PCB (r1)

PCB의 기판은 회로를 지지하고 구성 요소를 장착하는 기초 구조물이다. 가장 일반적인 기판 재료는 유리섬유와 에폭시 수지를 합성한 FR-4이다. FR-4는 우수한 기계적 강도, 전기적 절연성, 내열성 및 낮은 비용을 제공하여 산업계의 표준 재료로 자리 잡았다.

고주파 또는 고속 디지털 응용 분야에서는 낮은 유전 손실이 요구된다. 이 경우 폴리이미드, PTFE(테플론), 또는 세라믹 기반 복합 재료가 사용된다. 이 재료들은 유전 상수와 유전 손실 탄젠트 값이 낮아 신호 무결성을 유지하는 데 유리하다.

다양한 응용 분야에 따라 기판 재료의 선택 기준은 다음과 같이 달라진다.

특히 고출력 또는 고열 환경을 위한 응용에서는 열을 효율적으로 방출하기 위해 알루미늄 또는 구리와 같은 금속 코어를 사용한 금속 기판 PCB가 선호된다. 기판의 두께는 보통 0.4mm에서 3.2mm 사이이며, 제품의 기계적 요구 사항과 전기적 성능에 따라 결정된다.

동박은 인쇄회로기판의 전기적 신호를 전도하는 핵심 도체 재료이다. 주로 순도가 높은 전해 구리를 사용하여 얇은 박막 형태로 제조되며, 기판 위에 접착되어 회로 패턴을 형성하는 기초가 된다. 동박의 두께는 일반적으로 온스(oz) 단위로 표시하는데, 이는 평방피트(ft²)당 동박의 무게를 의미한다. 1온스 동박은 두께로 약 35μm(마이크로미터)에 해당한다[1].

주요 두께와 그 용도는 다음과 같다.

동박은 표면 처리와 특성에 따라 여러 종류로 나뉜다. 전해동박은 구리 전해액에서 전착시켜 제조하는 가장 일반적인 형태이다. 압연연마동박은 압연 공정을 거쳐 표면이 매우 매끄럽고 주로 고주파 신호에 민감한 고주파용 PCB에 사용된다. 또한, 동박과 기판의 접착력을 높이기 위해 표면을 거칠게 처리한 고접착 동박도 널리 사용된다. 동박의 선택은 설계된 회로의 전류 용량, 신호 주파수, 제조 공정의 정밀도 등을 종합적으로 고려하여 결정된다.

솔더 마스크는 인쇄회로기판의 표면에 도포되어 동박 배선을 보호하고, 납땜 과정에서 발생하는 불필요한 단락 회로를 방지하는 절연 보호층이다. 주로 에폭시 수지 계열의 열경화성 폴리머 재료로 만들어지며, 일반적으로 녹색을 띠지만 검정색, 빨간색, 파란색, 흰색 등 다양한 색상으로 제조된다. 이 층은 기판 위에 남겨진 노출된 패드와 비아 홀을 제외한 모든 구리 배선을 덮는다.

솔더 마스크의 주요 기능은 전기적 절연, 기계적 보호, 그리고 납땜 브리지 형성 방지이다. 절연층 역할을 하여 서로 다른 도체 트레이스 사이의 누설 전류를 막고, 외부 환경의 습기, 산화, 오염으로부터 구리 회로를 보호한다. 또한, 리플로우 납땜이나 웨이브 납땜 공정 중에 녹은 솔더가 인접한 패드 사이에 묻어 단락을 일으키는 것을 방지하여 생산 수율을 높인다.

제공 방식에는 주로 액체 사진 감광성 솔더 마스크(LPSM)와 건막 사진 감광성 솔더 마스크(Dry Film Solder Mask)가 사용된다. LPSM은 스크린 인쇄나 커튼 코팅 방식으로 도포한 후, 패턴이 그려진 필름을 올려놓고 자외선에 노출시켜 경화시키는 방식이다. 노출된 부분은 경화되고, 패드에 해당하는 미노출 부분은 현상액으로 제거되어 구리가 노출된다. DFSM은 이미 감광성 필름 형태로 공급되어 가열과 가압으로 기판에 적층된 후 유사한 포토리소그래피 공정을 거친다.

색상 선택은 단순한 미적 요소를 넘어 기능적 의미를 가진다. 예를 들어, 녹색은 인간의 눈이 패턴 결함을 찾기에 비교적 용이하고, 검정색은 고급 제품에 사용되지만 검사가 어려울 수 있다. 흰색은 발광 다이오드 백라이트가 필요한 기판에 주로 사용된다. 최근에는 무할로겐, 낮은 유전 손실 특성을 가진 재료 개발 등 고성능과 친환경 요구에 부응하는 솔더 마스크 기술이 발전하고 있다.

실크 스크린은 PCB의 최상층에 인쇄되는 표시층이다. 주로 흰색 에폭시 잉크를 사용하지만, 검정색, 노란색 등 다른 색상으로 제작되기도 한다. 이 층의 주요 목적은 부품의 위치, 방향, 부품 번호, 회사 로고, 테스트 포인트, 경고 표시 등 조립 및 유지보수에 필요한 정보를 제공하는 것이다.

실크 스크린 인쇄는 일반적으로 스텐실 인쇄 방식이나 잉크젯 인쇄 방식을 통해 적용된다. 스텐실 인쇄는 미세한 메쉬 스크린을 통해 잉크를 눌러 찍어내는 방식으로, 전통적으로 널리 사용되었다. 잉크젯 인쇄는 디지털 방식으로 잉크를 분사하여 더 높은 해상도와 유연한 디자인 변경이 가능하다는 장점이 있다. 인쇄 정확도는 LPI로 측정되며, 일반적인 응용 분야에서는 4-5 LPI 정도면 충분하지만, 고밀도 부품이 배치된 보드에서는 더 높은 해상도가 요구된다.

