PCB 층 구조 (PCB Layer Structure) - PCB 구조

 

 

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안녕하세요.

PCB(Printed Circuit Board)는 전자 장치의 주요 구성 요소로, 전자 부품을 고정하고 연결하며 신호를 전달하는 핵심적인 역할을 합니다. 여러 층으로 구성된 PCB는 각 층마다 고유한 기능을 가지고 있으며, 이는 전체 회로 성능과 신뢰성에 큰 영향을 미칩니다. 다음은 PCB의 주요 층과 그 기능에 대한 내용을 소개해 드리겠습니다.

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※1. PCB Stack-Up의 기본 개념

  PCB 스택업은 여러 층의 기판, 신호층, 전력층, 접지층을 조합한 구조입니다. 일반적으로 스택업은 단일층(single layer)부터 16층 이상의 다층(multi-layer) PCB까지 다양하게 설계할 수 있으며, 각 층의 순서와 배치는 신호 전달 효율과 EMI 차폐 성능에 크게 영향을 미칩니다.

PCB 스택업은 기본적인 4층 PCB부터, 복잡한 고속 데이터 통신용 다층 PCB까지 구성할 수 있습니다. 각 구성은 다양한 설계 요건과 비용에 따라 달라지며, 아래에서 주요 PCB 스택업 예시를 살펴보겠습니다.

 

 

 

※2. PCB의 구성과 각 층의 역할 (사용되는 물질 포함)

  PCB(Printed Circuit Board)는 전자 부품을 고정하고 연결하며, 여러 층으로 구성되어 각각 특정한 기능과 물질적 특성을 갖고 있습니다. 여기서는 PCB 각 층에서 사용되는 주요 물질과 그 기능을 설명합니다.

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▶1. 기판층 (Substrate Layer) 

사용되는 물질: FR4 (유리 섬유 강화 에폭시 수지)
기판층은 PCB의 기본 구조를 형성하며, 전자 부품을 지지하고 절연을 제공합니다. 주로 FR4가 사용되며, 이는 고온 환경에서도 열적 안정성을 유지하는 특징이 있습니다.

• 기계적 안정성: 전자 부품을 고정하며, 전체 PCB의 형태와 구조를 유지합니다.
• 전기적 절연성: 회로 층 사이를 절연하여 전류의 흐름을 제어합니다.
• 열적 안정성: 열 변화에 강해 회로가 안정적으로 작동하도록 돕습니다.

 

 

 

▶2. 구리층 (Copper Layer) 

사용되는 물질: 구리 (Copper, Cu)
구리층은 전류를 전달하고 회로 간 신호를 전달하는 경로를 형성합니다. 각 층의 구리 두께는 전력 및 신호 요구 사항에 따라 달라지며, 구리층은 주로 다음과 같은 역할을 합니다.

• 신호층 (Signal Layer): 회로의 신호가 이동하는 경로를 제공하여 데이터 전송을 담당합니다.
• 전력층 (Power Layer): 회로의 전력 공급 역할을 하며, 전압이 필요한 부분에 효율적으로 전력을 전달합니다.
• 접지층 (Ground Layer): 회로의 기준 전압을 설정하며, 외부 노이즈 차단과 신호 안정성에 기여합니다.

 

 

 

▶3. 절연층 (Insulation Layer) 

사용되는 물질: FR4, 폴리이미드 (Polyimide), 방열 패드
절연층은 구리층 사이에 위치하여 전기적 절연을 제공합니다. PCB의 절연층은 주로 FR4나 폴리이미드를 사용하며, 높은 온도를 견디고 신호 간섭을 방지하는 데 기여합니다.

• 전기 절연성 제공: 전기적 신호가 다른 층으로 누설되지 않도록 차단합니다.
• 열 관리 기능: 높은 온도를 견디며, 열 분산을 통해 회로의 과열을 방지합니다.
• 신호 안정화: 절연층 두께와 물질에 따라 신호 품질을 유지하고 노이즈를 최소화합니다.

 

 

 

▶4. 마스크층 (Solder Mask Layer)

사용되는 물질: 에폭시 기반 솔더 마스크 잉크 (Epoxy-based solder mask ink)
마스크층은 PCB의 구리층 표면을 보호하여 부식이나 오염으로부터 회로를 안전하게 유지합니다. 일반적으로 녹색 에폭시 기반 솔더 마스크 잉크를 사용하며, 일부 특수 회로에서는 다른 색상도 사용됩니다.

• 회로 보호: 구리층이 외부 환경에 노출되지 않도록 하여 산화나 손상을 방지합니다.
• 납땜 작업 보조: 부품 납땜 시 불필요한 위치에 납땜이 되지 않도록 하여 작업의 정확성을 높입니다.
• 절연 기능: 구리층의 단락을 방지하여 회로의 안정성을 높입니다.

 

 

 

▶5. 실크스크린층 (Silkscreen Layer)

사용되는 물질: 실크스크린 잉크 (Silkscreen ink, 일반적으로 에폭시 잉크 사용)
실크스크린층은 텍스트나 그래픽을 표시하는 데 사용됩니다. 주로 에폭시 기반 잉크로 구성되어 있으며, 회로를 쉽게 식별할 수 있도록 도와줍니다.

• 부품 식별: PCB 상의 부품 위치와 명칭을 표시하여 조립 및 유지보수를 용이하게 합니다.
• 시각적 가이드 제공: 회로 설계 시 부품 및 부위별 기능을 쉽게 파악할 수 있도록 돕습니다.
• 조립 정확성 향상: 부품을 정확한 위치에 배치할 수 있도록 해 오류를 줄입니다.

