들은 균일한 코팅과 내구성 있는 성능을 제공하기 위해 최첨단 이미징 및 경화 장비를 사용합니다.
표면 처리
노출된 구리 패드를 보호하는 것 외에도 납땜성은 표면 마감 처리의 주요 이점 중 하나입니다. 가장 일반적인 표면 마감 옵션으로는 HASL, ENIG, OSP, 임머전 실버(immersion silver), 임머전 주석(immersion tin)이 있습니다. 가장 적합한 마감 방식의 선택은 저장 수명, 조립 방법, 전기적 특성 등의 요소에 따라 달라집니다.
평평한 표면과 우수한 부식 저항성을 이유로, 고신뢰성 응용 분야에서는 종종 ENIG를 선호합니다.
전기적 테스트 및 최종 검사
테스트와 검사는 다층 PCB 제조의 마지막 단계입니다. 매우 복잡한 다층 구조의 어느 층에서도 단락 또는 개방 회로가 없는지 확인하기 위해 연속성과 절연 상태를 점검하는 전기적 테스트를 수행합니다. 또한 시각 검사, 측정(치수 검사), 때로는 X선을 사용하여 내부 정렬 상태와 비아(Via) 품질이 올바른지 확인할 수 있습니다.
모든 요구 사양을 충족하는 기판만 포장 및 출하 단계로 진행할 수 있습니다.
결론
다층 PCB 제작은 매우 까다로운 과정으로, 높은 정밀도와 풍부한 경험뿐 아니라 각 단계에서 엄격한 품질 관리 조치를 수립하고 이를 철저히 준수해야 합니다. 따라서 최종 테스트를 포함한 모든 절차와 시험이 제대로 수행되어야 제품의 성능과 신뢰성이 확보된다는 것은 지극히 당연한 일입니다.
킹필드는 정교한 장비와 체계적인 공정 관리를 동시에 적용하여 다양한 산업 분야가 최첨단 전자제품을 개발할 수 있도록 다층 PCB를 제공해 왔습니다. 이러한 레이어들의 구조를 이해함으로써 현대 전자기기의 복잡한 작동 원리에 대해 더 잘 알 수 있을 뿐 아니라, 고객 입장에서는 신뢰할 수 있는 PCB 제조업체를 선택하는 데에도 도움이 됩니다.