실크 스크린 디자인 시에는 가독성과 정확성을 고려해야 한다. 텍스트는 너무 작지 않아야 하며, 솔더 마스크 패드나 비아 위에 겹쳐지지 않도록 배치해야 한다. 또한, 부품의 극성 표시(예: 커패시터의 +, 다이오드의 캐소드 띠)는 오류를 방지하는 데 매우 중요하다. 아래는 실크 스크린에 표시되는 일반적인 정보의 예시이다.

내층 공정은 다층 인쇄회로기판 제조의 첫 번째 주요 단계로, 내부에 배치될 동박 도체 패턴을 형성하는 과정이다. 이 공정은 주로 강성 기판의 핵심 재료인 글라스 에폭시 기판 또는 프리프레그 위에 구리층이 적층된 내층 코어 재료를 가공한다. 공정의 목표는 설계된 회로 패턴을 정밀하게 기판 위에 재현하여, 이후 적층 공정을 통해 여러 층이 하나의 기판으로 압착될 수 있도록 준비하는 것이다.

공정은 일반적으로 세정, 감광성 드라이 필름 또는 액체 포토레지스트 도포, 노광, 현상, 에칭, 그리고 레지스트 제거의 단계로 진행된다. 먼저 코어 재료 표면의 산화막과 오염물을 제거한 후, 감광성 레지스트를 균일하게 코팅한다. 이어서 포토마스크 또는 레이저 직접 이미징 장비를 사용하여 설계 데이터에 따른 회로 패턴을 레지스트 위에 노광시킨다. 노광된 부분의 레지스트는 화학적 성질이 변하여, 현상액에 씻겨 나가거나 남게 되어 구리 표면을 선택적으로 노출시킨다.

다음으로 에칭 공정이 수행된다. 화학적 에칭액(주로 염화제이철 또는 황산-과산화수소 계열)이 노출된 구리 부분을 선택적으로 제거하여, 레지스트 아래에 보호된 구리 선로만 남긴다. 최종적으로 보호용 레지스트 층을 제거하면, 기판 위에 정밀한 구리 회로 패턴만이 남게 된다. 이 단계에서의 정밀도는 전체 다층 기판의 신호 무결성과 신뢰성을 결정하는 핵심 요소가 된다.

내층 코어의 가공이 완료되면, 각 층의 정렬을 확인하기 위해 자동 광학 검사를 실시한다. 검사는 패턴의 폭, 간격, 단락 또는 단선과 같은 결함을 찾아내는 과정이다. 검증된 내층 코어는 다음 공정인 적층을 위해 준비되며, 이때 코어 표면을 거칠게 만들어 접착력을 향상시키는 흑화 처리 또는 갈바닉 셀 처리가 추가로 이루어지기도 한다[2].

적층은 여러 개의 내층 코어와 프리프레그를 교대로 쌓아 하나의 다층판 구조로 압착하는 공정이다. 이 공정은 다층 PCB 제조의 핵심 단계로, 최종 기판의 두께와 기계적 강도를 결정한다.

공정은 먼저 준비된 내층 코어와 프리프레그 시트를 설계도에 명시된 순서대로 정확히 적층하는 것으로 시작한다. 적층 구조의 상단과 하단에는 일반적으로 두꺼운 동박이 배치되어 외층 회로 패턴을 형성할 기초가 된다. 이 스택은 정밀한 정렬을 위해 핀에 고정되며, 그 위아래로 압착판을 위치시킨다.

다음으로, 스택은 고온 고압의 라미네이션 프레스에 투입된다. 프레스 내에서 열과 압력이 가해지면 프리프레그 내의 에폭시 수지가 녹아 유동성을 갖게 되고, 이를 통해 내층 코어 사이의 모든 공극을 채우며 경화된다. 이 과정에서 수지는 글래스 클로스와 강화재와 결합하여 강력한 절연층을 형성한다. 압착 조건(온도, 압력, 시간)은 재료의 두께와 종류에 따라 세밀하게 제어된다.

적층 및 가압 공정이 완료되면, 이전에 별개였던 내층들이 단일한 고체 기판 블록으로 변환된다. 이 블록은 이후 드릴링 공정을 통해 층간을 연결할 비아 홀을 가공받게 된다. 적층의 품질은 기판의 신호 무결성, 열적 안정성 및 장기 신뢰성에 직접적인 영향을 미친다.

PCB의 적층이 완료되면, 기판 내부의 서로 다른 층 간의 전기적 연결을 위해 관통 구멍을 뚫는 드릴링 공정이 수행된다. 이 공정은 고속 회전하는 초경합금 드릴이나 레이저를 사용하여 정밀하게 구멍을 형성한다. 구멍의 위치와 직경은 설계 데이터에 따라 결정되며, 특히 고밀도 인터커넥트 설계에서는 매우 작은 직경의 마이크로 비아가 요구된다. 드릴링 과정에서 발생하는 열과 마찰로 인해 기판 재료가 녹아 구멍 내벽에 얇은 레진 층이 형성되는데, 이는 후속 도금 공정에 방해가 되므로 제거해야 한다.

드릴링 후에는 구멍 내벽에 전도성 층을 형성하여 각 동박 층을 전기적으로 연결하는 도금 공정이 이어진다. 먼저, 비전도성인 기판 재료(주로 글래스 에폭시) 표면에 전기가 통하도록 화학적 처리를 통해 얇은 구리 층을 증착한다. 이 초기 층은 일반적으로 무전해 도금 또는 그래핀 도금 공정을 통해 형성된다. 이후, 전해 도금 공정을 통해 구리 두께를 목표치(보통 25~35 마이크로미터)까지 증강시켜 기계적 강도와 전기적 신뢰성을 확보한다.