 

 

 

 

※3. 기본적인 PCB 스택업 예시 - Layer (층수)에 따른 PCB 구

  PCB 스택업은 여러 층의 기판, 신호층, 전력층, 접지층을 조합한 구조입니다. 일반적으로 스택업은 단일층(single layer)부터 16층 이상의 다층(multi-layer) PCB까지 다양하게 설계할 수 있으며, 각 층의 순서와 배치는 신호 전달 효율과 EMI 차폐 성능에 크게 영향을 미칩니다.

  PCB 스택업은 기본적인 4층 PCB부터, 복잡한 고속 데이터 통신용 다층 PCB까지 구성할 수 있습니다. 각 구성은 다양한 설계 요건과 비용에 따라 달라지며, 아래에서 주요 PCB 스택업 예시를 살펴보겠습니다.

▶1. 2층 PCB 스택업 (Double Layer PCB) 

2층 PCB는 기판 양면에 구리층이 있는 구조로, 가장 기본적인 형태입니다. 이 구조는 상대적으로 간단한 회로에 사용되며, 주로 저가 제품과 간단한 전자기기에서 사용됩니다.

• 구조: 기판 - 구리층(상) - 구리층(하)
• 용도: 간단한 회로, 비용 효율이 중요한 제품
• 장점: 제조가 쉽고 비용이 저렴

 

 

▶2. 4층 PCB 스택업 (4-Layer PCB) 

4층 PCB는 신호층 2개와 전력층 2개로 구성됩니다. 신호층을 중간층으로 두어 외부 간섭으로부터 보호하고, 안정적인 전력 분배를 제공합니다. EMI 차폐가 필요하거나 고주파 신호를 다루는 회로에 많이 사용됩니다.

• 구조: 신호층(Top) - 접지층(GND) - 전력층(Power) - 신호층(Bottom)
• 용도: 컴퓨터, 산업용 제어 장치, 통신 장비
• 장점: 신호 간섭이 적고 안정적인 전력 공급
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+)PCB에서 Prepreg는 층간 절연을 위한 접착제 역할을 하는 반경화(resin impregnated) 재료입니다. 이는 유리 섬유 천에 에폭시 수지를 함침시킨 후 부분적으로 경화한 형태로, PCB 제작 과정에서 다양한 층을 결합하고 절연 기능을 제공합니다. Prepreg는 특히 다층 PCB 제조 시 필수적인 역할을 합니다.

Prepreg의 주요 역할

1. 층간 접착: PCB 제작 시 여러 층의 구리와 절연층을 압착하고 결합하는 접착제로 사용됩니다.
2. 절연: 각 층 사이에서 전기적 절연 역할을 하여, 신호 간섭을 방지하고 전기적 안전성을 제공합니다.
3. 구조적 지지: PCB 내부에서 여러 층을 견고하게 결합하여 구조적 안정성을 부여합니다.

Prepreg가 사용되는 위치와 구조

Prepreg는 다층 PCB에서 구리층 사이에 배치됩니다. 예를 들어, 4층 PCB의 경우, 중간층에 구리층과 Prepreg를 교차로 배치하여 각 층이 안정적으로 접착되고, 절연 상태를 유지하도록 만듭니다. PCB는 Prepreg와 코어 재료를 압착하여 고온에서 압축함으로써 최종 PCB 형태로 경화됩니다.

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▶3. 6층 PCB 스택업 (6-Layer PCB) 

6층 PCB는 4층 PCB보다 신호층과 전력층이 추가된 구조입니다. 이 스택업은 더 많은 신호층을 제공하며, 더욱 복잡한 회로 설계와 고속 신호 전송에 적합합니다.

• 구조: 신호층(Top) - 접지층(GND) - 신호층 - 전력층(Power) - 접지층(GND) - 신호층(Bottom)
• 용도: 고속 데이터 통신, 네트워크 장비, 고성능 컴퓨터
• 장점: EMI 차폐 효과가 뛰어나고 고속 신호 전송에 적합

 

 

▶4. 다층 PCB (8층 이상)

8층 이상의 PCB는 매우 복잡한 회로와 고속 데이터 전송을 요구하는 장비에 사용됩니다. 이 스택업에서는 여러 신호층과 전력/접지층을 적절히 배치하여 고주파 신호의 품질을 유지하고, 전력 분배와 열관리를 효율적으로 수행할 수 있습니다.

• 구조 예시: 신호층 - 접지층 - 신호층 - 전력층 - 신호층 - 접지층 - 신호층 - 전력층 (복잡도에 따라 구조 변형 가능)
• 용도: 서버, 고성능 네트워크 장비, 항공우주 및 군사 장비
• 장점: EMI 차단 및 신호 무결성 유지, 복잡한 설계 가능

 

 

 

※4. PCB 스택업 설계 시 고려사항

PCB 스택업을 설계할 때는 회로의 특성과 성능을 최적화하기 위해 여러 요소를 고려해야 합니다.

• 전력 및 접지층 배치: 전력층과 접지층을 인접하게 배치하면 정전 용량이 형성되어 전력 전달이 안정되고, 신호 전송 시 노이즈와 EMI를 줄일 수 있습니다.
• 신호층 구성: 신호층은 데이터 전송 경로의 품질을 결정하므로, 신호층 사이에 접지층을 배치하여 외부 간섭으로부터 보호해야 합니다.
• 절연 두께: 층 사이의 절연층 두께는 전기적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 절연층이 두꺼우면 신호 감쇠가 줄어들지만, 너무 두꺼우면 회로 간의 간섭이 증가할 수 있습니다.

층수와 비용: PCB 층이 많아질수록 제조 비용이 증가하므로, 비용 효율성을 고려하여 층수를 결정해야 합니다.

 

 

 

이상으로 PCB Layer에 대한 설명을 마치겠습니다.

감사합니다.