전자기기의 모든 부품을 연결하는 인쇄회로기판

인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)는 페놀이나 에폭시 등의 절연판에 구리 등 도체를 입혀 전기 회로를 형성한 기판을 말한다. 전자제품의 신경에 해당하며 부품을 고정시키고 전기적으로 연결하는 기능성 부품이다. 컴퓨터, 휴대폰, 반도체, 가전제품 등 모든 전자･정보기기에 사용되며, 자동차 전장품 등에도 사용량이 증가하는 추세다. 단면‧양면, 다층, Flexible, Build-up, IC-Substrate 등이 시장을 형성하고 있으며, 광 PCB 등 차세대 기술이 개발되고 있다. 절연판에 동박을 붙인 동장적층판(CCL, Copper Clad Laminate)이 원판을 구성하며, 구리배선을 형성하기 위하여 20여 종류의 재료가 사용된다.

1936년 단면 PCB 등장 이후 양면·다층 PCB 등이 차례로 개발되었다. 특히 1969년 연성회로기판(FPCB, Flexible PCB) 양산 이후 다양한 분야에 응용되고 있다. 최근 LED TV, 스마트폰, 태블릿PC 등 휴대용기기의 폭발적인 증가로 반도체용 IC-Substrate, FPCB 등의 수요가 급증하였다. 이러한 PCB의 생산공정은 크게 원소재 준비 → Drill → 노광 → 현상 → etching → photoresist 적용 → 표면처리순이고, 이중 회로의 형성공정은 <그림 2>바와 같이 노광 → 현상 → 에칭으로 이루어진다.

PCB 분류

PCB를 구분하는 방법은 여러 가지다. 애플리케이션상 범용에서는 부품 실장용 및 반도체 실장용으로 구분할 수 있고, 제품의 회로층수에 따라 단면, 양면, 다층으로 나눌 수 있다. 제품의 구부림 여부에 따라 경성과 연성으로 분류할 수 있다. 이러한 것을 종합하여 크게 부품실장용 경성, 연성, 반도체 실장용, 그리고 방열이나 안테나 등에 쓰이는 특수한 소재의 특수 PCB로 나눈다.
경성의 경우 단면, 양면, 다층, 그리고 휴대폰용으로 새로 생겨난 HDI(High Density Interconnection) 기판으로 나누고, Flexible은 단면, 양면, 다층, 그리고 경성과 합쳐진 Rigid-flex 기판이 있다. 반도체 실장용인 IC Substrate의 경우 패키징 종류에 따라 BGA용 CSP용 flexible 등으로 분류할 수 있으며, 특수 PCB는 metal PCB, Teflon PCB, Ceramic PCB로 나뉠 수 있다.

PCB 시장

최근 5년간(’16~’20년) 세계 PCB 시장을 살펴보면 ’19년에 일시적으로 성장이 둔화됐지만, ’20년엔 PC, 서버, 가전제품 등을 중심으로 수요가 대폭 늘어나면서 635억 불이라는 사상 최대 매출을 기록했다. 2020 년 지역별 실적은 중국이 과반을 차지하고 대만, 한국, 일본 순으로 나타났다. 제품별로는 다층이 39%, F-PCB가 19%를 차지하고 있으며, 애플리케이션별로는 통신과 컴퓨터가 절반 이상을 차지하고 있다.

국내 PCB 시장 역시 2019년에는 휴대폰 등의 불황으로 약간 감소세를 보였지만, 2020년에는 PKG 기판의 높은 성장세에 힘입어 6%의 양호한 성장을 보이며 10조5천억 원의 생산을 기록했다. 2021년에도 PKG 기판은 20% 이상의 높은 성장을 하며 전체 시장의 성장을 이끌고 있으며, 2020년 대비 10% 이상 늘어난 11 조4천억 원을 기록할 것으로 예상된다.

PCB 기술 동향

PCB 기판은 최근 전자제품의 ‘경박단소(輕薄短小)’ 경향에 따라 부품삽입에서 표면실장으로, 양면에서 다층으로, 회로의 미세화, 후판에서 박판으로, 일반소재에서 친환경소재로 발전을 해왔다. 최근에는 모바일기기 및 통신의 발전으로 경성기판에서 연성기판으로 표면실장에서 부품내장으로, HDI에서 SLP(Substrate Like PCB)로, 박판미세회로에서 coreless 내장회로로, 미세화에서 미세화+방열화로, 친환경 소재에서 저손실 친환경소재로 발전을 거듭하고 있다.

