PCB 기초이론

myblack·2025년 2월 5일

PCB printed circuit board

PCB

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PCB 구성요소

설계 단위
1mil = 0.0254 mm
1inch = 1000 mil = 25.4mm

PCB (Printed Circuit Board)
저항기, 콘덴서, 집적 회로 등 전자 부품을 인쇄 배선판의 표면에 고정하고 부품 사이 구리 배선으로 연결해 전자 회로를 구성한 판

1️⃣ 기판 (Materials)

PCB의 기본 재료로, 회로의 기초가 되는 부분이다.
전기가 안통하는 비도전체로 만들어진 절연판, 필요한 부분에 도전체 프린트.

FR-4 (Fiberglass Epoxy Resin), 절연층 : 가장 일반적인 PCB 기판 재료로 절연성이 높고 내구성이 강함.
알루미늄(Aluminum PCB) : 발열이 심한 LED 조명이나 전력 장치에 사용됨.
플렉서블(Flexible PCB, FPCB) : 유연한 플라스틱(Polyimide) 기반으로 제작되며, 접거나 휘어질 수 있음.
세라믹(Ceramic PCB) : 고온 환경에서 높은 내구성을 요구하는 전자기기에 사용됨.

2️⃣ 구리층 (Copper Layer)

기판 위에 얇게 코팅된 구리 층으로, 전기 신호를 전달하는 배선 역할을 함.
동박(Copper Foil) 은 전기 신호를 전달하는 가장 중요한 요소.
단위는 oz(ounce, 온즈) 사용.
일반적 1oz, 고전력 2oz 사용

싱글 레이어 (Single Layer PCB) : 한쪽 면에만 구리층이 있음.
더블 레이어 (Double Layer PCB) : 양쪽 면에 구리층이 존재하여 신호를 양면으로 배선 가능.
멀티 레이어 (Multi-Layer PCB) : 4층 이상으로 구성된 PCB로, 고밀도 회로 설계가 가능함.

동박(Copper Foil) 기본 개념
PCB의 동박은 얇은 구리(Cu) 층으로 PCB 기판(절연층) 위에 형성된 금속 박막이다.
주로 FR-4(에폭시 수지+유리 섬유) 기판 위에 라미네이션(Lamination) 방식으로 부착된다.

Copper Pour
동박을 넓게 도포시킨 영역, 그라운드 영역을 쿠퍼 푸어를 통해 넓게 만드는 용도

3️⃣ 솔더 마스크 (Solder Mask)

구리층 위에 보호막을 입혀서 불필요한 납땜을 방지하고, 회로 보호 역할을 하는 레이어
Solder resist 라고도 부름

납땜 시 납이 불필요한 곳으로 흐르는 것 방지 (브릿징 방지)
PCB 표면을 먼지, 습기, 산화 등으로부터 보호
절연 역할을 수행하여 신호 간 간섭 최소화

일반적으로 녹색(Green) 을 많이 사용하지만, 검정, 빨강, 파랑, 노랑, 흰색 등의 색상도 존재.
전자 부품 간 쇼트(short)를 방지하는 역할을 함.

4️⃣ 실크스크린 (Silkscreen)

PCB 표면에 흰색 또는 다른 색상으로 인쇄된 문자 및 기호.
부품의 위치, 극성, 핀 번호, 로고, 버전 정보를 표시함.
일반적으로 흰색이 많이 사용되지만, 노란색, 빨간색, 검정색 등도 가능.

5️⃣ 비아 (Via)

다층 PCB에서 층간 전기 신호를 연결하는 구멍.

스루홀 비아 (Through-Hole Via) : PCB의 맨 위층(Top)부터 맨 아래층(Bottom)까지 관통하는 비아.
블라인드 비아 (Blind Via) : 외부층(Top 또는 Bottom)과 내부층을 연결하는 비아.
버리드 비아 (Buried Via) : 내부층들만 연결하는 비아로, 외부에서 보이지 않음.
마이크로 비아 (Micro Via) : 레이저 드릴링 기법으로 만든 매우 작은 비아.

5️⃣-1️⃣ Annular ring

Annular Ring(애뉴러 링) 은 Via 나 Hole 주위의 구리 영역
드릴 구멍(Hole) 사이에 남은 링 모양의 구리 너비
즉, 드릴 구멍을 중심으로 남아 있는 구리 패드의 테두리 두께

사용 목적

PCB에서 다층간의 연결을 위해서는 패턴과 Via 사이의 충분한 Copper 필요
Annular Ring의 주요 목적은 Via와 패턴 사이의 연결 잘 되도록 하는것
Annular Ring이 충분하지 못하면 Drill 오차로 연결 못하거나
연결 범위 부족으로 전류 전달 X

Annular Ring 계산

Annular Ring 너비 = (패드 지름 - 구멍 지름) /2
예시) 0.3mm Via의 패드가 0.6mm 면 (0.6 - 0.3) / 2 = 0.15 mm

6️⃣ 패드 (Pad)

부품을 납땜하기 위한 구리 패턴.
부품의 리드(Lead) 또는 핀이 납땜되는 영역이다.