도금이 완료된 구멍은 비아라고 불리며, 이는 신호 전송과 전원 공급의 핵심 경로가 된다. 최종적으로, 필요하지 않은 외부 표면의 구리를 제거하는 에칭 공정을 거쳐 정확한 회로 패턴을 완성한다.

외층 패터닝 및 에칭 공정은 다층 인쇄회로기판의 최외층에 원하는 구리 배선 패턴을 형성하는 핵심 단계이다. 이 공정은 내층 공정과 유사하지만, 외층의 구리가 이후 솔더 마스크와 표면 처리를 위해 노출되어야 하므로 몇 가지 차이점이 존재한다.

공정은 먼저 적층된 패널의 외층 구리 표면을 청정화하고 미세한 요철을 만들어 접착력을 향상시키는 것으로 시작한다. 그 후, 감광성 포토레지스트를 구리 표면 전체에 균일하게 도포한다. 이어서 외층 회로 패턴이 그려진 포토마스크를 사용하여 포토레지스트에 자외선을 조사하여 노광한다. 노광된 부분(음성 레지스트의 경우) 또는 노광되지 않은 부분(양성 레지스트의 경우)이 현상액으로 제거되면서, 최종적으로 남겨질 구리 배선 부분이 보호되고 제거될 부분이 노출된 상태가 된다.

다음 단계인 에칭에서는 화학적 용액(주로 염화제이철 또는 암모늄 황산염)을 사용하여 포토레지스트로 보호되지 않은 불필요한 구리 박막을 완전히 제거한다. 에칭이 완료되면 남아있는 포토레지스트를 제거하여 깨끗한 구리 배선 패턴만을 노출시킨다. 외층 공정에서는 이렇게 형성된 배선 패턴 위에 솔더가 도포될 패드와 비아 홀을 보호하기 위한 솔더 마스크를 추가로 적용하는 것이 일반적이다.

이 공정의 정밀도는 최종 인쇄회로기판의 전기적 성능과 신뢰성을 직접적으로 결정한다. 과도한 에칭은 선폭을 줄이고 저항을 증가시킬 수 있으며, 에칭 부족은 단락을 유발할 수 있다. 따라서 현대의 고밀도 설계에서는 에칭 팩터(에칭으로 인한 측면 침식량)를 정밀하게 통제하는 것이 필수적이다.

표면 처리는 인쇄 회로 기판의 노출된 동박 패드와 단자에 적용되는 코팅 또는 도금층을 의미한다. 주된 목적은 동박의 산화를 방지하여 장기간의 납땜 가능성을 보장하고, 납땜 시 기판과 전자 부품 사이의 양호한 접합을 형성하는 것이다. 또한 표면 처리는 전기 전도성을 유지하거나 특정 응용 분야에서의 마모 저항성을 향상시키는 역할을 한다.

표면 처리의 종류는 크게 납땜성 유지에 중점을 둔 코팅과 와이어 본딩을 위한 코팅으로 나눌 수 있다. 일반적인 공정 방법에는 화학적 도금과 물리적 증착이 사용된다. 각 방식은 비용, 내구성, 공정 난이도, 환경 규제 준수 여부에 따라 선택된다.

주요 표면 처리 기술의 특징은 다음과 같다.

표면 처리의 선택은 전자 부품의 종류(예: BGA, QFN), 최종 제품의 사용 환경, 예산, 그리고 RoHS와 같은 환경 규정 준수 요구사항에 따라 결정된다. 고주파 응용 분야에서는 표면 처리가 신호 손실에 미치는 영향도 중요한 고려 사항이 된다.

PCB는 전도성 회로 패턴의 층 수에 따라 단면 PCB, 양면 PCB, 다층 PCB로 크게 분류된다. 이 구분은 회로의 복잡성, 부품 실장 밀도, 신호 무결성 요구 사항, 그리고 비용에 따라 선택된다.

가장 기본적인 형태인 단면 PCB는 절연 기판의 한쪽 면에만 동박 패턴이 형성되어 있다. 제조 공정이 단순하고 비용이 가장 낮아 초기 학습용 키트나 간단한 전자 제품(예: 전자 시계, 기본적인 리모컨)에 널리 사용된다. 그러나 모든 배선이 한 면에서 이루어져야 하므로 회로 설계에 제약이 많고, 높은 부품 밀도나 복잡한 회로 구현에는 적합하지 않다.

양면 PCB는 기판의 양면에 동박 패턴을 형성하고, 양면의 회로를 전기적으로 연결하기 위해 비아[6]를 사용한다. 이로 인해 배선 가능한 공간이 크게 증가하여 단면 PCB보다 훨씬 더 복잡하고 조밀한 회로 설계가 가능해진다. 대부분의 중간 수준의 전자 제품, 예를 들어 컴퓨터의 메인보드를 제외한 여러 확장 카드, 가전제품의 제어 보드 등에서 표준적으로 사용된다.

다층 PCB는 세 개 이상의 전도성 동박 층이 절연층을 사이에 두고 적층된 구조를 가진다. 각 층은 내층 가공을 통해 회로 패턴이 형성되며, 층간은 플레이트드 스루 홀[7] 또는 블라인드 비아, 버리드 비아[8] 등으로 연결된다. 이 구조는 초고밀도 배선, 복잡한 전원 무결성 및 접지 평면 구성, 고속 신호의 신호 무결성 보장에 필수적이다. 따라서 CPU 및 GPU가 탑재된 고성능 컴퓨터 메인보드, 서버, 네트워크 장비, 스마트폰, 그리고 항공우주 및 국방 분야의 고신뢰성 시스템의 핵심 부품으로 사용된다.

