PCB 제조에 필요한 원자재와 부자재

PCB 제조에 사용되는 원자재와 부자재를 알아본다. 또한 PCB의 분류 방법 및 제조에 사용되는 기초적인 제조 기술을 다룬다. 다음에 이야기될 제조 공정에 기본이 되는 Chapter가 될것이다.

1 PCB 제조에 필요한 원자재와 부자재

PCB의 제조에 사용되는 자재로는 원자재와 부자재로 구분한다. 원자재란 제조 공정이 완료되었을 때 최종적으로 제품의 일부가 되는 자재를 말하며, 부자재는 제조과정 중에는 사용되지만 최종 완제품에는 포함되지 않는 보조적인 자재를 말한다. 아래 표는 원자재와 부자재의 종류를 열거했으며, 주요 자재에 관해서 설명하기로 한다.
 
원자재: 동박 적층판, 프리프레그, Cu Foil, 동도금 약품, PSR Ink, Ni/Au 도금 약품, 흑화 처리용 약품 등

부자재: 브러쉬, 드라이필름, Etchant, 실크 스크린, 엔트리 보드, 백업 보드,아트웍 필름....

동박 적층판 (CCL ; Copper Clad Laminate)

1)구조

동박 적층판은 CCL이라고도 하며, Copper Clad Laminate의 약칭이다. CCL은 Cu를 입힌 얇은 적층판을 의미한다. 동박 적층판의 기초 재료로는 수지(Resin)가 사용된다. 수지는 전기적인 특성은 뛰어나지만 기계적 강도가 불충분하고, 온도에 의한 치수 변화(CTE)가 금속의 10배 정도로 크다는 결점이 있다. 이러한 결점을 보완하기 위해 종이(Paper), 유리섬유(Glass Cloth) 및 유리부직포 등이 보강기재로서 사용된다. 보강기재를 사용함으로써 수지의 종횡방향(X,Y 방향)의 강도가 증가하고, 온도에 의한 치수 변화도 감소한다. 동박으로는 통상 전해 동박이 사용된다. 수지와의 접착력을 높이기 위하여 동박의 형성 시에 동박이 수지와 화학적으로 반응하여 수지 쪽으로 5um정도 파고들도록 만들어진다. 한편 동박은 구리(순도=99.8% 이상)를 전기분해법으로 회전 드럼에 얇게 도금하여 말아내는 방법으로 제조 된다. 동박의 두께는 보통 18um ~ 70um 정도이나 최근에는 배선 패턴의 미세화에 따라 동박의 두께도 3um, 5um, 7um, 15um 와 같이 종래의 1/2 이하로 매우 얇아지고 있다. 동박(Copper Foil)의 분류에 관해서는 IPC-MF-150F Spec을 참조하기 바란다.

2)종류

아래 표는 현재 많이 사용되고 있는 동박 적층판의 종류와 그 특징을 정리하였다.
 
종류               보강기재  수지 주용도
Glass/Epoxy동박 적층판 유리섬유  Epoxy양면, 다층
(FR-4)
내열수지동박 적층판    유리섬유  Polyimide BT수지 고다층PCB
                                                  내열용, PackagePaper/Phenol 종이Phenol단면 PCB 고주파용 동박 적층판유리섬유 불소수지 PPO 수지 고주파용 PCB
동박적층판(FR-1)
Flexible 동박 적층판 N/A Polyimide Flexible PCB Flex-Rigid PCB

보강기재로 쓰이는 유리섬유는 PCB의 기본적인 특성인 전기 절연성, 기계적 강도와 강성 및 치수 안정성을 유지하기 위한 재료이다. 보통 5~9um 직경의 단섬유로 이루어진 섬유다발을 직조하여 만들어진다. 이 유리섬유에 열경화성 수지를 도포하여 반경화 상태로 만든 것이 Prepreg인데 이를 적층하여 가열, 가압하게 되면 나타나는 Bonding 특성을 이용하여 적층을 이용, 다층 PCB를 만들게 된다. 이러한 Bonding 특성 때문에 Bonding Sheet라고도 부른다.

3)Glass/Epoxy 동박 적층판

Glass/Epoxy 동박 적층판은 유리섬유에 에폭시 수지(Eopxy Resin ; 수지와 경화제의 배합물)를 침투시킨 보강기재와 동박의 조합으로 만들어진다. 보강기재에 따라서 보통 FR-1 에서 FR-5와 같이 국제 전기 공업 협회인 NEMA에서 정한 규격에 의해 보강기재와 내열성에 따른 등급이 정해져 있다. 현재는 FR-4 자재가 가장 많이 사용되며, 최근에 수지의 Tg(유리전이 온도)특성 등을 향상시킨 FR-5의 수요가 증가하고 있다. Tg란 수지가 유연해지는 온도를 말하며, 이 온도를 경계로 딱딱한 유리 상태로부터 부드러운 연질로 변화된다. 수지의 열팽창 계수와 탄성률, 경도와 같은 특성이 Tg를 경계로 크게 변화하기 때문에 고온에서 PCB의 신뢰성을 평가하는 지표로 사용된다. 아래 그림은 Glass/Epoxy 동박 적층판의 단면 구조를 나타낸 것이다.