✅ 홀(Hole) : PCB의 물리적 구멍 (PTH - 도금, NPTH - 비도금)

스루홀 : 부품 리드 삽입

✅ 패드(PAD) : 부품과 전기적으로 연결되는 구리 패드.

✅ 솔더 마스크(Solder Mask) : 납땜이 필요 없는 부분을 덮는 절연 보호층

✅ 페이스트 마스크(Paste Mask) : SMD 부품을 위한 솔더 페이스트 도포 패턴

SMD 패드(Surface Mount Device Pad) : 표면 실장 부품(SMD)용 패드.
PTH 패드(Plated Through-Hole Pad) : 스루홀(Through-Hole) 부품을 납땜하기 위한 패드.

7️⃣ 트레이스 (Trace)

PCB에서 전기 신호를 전달하는 구리 배선.
트랙(track) 또는 라우팅(routing) 이라고도 부름.
신호 간 간섭 방지를 위해 적절한 두께와 간격 유지 필요.
고속 신호의 경우 임피던스 제어(Controlled Impedance) 설계 필요.
배선은 두께, 폭, 이격거리, 이동경로 등을 잘 고려해야 함

배선의 종류
1) Auto Route : 자동으로 배선.
2) 수동 Route : User가 직접 Drawing하는 배선.

배선의 간격
1) 배선의 굵기가 얇으면 인가 전압에 따라 Pattern이 파괴되는 현상이 발생
2) 배선간의 간격이 좁다면, Repair 작업 또는 Soldering 작업 시 Short 현상이 발생

주의사항
신호선 및 전원선은 45도 구부린다
단자와 단자 사이의 배선은 최대한 짧게 한다.
Via의 개수를 최소화 한다.

배선 방법
Analog GND와 Digital GND는 반드시 분리한다.

패턴의 굵기
PCB 동판의 경우 1/2oz(요즘은 통상 1oz)
전류 1A당 패턴의 굵기는 1mm 이상 확보.
쉽게 전송 선로의 실효 저항이나, 인덕턴스를 감소시킬 수 있는 방법은 Ground을 넓고 굵게 배선

8️⃣ 그라운드 (Plane) & 파워 (Plane)

PCB에서 안정적인 전력 공급과 신호 무결성을 유지하기 위한 넓은 구리층.

그라운드 플레인 (Ground Plane, GND) : PCB에서 전자기 간섭(EMI)을 줄이고 안정적인 전원을 공급하기 위해 사용됨.
파워 플레인 (Power Plane, VCC) : 전원 공급을 위한 구리 면(Plane). 전압 강하를 줄이고 전원 분배를 균일하게 하기 위해 사용됨.

🔟 PCB 스택업 (Stack-Up)

PCB의 층(layer) 구성.

2층 PCB (2-Layer PCB) : 상층(Top)과 하층(Bottom)으로 구성됨.
4층 PCB (4-Layer PCB) : Top, Ground, Power, Bottom 등의 레이어로 구성됨.
다층 PCB (Multi-Layer PCB) : 6층, 8층, 12층 등으로 설계 가능.
고급 PCB : 신호층, 전력층, 접지층을 최적화하여 EMI를 최소화하는 설계

서멀 릴리프 (Thermal Relief)

열 방출을 도와 납땜이 쉽게 되도록 설계된 구조.
패드와 copper pour 사이를 그물 모양으로 만든 패턴

Thermal - 십자형태 존재

마운팅 홀

나사 등을 이용한 PCB 고정을 위해 만들어 놓은 구멍

기타 구성요소

테스트 포인트 (Test Point)

PCB에서 전기적 테스트를 수행하기 위해 사용하는 접점.
제조 후 품질 검사 시 전기적 신호를 측정하는 용도로 사용됨.

핀홀 (Pin Hole) : 부품 핀을 삽입하는 작은 구멍.

퓨즈 (Fuse)

과전류로부터 회로를 보호하는 부품.
일정 이상의 전류가 흐르면 회로를 차단하여 PCB를 보호함.

방열판 (Heat Sink) & 써멀 패드(Thermal Pad)

방열판(Heat Sink) : 고출력 부품(예: 전력 트랜지스터, CPU, MOSFET 등)의 열을 분산.
써멀 패드(Thermal Pad) : 방열 효과를 극대화하기 위해 사용되는 패드.

