PCB 알아보기

1. PCB란 무엇인가?

PCB(Printed Circuit Board)는 전자부품을 고정하고, 부품 사이에 전기 신호와 전력이 전달될 수 있도록 구리 배선이 형성된 회로 기판이다. 컴퓨터 메인보드, 스마트폰, SSD 등 대부분의 전자기기에는 PCB가 사용된다.

과거에는 부품의 단자를 전선으로 하나씩 연결하기도 했다. 반면 PCB에서는 기판 위와 내부에 미리 설계한 구리 배선을 형성하기 때문에 많은 부품을 비교적 작은 공간에 배치하고 일정한 연결 구조를 구현할 수 있다.

PCB 자체는 배선과 절연 구조를 갖춘 기판이며, 여기에 반도체 칩과 저항, 커패시터 등의 부품을 실장한 상태는 PCBA(Printed Circuit Board Assembly)라고 구분하기도 한다.

[그림 1] PCB Layout 설계도(왼쪽)와 전자부품이 실장된 PCB(오른쪽). (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:PCB_design_and_realisation_smt_and_through_hole.png)

2. PCB의 기본 구조

PCB를 이해하려면 전기가 흐르는 부분과 흐르지 않도록 분리하는 부분을 먼저 구분해야 한다. 대표적인 재료는 Copper와 Dielectric이며, 외부 표면에는 Solder Mask와 Silkscreen이 추가될 수 있다.

[그림 2] 2층 PCB의 Copper, Dielectric, Solder Mask, Silkscreen 구조. (https://www.pcbasic.com/blog/how_are_circuit_boards_made.html)

2.1 Copper(구리층)

Copper는 PCB에서 전기 신호와 전력을 전달하는 도체이다. PCB 제조 과정에서는 구리를 원하는 모양으로 가공하여 부품 사이의 배선이나 넓은 전원·접지 영역을 만든다.

2.2 Dielectric(절연층)

Dielectric은 서로 다른 구리층을 전기적으로 분리하는 절연 재료이다. 절연층이 없다면 서로 겹쳐 있는 구리층이 접촉하여 원하지 않는 전기적 연결이 생길 수 있다.

일반적인 단단한 PCB에는 유리섬유와 에폭시 수지로 만든 FR-4 계열 재료가 널리 사용된다. 이러한 재료는 구리층을 절연할 뿐 아니라 기판의 형태를 유지하는 역할도 한다.

다층 PCB에서는 Core와 Prepreg를 이용해 여러 구리층을 적층한다. Core는 수지가 완전히 경화된 단단한 절연 기판이며, Prepreg는 부분적으로 경화된 수지가 열과 압력에 의해 층들을 접합하는 절연 재료이다. 일반적으로 두 재료 모두 유리섬유와 에폭시 수지로 구성된다.

2.3 Solder Mask와 Silkscreen

PCB가 흔히 초록색으로 보이는 이유는 구리 자체의 색이 아니라 표면을 덮는 Solder Mask 때문이다. Solder Mask는 외부 구리 패턴을 보호하고, 납땜 과정에서 원치 않는 부분에 납이 붙는 것을 줄이는 데 사용된다. 다만 부품을 납땜해야 하는 Pad 부위 등은 필요에 따라 노출된다.

Silkscreen은 부품 이름이나 위치, 방향 등을 표시하는 문자와 기호이다. PCB 표면에 적힌 R1, C1, U1 같은 표기가 대표적인 예다. 이 표시 자체가 전기를 전달하는 것은 아니다.

3. PCB에서 전기적 연결을 만드는 요소

PCB의 구리층에는 여러 형태의 패턴이 만들어진다. 그중 Trace, Pad, Via, Plane을 알면 PCB가 어떻게 연결되는지 이해하기 쉬워진다.

[그림 3] Pad와 Trace, 두 개의 Via를 이용한 층간 배선의 개념도.

3.1 Trace(배선)

Trace는 구리층에 가늘고 길게 형성한 도전성 경로이다. 예를 들어 SSD Controller에서 NAND Flash로 전달되는 제어 신호와 데이터 신호는 PCB에 마련된 Trace를 따라 이동한다. Trace는 단순히 두 지점을 이어 놓은 선처럼 보이지만, 실제로는 폭과 길이, 주변 구리층과의 거리 등에 따라 전기적 특성이 달라진다. 특히 고속 신호를 전달할 때는 배선의 배치가 중요하다.