강성 PCB는 가장 일반적인 형태로, 유리섬유와 에폭시 수지로 구성된 단단한 기판을 사용한다. 전자 기기의 구조적 지지대 역할을 하며, 대부분의 컴퓨터 메인보드나 가전제품 기판이 이에 해당한다. 제조 공정이 표준화되어 있고 비용 대비 강도가 우수하여 가장 널리 사용된다.

연성 PCB 또는 플렉시블 PCB는 폴리이미드나 폴리에스터 같은 얇고 유연한 기판 재료를 사용한다. 구부리거나 접을 수 있어 공간 제약이 있는 장치나 움직이는 부품 내부에 배선을 설치하는 데 적합하다. 카메라 모듈, 휴대전화의 힌지 부분 배선, 의료용 내시경 등에 활용된다. 일반적으로 제조 단가가 높고 배선 설계 시 기계적 스트레스를 고려해야 한다.

강연결합 PCB는 하나의 어셈블리 내에 강성 부위와 연성 부위를 통합한 하이브리드 형태이다. 이는 복잡한 3차원 형태의 장치에서 내구성 있는 연결부와 유연한 구간을 모두 필요로 할 때 사용된다. 예를 들어, 노트북 컴퓨터의 디스플레이를 메인 본체에 연결하는 부분이나 고급 군사 통신 장비에서 흔히 볼 수 있다. 제조 공정이 복잡하지만, 커넥터 사용을 줄이고 공간 효율성 및 신뢰성을 높일 수 있다.

고주파용 PCB는 일반적으로 500MHz 이상의 고주파 신호를 처리하는 전자 회로에 사용되는 특수 인쇄회로기판이다. 이러한 고주파 신호는 무선 통신, 레이더 시스템, 위성 통신, 고속 디지털 회로(예: 5G, Wi-Fi 6/6E, 77GHz 자동차 레이더) 등에서 흔히 발견된다. 설계의 핵심 목표는 신호 손실을 최소화하고, 임피던스 일치를 정밀하게 제어하며, 신호 무결성을 유지하는 것이다. 이를 위해 기판 재료의 유전 특성과 전송선로의 물리적 구조가 매우 중요해진다.

일반적인 FR-4 기판 재료는 고주파 영역에서 상대적으로 높은 유전 손실(Df)과 유전 상수(Dk)의 온도/주파수 불안정성을 보여 신호 품질을 저하시킨다. 따라서 고주파용 PCB는 저손실 특성을 가진 전문 재료를 사용한다. 대표적인 재료로는 PTFE(테플론), 세라믹 충전 PTFE 복합재, 하이브리드 재료, 특수 에폭시 시스템 등이 있다. 이들 재료는 낮은 유전 상수와 낮은 유전 손실 탄젠트를 가지며, 주파수와 온도 변화에 따른 특성 변화가 적다.

설계 측면에서는 정밀한 임피던스 제어가 필수적이다. 마이크로스트립, 스트립라인, 코플레너 도파관과 같은 전송선로 구조가 사용되며, 선폭, 유전체 두께, 동박 두께가 신호의 특성 임피던스(보통 50Ω 또는 75Ω)를 결정한다. 또한, 접지면 설계, 차폐, 비아 스터브 효과 최소화, 그리고 표면 거칠기(Roughness) 관리가 신호 손실과 위상 안정성에 큰 영향을 미친다. 제조 공정도 더 엄격한 공차 관리가 요구되며, 표면 처리는 주로 신호 손실이 적은 ENIG(무전해 니켈/도금 금) 또는 ENEPIG를 선호한다.

회로도 설계는 PCB 개발 과정의 첫 번째 단계로, 전자 부품들의 전기적 연결 관계를 추상적인 기호와 선으로 표현하는 작업이다. 이 단계에서는 집적회로, 저항기, 축전기, 인덕터 등 모든 부품의 상징인 회로 기호를 사용하여 논리적인 연결을 정의한다. 설계자는 EDA 소프트웨어를 사용하여 구성 요소를 배치하고, 전원, 접지, 신호선을 네트넷으로 연결한다. 완성된 회로도는 이후 PCB 레이아웃 단계의 근본적인 청사진 역할을 하며, 모든 전기적 기능을 명시적으로 규정한다.

회로도 설계의 주요 목표는 정확성과 명확성이다. 설계자는 각 네트의 전기적 특성과 구성 요소의 매개변수를 정밀하게 지정해야 한다. 이를 위해 EDA 도구는 SPICE 시뮬레이션과 같은 기능을 제공하여 설계 초기 단계에서부터 회로의 동작을 검증할 수 있도록 한다. 또한, 부품 라이브러리 관리가 중요한데, 각 부품의 기호, 풋프린트, 전기적 특성이 정확히 매핑되어 있어야 이후 공정에서 오류를 방지할 수 있다.

아래 표는 회로도 설계 단계의 주요 산출물과 그 목적을 정리한 것이다.

회로도 설계가 완료되면, 도구는 자동으로 넷리스트를 생성한다. 이 파일은 각 구성 요소의 핀들이 어떻게 서로 연결되는지에 대한 텍스트 기반 목록으로, PCB 레이아웃 소프트웨어로 전달되어 실제 물리적 배선의 기초 데이터가 된다. 따라서 회로도 설계의 정밀도는 최종 PCB의 기능과 신뢰성을 결정하는 가장 근본적인 요소이다.

회로 설계의 핵심 단계로, 회로도 설계에서 정의된 논리적 연결을 PCB 상의 물리적 배치와 배선으로 변환하는 과정이다. 이 과정은 단순히 연결을 만드는 것을 넘어, 전기적 성능, 제조 용이성, 열 관리, 기계적 강도 등을 종합적으로 고려해야 한다.