Glass/Epoxy 동박 적층판은 양면 및 다층 PCB는 물론 단면 PCB용으로도 사용할 수 있으나, 원가를 낮추기위하여 단면 및 양면으로는 Paper/Phenol 동박 적층판이나 CEM-3 등의 복합 적층판을 많이 사용한다. 4)Paper/Phenol 동박 적층판 NEMA 규격에서 FR-1 ~ FR-3 등급의 동박 적층판을 말하며, 주로 단면 PCB의 제조에 많이 사용된다. FR 계열중 FR-3의 제품은 거의 사용되지 않으며 Paper/Phenol 동박 적층판의 구조는 아래와 같다.

5)복합(Composite) 동박 적층판

복합 동박 적층판은 2 종류 이상의 보강기재를 복합하여 만든 동박 적층판으로써 CEM-1과 CEM-3가 대표적인 제품이다. CEM-1의 경우 중간재가 종이 성분이며, CEM-3의 경우는 유리 부직포로 이루어진 점이 다르다. 복합 동박 적층판의 경우 유리섬유를 보강기재로 사용할 때의 우수한 기계적 가공성과 종이를 사용할 때 얻을 수 있는 기계적인 강도의 보강효과와 내열성, 치수 안정성을 복합적으로 취해서 만든 기판이다.

6) 고주파용 동박 적층판

정보처리 분야 및 통신 산업의 발전에 따라 많은 양의 정보를 고속으로 처리하기를 요구하고 있으며, 여기에 대응하기 위하여 동박적층판의 재료를 고속의 신호 전송에 대응할 수 있는 재질로 대치해가고 있다. 휴대전화 또는 무선 통신 분야에서는 GHz대의 고주파를 사용하며, 고주파일수록 유전손실이 커지므로 유전율이 낮은 재료의 중요성이 커지게 되었다. 일반적으로 저유전율 동박 적층판은 재료의 가격이 비싸고 다층 PCB로의 가공에 어려움이 있어 사용이 제한적이었으나, 전자기기의 사용주파수가 고주파로 천이되는 경향에 따라 저 유전율 동박적층판 재료의 수요가 계속 증가하고 있다. PCB에서 신호의 전파속도는 아래의 식과 같이 재료의 유전율에 반비례하므로 유전율이 낮은 재료를 사용하면 신호의 전파속도를 높일 수 있다.

한편, 휴대전화 또는 무선통신 분야에서는 GHz 대의 고주파를 사용하는데,고주파일수록 유전손실이 커지므로 유전율이 낮은 재료의 중요성이 커지게 되었다. 저유전율 동박 적층판의 재료는 가격이 비싸고 다층 PCB로의 가공에 어려움이 있어 사용이 제한적이었으나 전자기기의 사용주파수가 고주파로 천이되는 경향에 따라 저 유전율 동박 적층판 재료의 수요가 계속 증가하고 있다.

7)플렉시블(Flexible) 동박적층판

플렉시블 PCB는 유연성과 경박단소화가 가능한 소재로서 전자기기의 소형,정밀화에 따라 사용빈도가 크게 증가하고 있다. 플렉시블 PCB용 동박 적층판으로는 폴리에스테르 또는 폴리이미드 필름(대표적인 Upilex-S 제품이 있다.)과 동박을 접착제로 마주 붙인 것을 사용한다. 즉, 베이스 필름, 접착층, 동박으로 구성된 3층 구조의 동박적층판이 주로 사용된다. 한가지 여타의 앞에서 Review한 동박적층판에는 접착제가 따로 들어가지 않는다는 것이다. 또한 폴리이미드 필름과 동박의 접착성을 높여 접착층을 생략한 2층 구조(대표적인 Upilex-V, Upilex-VT 제품이 있다.)가 새롭게 개발되어 사용되고 있다. 아래 그림은 3층 및 2층의 플랙시블 PCB용 동박 적층판의 단면구조를 보였다.
플랙시블 PCB용 동박 적층판에 사용되는 동박은 제조방법에 따라 전해동박과 압연 동박으로 나눌 수 있다. 높은 굴곡 특성이 요구되는 경우에는 압연 동박이, 그 외에는 가격 면에서 유리한 전해동박이 사용된다. 플랙시블 PCB는 카메라, 켐코더, 프린터의 Header등에 많이 사용되며, 자동차 엔진주위의 배선이나, 내약품성이 요구되는 분야 등으로 그 용도가 계속해서 확장되고 있다. 또한 Flexible PCB를 사용함에 따라 작은 공간에 다수의 부품이나 기판을 삽입하는 배치가 가능하게 되므로 소형 정밀기기의 배선 등에 활용된다. 원자재의 유전율이 다른 동박 적층판에 비해 작으므로(3.6) 고속용으로 사용하기 좋으나, 제조 공정의 특성상 폴리이미드의 양면에 동박을 적층하기가 힘들어 고주파용 PCB의 PCB 형태인 MicroStrip 형태로 적용하기가 힘들다. 최근에 몇몇 업체에서 2Metal 플렉시블 PCB를 개발하였으나, 가격이 비싸고 수율이 좋지 않아 그 사용이 많지 않다.