PCB 관련 주요 표준, IPC vs. IEC

PCB 기판 관련 표준에서 가장 많이 쓰이는 PCB 성능검사용 규정표준을 살펴보면, 1990년대 후반까지 크게 3개의 표준이 인용되었다. 바로 MIL-P-55110과 IEC의 326-5~6, IPC RB-276이다. 이중 미국 국방성 표준인 MIL-P-55110은 가장 오래 되었고 품질 높은 경성 PCB 규정으로, 1993년 이후 개정이 이루어 지지 않아 현재는 쓰이지 않는 편이다. 국제표준인 IEC-236 시리즈는 규정이 느슨하고 자세한 내용이 없어 외면 받는 상황이다.
IPC RB-276은 양단면 규정과 다층규정을 합하여 만든 규정이다. PCB 품질수준에 따라 Class I, II, III 으로 나누고 규정을 달리하여 호평을 받았는데 이것이 IPC-6011과 6012로 나뉘어 새로 나오기도 했다. 2000 년 이후 미국 PCB 업계가 쇠퇴하는 중에도 IPC가 계속해서 PCB 표준을 제·개정하여 업계의 실질적인 표준이 되었다. 현재 애플이나 HP, 델 등 대형 OEM 업체들은 IPC 표준에 의거하여 PCB를 검사·주문하고 있다.
반면 MIL의 경우 미국군 사용 PCB 수요가 줄어들면서 산업계 영향력도 같이 줄어들었고, 군사용 PCB로 한정되었다. IEC의 경우 전자기판 및 조립을 담당하는 TC 91에서 야심차게 만들었던 236시리즈가 업계의 외면을 받으며 상당수를 폐기됐다. 이후 IPC에 기반하여 제정되는 추세로 전자조립 및 PCB 관련된 시험방법은 일본의 주도로 꾸준히 표준이 개발되고 있으며, 근래 들어서는 부품내장기술 분과를 신설하는 등 일부 분야에 있어서는 IPC를 앞서고 있다.
전반적으로 PCB 표준은 IPC의 PCB 규정표준인 601X 시리즈와 PCB 검수표준인 IPC -A-600이 주축을 이룬다. 소재 분야에서는 IPC의 410X 및 420X 시리즈, 시험방법은 IPC-TM-650과 IEC 61189-5 시리 즈가 많이 쓰인다.

① 경성기판 표준

PCB 기판 공통표준 및 경성기판에 대한 표준은 IEC, IPC 모두 표준이 있다. 다만 개정이 충실하게 이루 어진 IPC 표준이 산업계 표준으로 인정받고 있다. IPC의 PCB 표준은 일반적인 성능규정을 다룬 IPC-601X 시리즈와 검사표준인 IPC-A-600이 있다. 제품별로 IPC-6012(경성기판표준), 6013(연성기 판), 6014(PCMCIA), 6105(HDI), 6018(고주파기판)까지 있으며, 이중 IPC-6012는 경성기판 및다층기판에 대한 인증 및 성능규정을 다룬다. 1994년에 처음으로 제정된 이후 지속적인 개정을 거쳐 2020년에 개정E가 발표됐고 현재는 개정F 문건을 작업하고 있다. IEC 표준에서는 경성기판에 대한 규정표준만 있고 연성기판, HDI, 고주파기판 등 다른 기판에 대한 규정은 없다.

①-1 SLP 기판

현재 IPC와 IEC 모두 SLP 기판/공정에 대한 표준은 없다. 최근 IPC 경성기판 표준그룹인 D-33a 표준회의에서 SAP(semi additive process) 및 mSAP(modified semi additive process) 공정기반 L/S 50um 이하의 초미세 HDI 제조표준에 대한 제안이 있었다. 이것이 IPC에서 채택되었으며, IC Substrate에 쓰이는 표준을 개발하는 작업그룹인 D-33AP가 결성되어 본격적인 표준제정 활동을 수행할 예정이다.

①-2 고속기판

고속기판과 관련된 표준은 IPC의 고주파 기판 관련 성능규정 표준인 IPC-610이 있다. IPC에는 측정방법이 Stripline Test, Stripline Resonator Test,the Parallel Plate method,Split Cylinder Resonator (SCR) method 등 여러 가지가 있다. 이중 Split Cylinder Resonator (SCR) method의 경우 최고 30Ghz까지 측정이 가능하고, 최근에는 PCB의 신호손실 측정에 대한 표준도 제정되었다.

② 연성기판 표준

연성기판 분야 표준의 경우 IEC에서는 각 소재에 대한 표준만 존재하며, IPC의 경우 IPC-6013이 경연 성기판을 포함한 모든 연성기판의 규격에 대표표준으로 산업계에 널리 쓰이고 있다. 또한, 소재에 관한 4202, 4203, 4204 표준도 모두 사용 중이다. 고속연성기판 관련 표준은 IEC에는 없고, IPC에서만 고주파 기판관련 성능규정 표준인 IPC-6108이 있다.