레이아웃 작업은 먼저 모든 전자부품을 기판 위에 배치하는 것으로 시작한다. 부품 배치 시 고려해야 할 주요 원칙은 신호 흐름의 효율성, 열 발생 부품의 배치, 고속 신호 경로의 최소화, 그리고 조립 및 유지보수의 용이성이다. 예를 들어, 클록 신호 발생기와 같은 중요한 부품은 가능한 한 해당 부품과 가까이 배치하여 신호 경로를 짧게 유지한다. 부품 배치가 완료되면, 실제 동박 배선, 즉 라우팅 작업이 이루어진다. 라우팅은 수동 또는 자동화(자동 배선 도구) 방식으로 수행되며, 설계 규칙에 따라 신호선의 폭, 선 간 간격, 레이어 간 연결(비아) 등을 결정한다.

배선 설계 시 특히 중요한 요소는 신호 무결성과 전원 무결성을 유지하는 것이다. 이를 위해 고속 신호선은 임피던스 제어가 필요하며, 종종 스트립라인이나 마이크로스트립과 같은 구조로 라우팅된다. 또한, 전원면과 접지면을 적절히 구성하여 깨끗한 전원을 공급하고 전자기 간섭을 최소화해야 한다. 일반적인 설계 관행을 요약하면 다음과 같다.

최종 레이아웃은 제조를 위해 표준 출력 파일 형식인 게르버 파일로 생성된다. 이 파일은 각 레이어의 동박 패턴, 드릴 위치, 솔더 마스크 패턴 등을 정확하게 기술하여 PCB 제조 공정의 입력 데이터로 사용된다. 잘 설계된 배선과 레이아웃은 장치의 성능, 신뢰성, 그리고 생산 수율을 크게 좌우하는 결정적 요소이다.

신호 무결성은 인쇄회로기판 상에서 디지털 신호가 왜곡 없이 정확하게 수신단에 전달되는 정도를 의미한다. 고속 디지털 회로에서 클럭 주파수가 증가하고 신호 상승/하강 시간이 짧아질수록, PCB 배선은 단순한 전기적 연결이 아닌 전송선로로 동작하게 된다. 이로 인해 발생하는 반사, 지터, 크로스토크 등의 현상이 신호 품질을 저하시키고 시스템 오류의 원인이 된다.

주요 신호 무결성 문제로는 임피던스 불일치에 의한 신호 반사, 인접 배선 간의 전자기 결합으로 인한 크로스토크, 그리고 접지 바운스가 있다. 반사는 신호 경로상의 특성 임피던스가 급변하는 지점(예: 비아, 커넥터, 부품 패드)에서 발생하며, 신호 파형을 왜곡시킨다. 크로스토크는 공격자(aggressor) 배선의 신호 변화가 피해자(victim) 배선에 불필요한 노이즈를 유도하는 현상이다. 접지 바운스는 신호 귀환 경로의 불완전성으로 인해 발생하는 전위차 문제이다.

이러한 문제를 완화하기 위한 설계 기법이 적용된다. 차동 신호 배선은 두 개의 상보적인 신호선을 사용해 공통 모드 노이즈를 제거한다. 종단 저항은 반사를 감쇠시키기 위해 전송선로의 끝단에 추가된다. 또한, 스트리플라인이나 마이크로스트립과 같은 제어된 임피던스 배선 구조를 사용하고, 신호선과 귀환 경로(접지면)를 가깝게 배치하여 루프 인덕턴스를 최소화한다. 크로스토크를 줄이기 위해선 배선 간격(간섭)을 넓히거나, 가능한 경우 가드 트레이스나 접지면을 배치한다.

신호 무결성 분석은 전자기장 시뮬레이션 도구를 활용해 사전에 검증된다. 설계자는 SPICE 시뮬레이터나 전자기 해석 기반의 S-파라미터 모델을 사용해 배선의 지연 시간, 감쇠, 위상 변화 등을 예측한다. 이를 통해 타이밍 마진을 확보하고, 아이 다이어그램을 통해 수신단에서의 신호 품질을 평가하여 설계를 최적화한다.

전원 무결성은 인쇄 회로 기판 설계에서 전원 분배 네트워크가 목표하는 전압 레벨을 안정적으로 모든 부품에 공급할 수 있는 능력을 의미한다. 이는 신호 무결성과 함께 고속, 고성능 전자 시스템의 정상 동작을 보장하는 핵심 요소이다. 전원 무결성이 확보되지 않으면 전압 강하나 과도한 잡음으로 인해 회로의 논리 오류, 성능 저하, 심지어 시스템 불안정이나 손상이 발생할 수 있다.

주요 설계 목표는 낮은 임피던스의 전원 경로를 제공하여 전압 변동을 최소화하는 것이다. 이를 위해 설계자는 디커플링 커패시터의 적절한 배치와 선택, 전원 및 접지 평면의 효과적인 사용, 적절한 비아 배치 등을 고려한다. 특히 고속 집적 회로는 순간적으로 큰 전류를 소비하므로, 이 전류 요구를 신속히 충족시키기 위해 충분한 디커플링 커패시터가 필요하다.

전원 무결성 분석은 전용 시뮬레이션 도구를 사용하여 수행된다. 설계 단계에서 전원 분배 네트워크의 임피던스를 주파수 영역에서 분석하여 목표 임피던스보다 높은 공진점이 있는지 확인한다. 또한 시간 영역 분석을 통해 실제 동작 중 발생할 수 있는 전압 강하나 리플을 예측하고, 이를 해결하기 위한 설계 변경을 시뮬레이션한다.