3.2 Pad(접속부)

Pad는 전자부품의 단자를 PCB의 구리 배선과 연결하는 접점이다. 보통 부품의 단자를 Pad에 납땜하여 기계적·전기적으로 연결한다.

PCB 표면에 부품을 실장하는 SMD(Surface-Mount Device)용 Pad에는 일반적으로 부품 단자를 납땜할 수 있는 구리 영역이 형성된다. 반면 부품 다리를 구멍에 삽입하는 Through-Hole 방식에서는 금속 도금된 구멍을 가진 Pad가 사용될 수 있다.

3.3 Via(층간 연결부)

Via는 서로 다른 구리층을 연결하기 위해 만든 도금된 구멍 구조이다. 예를 들어 표면의 Trace가 기판 뒷면의 Trace로 이어져야 한다면 Via를 통해 배선이 이동할 수 있다.

여기서 주의할 점은 Via가 관통하는 모든 구리층과 반드시 연결되지는 않는다는 것이다. 연결할 필요가 없는 층에는 Via 주변에 절연 간격을 두어 접촉을 막는다.

3.4 Plane(넓은 구리 영역)

Plane은 특정 구리층의 넓은 영역을 전원 또는 접지 등 같은 전기적 연결에 할당한 구리 패턴이다.

대표적으로 GND Plane은 회로의 기준 전위와 신호의 복귀 전류 경로를 제공하며, Power Plane은 여러 부품에 전원을 분배하는 데 사용될 수 있다. Trace가 비교적 좁은 배선이라면 Plane은 넓은 면적을 활용하는 연결 구조라고 볼 수 있다.

다만 Plane이라고 해서 반드시 구리층 전체를 빈틈없이 채우는 것은 아니다. 다른 신호나 Via와의 간섭을 피하도록 필요한 절연 간격과 구리 영역의 분리가 설계된다.

[그림 4] PCB에 구획된 GND Plane, VDD Plane (https://server.ibfriedrich.com/wiki/ibfwikifr/index.php/Plusieurs_plans_de_masse_dans_une_couche)

4. PCB의 층수는 무엇을 의미할까?

PCB의 층수는 보통 전기적 배선에 사용할 수 있는 Copper Layer의 개수를 의미한다. 따라서 Solder Mask나 Silkscreen, Dielectric의 수를 더해 PCB 층수를 정하는 것은 아니다.

• 1층 PCB: 구리 배선층이 하나인 구조
• 2층 PCB: 기판의 앞면과 뒷면에 구리 배선층이 있는 구조
• 다층 PCB: 구리층이 세 개 이상인 구조로, 실제 제품에서는 4층이나 6층 등으로 구성하는 사례가 많음

예를 들어 4층 PCB는 다음과 같이 설계할 수 있다.

• Layer 1: Signal
• Layer 2: GND Plane
• Layer 3: Power Plane
• Layer 4: Signal

이 배치는 하나의 예시일 뿐이다. 실제로는 회로의 신호 속도, 전원 구조, 부품 배치에 따라 각 층의 역할을 달리할 수 있다. 또한 하나의 Copper Layer 안에 Trace와 부분적인 Plane이 함께 존재할 수도 있다.

[그림 5] 4층 PCB 단면과 Through Via의 연결 관계.

5. PCB에서 신호는 어떻게 이동할까?

SSD Controller가 NAND Flash에 데이터를 전달하는 상황을 생각해 보자. Controller의 출력 단자에서 나온 전기 신호는 먼저 PCB의 Pad에 전달된다. 이어서 Trace를 따라 이동하며, 다른 배선층을 거쳐야 한다면 Via를 통과한다. 마지막으로 NAND Flash와 연결된 Pad에 도달하여 수신 단자로 전달된다.

이때 PCB는 명령을 해석하거나 데이터를 저장하는 역할을 직접 수행하지 않는다. 그 일은 Controller와 NAND Flash 같은 반도체가 담당하며, PCB는 이들이 신호와 전력을 주고받을 수 있도록 물리적 경로를 제공한다.

결국 PCB는 전자부품을 고정하는 기판인 동시에, 부품들이 신호와 전력을 주고받을 수 있도록 전기적 연결 경로를 제공하는 구조이다.

참고자료

• KiCad Documentation, PCB Editor: https://docs.kicad.org/10.0/ko/pcbnew/pcbnew.html
• Altium, PCB Build-Up Basics: https://resources.altium.com/p/pcb-build-basics