EMI/EMC 보호 요소

전자기 간섭(EMI) 및 전자기 적합성(EMC)을 개선하는 요소.
페라이트 비드 (Ferrite Bead) : 고주파 노이즈 필터링.
실드 케이스 (Shielding Case) : 전자파 차폐.

EMI (전자기 간섭)

(Electromagnetic Interference)

EMI란 한 전자기기에서 발생한 전자기파(전기장/자기장)가 다른 기기의 작동에 부정적인 영향을 주는 현상이다. EMI가 심하면 신호 오류, 노이즈 발생, 기기 오작동 등의 문제가 생긴다.

📌 EMI의 주요 원인

스위칭 노이즈(Switching Noise)

고속 신호 전송 및 고전류 스위칭 시 발생하는 간섭.
예: SMPS(Switching Mode Power Supply), 인버터, 모터 드라이버 등.

PCB 설계 문제

트레이스 길이가 길거나 신호 라우팅이 잘못되면 EMI가 증가.
신호가 빠른 클럭(Clock) 또는 고속 디지털 신호일 경우 EMI가 심해짐.

무선 신호 간섭 : Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G 등의 RF 신호가 다른 전자 기기에 영향을 줌.

외부 환경 요인 : 고압 송전선, 전기 모터, 레이더 등의 강한 전자기파가 전자 기기에 영향을 줌.

📌 EMI의 유형

전도성 EMI (Conducted EMI)

전력선이나 신호선을 통해 전파되는 간섭.
전원선(AC/DC)이나 PCB 트레이스를 따라 전파됨.
해결 방법: 필터링(Ferrite Bead, LC 필터, EMI 필터)

복사 EMI (Radiated EMI)

공기 중으로 방사되는 전자기파가 다른 기기에 영향을 줌.
해결 방법: 실드(Shielding), 접지(Grounding), PCB 레이아웃 최적화

EMC (전자기 적합성)

(Electromagnetic Compatibility)

EMC란 전자기기가 정상적으로 동작하면서 다른 기기에 간섭을 주지 않고, 외부 간섭에도 영향을 받지 않는 능력을 의미한다.

📌 EMC의 주요 목표
전자기 방출(EMI Emission) 최소화
기기가 외부로 방출하는 EMI를 줄여 다른 기기에 영향을 주지 않도록 함.
전자기 내성(EMS, Electromagnetic Susceptibility) 향상
외부 EMI에 의해 기기가 오작동하지 않도록 보호.

📌 EMC 테스트 종류
전도 방출(Conducted Emission, CE) 테스트

전원선 및 신호선을 통해 전파되는 EMI를 측정.
복사 방출(Radiated Emission, RE) 테스트

공기 중으로 방출되는 EMI를 측정.
전도 내성(Conducted Immunity, CI) 테스트

전원선에 노이즈를 주입하여 기기의 내성을 확인.
복사 내성(Radiated Immunity, RI) 테스트

외부에서 강한 전자기 신호를 가해 기기의 동작 여부를 확인.
정전기 방전(ESD, Electrostatic Discharge) 테스트

정전기 충격(수 kV 이상)에도 기기가 정상적으로 동작하는지 확인.

EMI(전자기 간섭) & EMC(전자기 적합성) 자세한 설명
전자 기기가 정상적으로 작동하려면 전자기 간섭(EMI)을 최소화하고, 전자기 적합성(EMC)을 준수해야 한다.

PCB 제조 공정

재단
PCB 제조사에 거버파일 제공
드릴
PCB 설계에서 스루홀 비아 및 마운팅 홀 등 드릴로 구멍 뜷기
배선 패턴 형성
PCB 설계대로 패턴 형성.
구멍 뜷린 PCB를 구리로 얇게 전체 도금. 이후 노광, 현상, 에칭, 박리 과정으로 패턴 형성

라미네이션 : 도금 판 위에 열과 압력으로 필름 (포토 레지스트) 접착
노광 : 회로 이미지대로 적외선 조사
현상 : 접착된 필름 현상액으로 제거
에칭 : 회로 이미지의 경화된 필름과 구리만 남기고 나머지 부분 부식되어 제거
박리 : 경화된 필름 벗겨냄

절연 잉크 코팅 및 실크 인쇄
구리가 노출되어 있기 때문에 납땜용 패드, 외부와 전기적 연결 필요한 부분 제외하고 솔더 마스크 코팅
이후 실크 스크린 등 인쇄
표면 처리
패드 등의 구리가 공기와 접촉해 산화되는것 방지하기 위해 PCB 표면처리
산화막 형성시 납땜 불량, 도전 불량 등 발생
검사 후 출고
전기적 단락 검사 후 출고.
BBT (Bare board test) 검사 이용