자동 광학 검사(AOI)는 인쇄회로기판 제조 공정 중 발생할 수 있는 결함을 카메라와 이미지 처리 소프트웨어를 이용해 자동으로 검출하는 공정이다. 주로 에칭 및 도금 후의 패턴 형상, 드릴링 구멍의 위치, 솔더 마스크 도포 상태, 실크 스크린 인쇄 품질 등을 검사한다. 이 공정은 생산 라인에 통합되어 고속으로 기판을 스캔하며, 인간 검사원의 육안 검사에 비해 일관성과 속도, 정확도에서 큰 장점을 가진다.

AOI 시스템은 미리 입력된 기준 데이터(Reference Data)나 설계 데이터(CAD 데이터)와 실제 촬영된 기판 이미지를 비교하여 결함을 판단한다. 검출 가능한 주요 결함은 다음과 같다.

검사 결과는 실시간으로 모니터링되며, 불량이 감지된 기판은 리페어(수리) 스테이션으로 분리되거나 스크랩 처리된다. AOI 데이터는 생산 공정의 품질 추세를 분석하는 데 활용되어, 결함의 근본 원인을 파악하고 공정을 개선하는 데 기여한다. 이는 수율 향상과 불량품의 후공정 유입을 방지하는 핵심적인 품질 관리 수단이다.

회로 테스트는 제조된 PCB의 모든 전기적 연결이 설계대로 올바르게 이루어졌는지, 그리고 개방(Open)이나 단락(Short)과 같은 결함이 존재하지 않는지를 검증하는 공정이다. 이는 최종 제품의 기능적 신뢰성을 보장하는 핵심 품질 관리 단계이다.

가장 일반적인 방법은 베드 오브 네일스 테스트기(Fixture)를 사용하는 것이다. 이 테스트기는 PCB 상의 모든 테스트 포인트(일반적으로 솔더 패드나 비아)에 정밀하게 정렬된 수백에서 수천 개의 탐침(Pogo Pin)을 배열한다. 테스트 시, 이 탐침들이 각 포인트에 접촉하여 미리 정의된 네트리스트(Netlist)에 따라 인접한 포인트 간의 저항이나 절연 상태를 측정한다. 예상치 못한 저항 값(단락)이나 무한대 저항(개방)이 감지되면 해당 PCB는 불합격 처리된다. 복잡한 다층판이나 대량 생산 라인에서는 이 방법이 효율적이다.

소량 생산이나 프로토타입 검증에는 이동 탐침 테스트기가 더욱 적합하다. 이 방식은 4개에서 8개 정도의 탐침 헤드가 프로그램에 따라 PCB 위를 이동하며 포인트 간의 전기적 특성을 순차적으로 측정한다. 테스트 픽스처가 필요 없어 설계 변경에 유연하게 대응할 수 있지만, 테스트 속도는 베드 오브 네일스 방식에 비해 상대적으로 느리다. 또한, 임피던스 제어가 중요한 고주파 회로나 전원 무결성 검증을 위해서는 보다 정밀한 TDR 테스트와 같은 특수 검사가 추가로 수행되기도 한다.

환경 신뢰성 시험은 인쇄회로기판이 실제 사용 환경에서 요구되는 내구성과 신뢰성을 확보했는지를 검증하는 일련의 시험 절차를 말한다. 이 시험들은 제품의 수명 주기 동안 예상되는 열적, 기계적, 화학적 스트레스를 가하여 결함을 조기에 발견하고 설계 및 제조 공정의 견고성을 평가하는 데 목적이 있다. 신뢰성 시험은 제품의 품질을 보증하고, 특히 항공우주, 자동차, 의료 기기와 같이 고신뢰성이 요구되는 분야에서 필수적인 과정이다.

주요 환경 신뢰성 시험은 다음과 같이 분류할 수 있다.

이러한 시험은 관련 산업 표준(예: IPC 표준, MIL-PRF-31032, JEDEC 표준, AEC-Q100)에 따라 엄격한 프로파일로 수행된다. 예를 들어, 자동차 전자 부품용 PCB는 AEC-Q100 기준에 맞춰 넓은 온도 범위(-40°C ~ +125°C 이상)에서의 열충격 시험과 수백 시간 이상의 고온고습 동작 시험을 통과해야 한다. 시험 후에는 자동 광학 검사, 초음파 검사, 저항 및 절연 저항 측정 등을 통해 기공, 크랙, 델라미네이션, CAF와 같은 잠재적 결함이 발생했는지를 종합적으로 분석한다.

컨슈머 일렉트로닉스는 인쇄회로기판의 가장 광범위하고 대량 생산되는 응용 분야이다. 스마트폰, 태블릿, 노트북, 텔레비전, 게임기, 가전제품 등 현대인의 일상 생활을 구성하는 거의 모든 전자 제품의 핵심 부품으로 PCB가 사용된다. 이 분야의 요구사항은 지속적으로 소형화, 고성능화, 다기능화되는 경향을 보이며, 이에 따라 PCB 기술도 빠르게 진화하고 있다.

소형화와 고밀도화는 가장 두드러진 특징이다. 특히 스마트폰과 웨어러블 기기에서는 극한의 공간 제약 속에 더 많은 기능을 집적해야 하므로, 고밀도 인터커넥트 기술이 필수적으로 적용된다. 미세한 회로 선폭과 간격, 블라인드/버리드 비아, 더 많은 적층 수를 가진 다층 PCB가 일반적이다. 또한, 무선 통신(와이파이, 블루투스, 셀룰러), 고성능 애플리케이션 프로세서, 고해상도 디스플레이 구동 등 고속 신호 처리를 위해 신호 무결성 설계가 매우 중요해졌다.

다양한 제품군에 따라 PCB의 형태와 요구사항도 크게 달라진다. 주요 응용 제품군과 특징은 다음과 같다.

이 분야의 PCB 설계와 제조는 대량 생산을 통한 비용 절감 압박과 빠른 제품 출시 주기가 공존하는 환경에서 이루어진다. 따라서 표준화된 공정과 재료를 사용하면서도 제품의 차별화를 위한 고급 PCB 기술 도입이 지속적으로 요구받고 있다.