③ 부품내장기판 표준

일반적인 성능규격으로는 IPC에는 IPC-6017이 있으며, IEC의 일반규정인 IEC 62878-1은 성능규정 보다는 내장기판의 value chain, 설계 및 측정방법에 대하여 기술하고 있다. 부품내장기판 소재에 대하여 IPC는 내장용 Resistor 및 capacitor 재료 규격을 다룬 반면, IEC에는 없다. 반면 부품내장기판에 대한 시험방법은 IPC에는 없고 IEC에 있다. Test 방법에 대한 전반적인 것은 IEC 62878-1-1에 잘 기술 되어 있으며, 전기적 특성측정법은 2-2에, 시험요소에 대한 것은 2-4에 존재한다. 능동소자 내장기판의 warpage 저감방법, 수동소자 내장기판의 빠른 평가방법 및 stack된 전자모듈에 대한 측정평가 방법이 진행되거나 출판되었다.

④ 방열기판 및 소재 표준

다양한 방열소재를 채택한 기판들이 있어 이 모든 것을 대표하는 기판규정은 IEC, IPC 어느 곳에도 없다. 이중 하나의 종류인 고휘도 LED용 PCB에 대한 규정은 IEC 62326-20: 2016이다. 방열PCB 소재 로는 금속core CCL이 대표적이나 IEC는 물론 IPC도 다루고 있지 않다. 중국 국가표준인 CPCA 4105가 이것에 대한 것으로, 열전도도에 따라 4개 등급으로 나누고 있다. 방열PCB에 필요한 방열정도 측정은 측정법에 따라 측정값이 달라지므로 표준이 중요하다. 방열측정 표준은 크게 열전도 측정과 열저항 측정으로 나눌 수 있으며, 열저항 측정이 근래에 많이 쓰인다. 열전도도 측정은 IEC에는 고휘도 LED용 기판에 대한 것이 있으며, IPC의 경우 film에 대한 측정법이 있으나 소재 부분은 ASTM 방법을 추천한다. 열저항 측정법의 경우 IEC에서는 진행 중이나 IPC에는 아직 없다.

PCB 전성시대, 눈여겨볼 표준은?

PCB는 부품 간 연결을 통해 전자기기 작동을 가능하게 하는 핵심부품 중 하나로 주요 소재인 CCL에 회로를 형성하여 제조한다. 국내 PCB산업은 2020년 PKG 기판의 높은 수요에 힘입어 6%의 양호한 성장을 기록하며 10.5조 원의 시장규모를 형성했다. PCB는 최근 모바일기기 및 통신의 발전으로 경성기판에서 연성 기판으로, 표면실장에서 부품내장으로, HDI(High Density Interconnection)에서 SLP(Substrate Like PCB)로, 박판미세회로에서 coreless 내장회로로, 미세화에서 미세화+방열화로, 친환경 소재에서 저손실 친환경소재로 발전을 거듭하고 있다.
PCB 산업계 표준은 IPC의 PCB 규정표준인 601X 시리즈와 PCB 검수표준인 IPC -A-600이 주축을 이룬 다. 소재 분야에서는 IPC의 410X 및 420X시리즈, 시험방법에서는 IPC-TM-650과 IEC 61189-5 시리 즈가 많이 사용된다. SLP 기판 관련 표준의 경우 현재 IPC나 IEC 모두 존재하지 않으나 최근 IPC에서 SAP, MSAP 관련 표준을 개발하는 별도그룹 D-33AP가 결성되었으며 관련 표준제정 활동이 기대된다. 고속기판 관련 표준은 IEC에는 없고 IPC에서만 고주파 기판관련 성능규정 표준인 IPC-6108이 있다. 저유전 소재의 경우 IEC에는 2개가 있고 IPC에는 별도 규정이 존재한다.
부품내장기판 표준의 경우 IPC와 IEC 모두 일반표준이 있으나, 소재는 IPC에만 있으며 시험방법은 IEC에만 있다. 방열기판의 경우 다양한 방열소재를 아우르는 기판에 대한 규정은 IEC, IPC 어느 곳에도 없고, 이중 하나의 종류인 열이 많이 나는 고휘도 LED용 PCB에 대한 것은 IEC 62326-20:2016에 있다. 소재는 IEC 에서 고열전도 halogen free CEM3에 대하여만 있으며, IEC나 IPC 모두 대표적인 방열 PCB소재인 금속 core CCL의 표준은 없다.