인더스트리 4.0과 스마트 팩토리의 구현에서 PCB는 핵심적인 역할을 담당한다. 산업용 제어 시스템, PLC, 센서, 액추에이터, 산업용 로봇의 두뇌와 신경망 역할을 하는 모든 제어 보드와 통신 모듈은 PCB 위에 구축된다. 이러한 장비들은 극한의 온도, 진동, 먼지, 전기적 노이즈가 존재하는 가혹한 환경에서 장시간 안정적으로 동작해야 하므로, 산업용 PCB는 일반 컨슈머 일렉트로닉스용보다 훨씬 높은 신뢰성과 내구성을 요구받는다.

산업 자동화의 핵심인 분산 제어 시스템과 스카다 시스템은 수많은 현장 장치와의 데이터 수집 및 제어를 위해 다양한 통신 인터페이스를 탑재한 PCB를 사용한다. 이더넷, 프로피버스, 모드버스, EtherCAT 등의 산업용 네트워크 프로토콜을 처리하는 통신 카드와 게이트웨이는 복잡한 다층 PCB와 고속 신호를 위한 정밀한 임피던스 제어가 적용된다. 또한, 공장 자동화 라인을 구성하는 비전 시스템과 산업용 카메라의 고속 이미지 처리 보드 역시 고성능 FPGA나 프로세서를 탑재한 고밀도 PCB로 제작된다.

에너지 관리 및 스마트 그리드 분야에서도 PCB는 중요한 역할을 한다. 태양광 인버터, 풍력 발전 제어기, 전력 변환 장치 등은 고전압과 고전류를 처리해야 하므로, 두꺼운 동박과 특수 절연 재료를 사용한 PCB가 적용된다. 이러한 PCB는 열 관리와 전기적 절연에 특별한 설계가 필요하다. 결국, 산업 및 자동화 분야의 기술 발전은 더욱 정밀하고, 견고하며, 복잡한 기능을 통합한 고성능 PCB의 발전과 함께 이루어진다.

인공 심박 조율기, 인슐린 펌프, 혈당 측정기와 같은 이식형 및 착용형 의료 기기는 모두 PCB에 의존하여 정밀한 전자 제어와 데이터 처리를 수행한다. 이들 장치는 신체 내부 또는 표면에서 장기간 안정적으로 작동해야 하므로, PCB는 극한의 신뢰성, 소형화, 그리고 낮은 전력 소모를 충족시켜야 한다. 특히 생체 적합성 있는 재료를 사용한 연성 PCB나 강연결합 PCB가 많이 활용되어, 장치의 유연성과 내구성을 동시에 확보한다.

진단 장비 분야에서는 MRI, CT 스캐너, 초음파 진단기와 같은 고성능 영상 시스템의 핵심 모듈로 PCB가 사용된다. 이러한 장비는 고속의 신호 처리와 미세한 신호의 정확한 증폭을 요구하므로, 고주파용 PCB와 다층 구조의 고밀도 설계가 필수적이다. PCB는 복잡한 디지털 및 아날로그 회로를 통합하여 고해상도 이미지를 생성하고, 노이즈를 최소화하여 진단의 정확도를 높이는 역할을 담당한다.

환자 모니터링 시스템과 휴대용 진단 키트에서도 PCB는 핵심 부품이다. 심전도 모니터, 맥박 산소 측정기, 최근의 원격 환자 관리 시스템은 소형 PCB를 통해 생체 신호를 수집, 처리, 무선으로 전송한다. 이러한 추세는 의료 서비스의 접근성을 높이고, 실시간 건강 데이터 기반의 예방 의학 발전에 기여하고 있다.

항공우주 및 국방 분야는 PCB에 있어 가장 까다로운 성능과 신뢰성 요구사항을 제시하는 응용 분야 중 하나이다. 극한의 환경 조건에서도 장기간 오작동 없이 구동되어야 하며, 무게와 크기에 대한 제약도 매우 엄격하다. 따라서 이 분야에 사용되는 PCB는 특수한 재료, 공정, 검증 절차를 거쳐 제조된다.

이러한 PCB는 극한의 온도 변화, 높은 진동, 충격, 진공 상태, 강한 방사선 환경 등에서도 기능을 유지해야 한다. 이를 위해 FR-4와 같은 일반적인 기판 재료 대신 고성능 폴리이미드, 세라믹 기판, 또는 PTFE(테플론) 기반의 복합 재료가 광범위하게 사용된다[9]. 이러한 재료는 넓은 온도 범위에서 안정적인 유전율을 유지하고, 열팽창 계수가 낮으며, 내화학성과 기계적 강도가 우수하다.

응용 제품으로는 항공기 및 위성의 비행 제어 컴퓨터, 레이더 시스템, 통신 장비, 유도 및 항법 시스템, 다양한 센서 모듈 등이 있다. 특히 국방 분야에서는 무인 항공기(UAV), 미사일, 지상 통제 장치 등에 고성능 PCB가 필수적으로 사용된다. 제조 후에는 자동 광학 검사(AOI)를 넘어서는 엄격한 회로 테스트와 함께 고온/저온 사이클링, 진동, 충격, 가속 수명 시험 등의 환경 신뢰성 시험을 반드시 거친다.

고밀도 인터커넥트(HDI)는 기존 PCB 설계의 한계를 넘어 더 작은 크기에 더 많은 기능을 집적하기 위해 발전한 기술이다. 이 기술의 핵심은 더 미세한 선폭과 선간격, 더 작은 비아(via)의 사용, 그리고 더 많은 배선 레이어를 효율적으로 연결하는 데 있다. HDI PCB는 일반적으로 150μm 미만의 미세한 선폭/선간격과 150μm 미만의 작은 비아 패드를 사용한다[12]. 이를 구현하기 위해 블라인드 비아(Blind Via)와 버리드 비아(Buried Via)가 광범위하게 활용되며, 이는 보드의 표면에서 내부 레이어로, 또는 내부 레이어끼리만 연결되는 비아로, 실장 면적을 극대화하는 데 기여한다.

HDI 기술의 제조는 여러 단계의 적층과 미세 구멍 형성 공정을 수반한다. 대표적인 구축 방법으로는 여러 층의 코어를 적층하기 전에 각 코어에 미세 비아를 먼저 형성하고 도금하는 'Any-layer' 또는 'Every-layer' 인터커넥트 방식이 있다. 미세 비아 형성에는 주로 레이저 드릴링 공정이 사용되며, 이는 기존의 기계적 드릴링으로는 구현하기 어려운 100μm 이하의 직경을 가진 구멍을 정밀하게 뚫을 수 있다. 이후 전기도금을 통해 비아의 내벽에 구리를 증착시켜 전기적 연결을 완성한다.

이 기술의 적용은 전자 기기의 소형화와 고성능화 요구에 직접적으로 부응한다. 다음은 HDI 기술이 두드러지게 적용되는 주요 분야와 그 이점을 보여주는 표이다.

HDI 기술의 발전은 인공지능 가속기, 5G 통신 모듈, 자율주행 차량의 센서 퓨전 제어기 등 첨단 응용 분야로 지속적으로 확장되고 있다. 미세 공정 기술의 진보와 함께, 비아를 채우는 구리 충전(Copper Filling) 기술이나 비아 위에 직접 패드를 형성하는 VIPPO(Via in Pad Plated Over) 기술 등이 추가되어 더욱 조밀하고 신뢰성 높은 인터커넥트를 가능하게 한다.

임베디드 컴포넌트 기술은 인쇄회로기판의 내부에 수동소자나 능동소자를 직접 삽입 또는 형성하는 방식을 말한다. 이는 표면에 부품을 실장하는 기존의 SMT 방식과 구별된다. 주로 임베디드 커패시터, 임베디드 저항, 임베디드 인덕터와 같은 수동소자를 PCB 적층판 내에 매립하는 방식이 먼저 상용화되었다. 최근에는 더 작은 다이 형태의 반도체 칩을 기판 내에 매립하는 임베디드 액티브 디바이스 기술도 연구 및 적용되고 있다.

이 기술의 주요 장점은 다음과 같다. 첫째, 부품이 기판 내부로 들어가므로 표면 실장 공간이 절약되어 고밀도 인터커넥트 구현에 필수적이다. 둘째, 부품과 회로 사이의 연결 길이가 극단적으로 짧아져 인덕턴스와 같은 기생효과가 감소하며, 이는 고주파 신호의 무결성과 전원 배급 네트워크의 성능을 향상시킨다. 셋째, 내부에 매립된 부품은 외부 물리적 충격이나 환경 요인으로부터 보호받을 수 있어 신뢰성이 높아진다.

이 기술의 도입은 설계와 제조 공정의 복잡성을 증가시킨다. 정밀한 레이저 드릴링, 박막 증착, 그리고 매립된 부품의 전기적 시험과 신뢰성 시험을 위한 새로운 공정이 필요하다. 또한, 설계 단계에서 열팽창 계수 불일치로 인한 기계적 응력 관리와 매립 후 발생할 수 있는 신호 무결성 문제를 사전에 해결해야 한다. 그럼에도 불구하고, 소형화와 고성화를 요구하는 웨어러블 기기, 고성능 컴퓨팅, 5G 통신 모듈 등의 분야에서 그 중요성이 지속적으로 커지고 있다.

전자제품의 수명 주기와 폐기물 문제가 대두되면서 인쇄회로기판 산업에서도 지속가능성과 친환경 재료에 대한 요구가 강화되고 있다. 기존 PCB 제조에는 할로겐화 난연제, 납 함유 솔더, 다양한 유기 용제 등 환경과 인체에 유해할 수 있는 물질이 사용되었다. 이에 따라 RoHS 및 WEEE 같은 국제 규제가 도입되어 유해 물질 사용을 제한하고 폐전자제품의 회수 및 재활용을 의무화하는 흐름이 형성되었다.

친환경 PCB의 개발은 크게 무할로겐 기판, 무납 솔더, 생분해성 소재 사용, 그리고 재활용성 향상이라는 네 가지 축으로 진행된다. 무할로겐 기판은 프린트 배선판의 기판 재료인 글라스 에폭시 등에서 브롬이나 염소 계열의 난연제를 인(P), 질소(N), 무기 수화물 등으로 대체한 것이다. 무납 솔더는 주로 주석-은-구리 합금 등이 기존 솔더를 대체하고 있다. 또한, 펄프나 옥수수 전분에서 유래한 생분해성 기판 소재의 연구가 진행 중이며, 이는 휴대용 또는 단기 사용 제품에 적용 가능성으로 주목받고 있다.

재활용 측면에서는 금속 회수 효율을 높이는 설계와 공정이 중요해지고 있다. PCB는 구리, 금, 은 등 유가금속을 다량 함유하고 있어 도시 광산으로 불린다. 효율적인 재활용을 위해 접착제 없이 적층하는 기술, 열적/화학적 방법을 통한 층간 분리 기술, 그리고 금속 회수율을 극대화하는 새로운 용해 공정 등이 연구되고 있다. 이러한 친환경 전환은 초기 비용 상승을 유발할 수 있으나, 규제 대응, 기업 이미지 제고, 그리고 자원 순환 경제 구축이라는 장기적 이점을 제공한다.