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기판
기판(基板, substrate)의 원래의 정의는 주로 전자/전기 계열에서 부품을 납땜하고 각 부품 사이를 연결할 수 있게 해주는 판을 말한다. 특성상 거의 모든 전자제품에 들어간다.
목차
개요
기판은 전기회로가 편성되어 있는 판을 말한다.
절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연재료를 말하며 프린트·배선판 및 절연기판의 총칭이다. 표면에 구리의 박(箔)으로 배선이 되어 집적회로나 저항 등의 전기 부품을 장치해 사용하는 합성수지판을 프린트 기판이라고 한다.
또 집적회로나 고밀도 집적회로 등의 회로가 복사되어 있는 실리콘의 단결정판(單結晶板)도 기판이라고 한다. 이것은 기판의 위, 또는 내부에 임의의 회로 소자를 구성하거나 구성할 수 있는 물체이다. 임의의 회로소란 능동소자인 경우도 있고, 수동소자인 경우도 있는데, 반도체 집적회로의 실리콘 박편 등이 기판의 예이다.
종류
기판의 종류는 분류에 따라 수십가지로 나뉘기 때문에다 설명할 순 없고 여기서는 학부수준에서 자주 써볼 수 있는 기판만 설명한다.
인쇄 회로 기판
인쇄 회로 기판(印刷回路基板, printed circuit board, PCB)는 전자공학에서 저항기, 콘덴서, 집적 회로 등 전자부품을 인쇄 배선판의 표면에 고정하고 부품 사이 구리 배선으로 연결해 전자회로를 구성한 판이다.
기계적 지원에 사용되고 동 기판에서 비전도 "기판"으로 습식 식각한 전도선이나 신호선을 사용하여 전기적으로 전자부품을 연결한다. 대체 명칭으로 인쇄 와이어 본딩(PWB)과 식각 와이어 본딩으로도 불린다. 전자부품이 "부착된" 보드는 인쇄 회로 조립(PCA)이라고도 불리며, 인쇄 회로 기판 조립(PCBA)이라고도 알려져 있다.
인쇄회로기판은 튼튼하고 저렴하며 높은 신뢰성 있다. 많은 배치 노력이 필요하고 전선 연결이나 접점간 구성보다 초기비용이 비싸지만, 훨씬 저렴하고 빠르며 높은 생산성을 유지한다.
물리적 배치
대부분의 인쇄회로기판은 1개에서 24개의 전도판으로 구성되는데, 각 전도판은 함께 (가열이나, 압력 & 가끔 진공으로 붙여) 적층된 유전체 층 (substrate)에 의해 전기적으로 분리되고 구조적으로 지탱된다.
각 층의 전도체들은 비아 (via) 라고 불리는 천공홀을 통하여 연결될 수 있다. 전기적 연결을 형성하기 위해서, 홀은 전기 도금되거나 작은 리벳이 삽입된다. 일반적으로 각각의 홀이 모든 층의 전기적 연결에 사용되지는 않지만, 보통 공정이 쉬운 "스루-홀 (through-hole: 인쇄회로기판 전체를 통과하는) 비아" 형태로 구현된다. 고밀도 인쇄회로기판에서는 "블라인드 (blind: 적층 기판의 한쪽 면에서만 보이는) 비아"나 "배리 (buried: 적층 기판 내부에 파묻혀 양쪽면 모두 볼 수 없는) 비아" 등이 구현되기도 한다.
형태
Rigid (경직성) / Flexible (유연성) / 두가지를 조합한 R-F(Rigid-Flexible) PCB로 나뉜다.
회로가 몇 층 겹쳐 있느냐에 따라 단면, 양면, 4층, 6층, ...(n x 2)층 PCB 등으로 불려지고, 3층 이상 (다층)부터는 Rigid 보드 제작에 일반적으로 사용되는 원자재(FR-4)의 특성상 홀수 층의 PCB가 거의 없다. Flexible PCB의 층 수는 상기 규칙의 예외. 이렇게 여러장의 기판을 겹쳐서 다층으로 만들게 되면 회로의 입체적 설계가 가능해진다. 예를 들어 2장의 기판이 겹쳐져 있으면 1층의 트레이스를 2층으로 이동시켜 1층의 다른 트레이스로 점프해서 피해갈 수 있게 된다.
당연히 층수가 많아질수록 그만큼 복잡한 회로를 작은 공간에 구현할 수 있게 되지만 가격은 상승한다. 현재 컴퓨터 메인보드에 사용하는 기판은 대다수가 6층 기판. 그래픽카드 등에는 8층이나 10층이 대세이다. 상업용으로 쓰는 네트워크 장비에는 수십층짜리 PCB 기판이 쓰인다. 칩간의 통신에 시리얼 방식이 많이 사용되면서 양면으로 충분한 경우도 많다.
만능기판
격자 모양으로 구멍이 나 있는 기판이다. 만능이라고 해서 PCB보다 우월하게 느껴질 수도 있겠지만 부품간 배선을 위해서는 일일이 접점 간에 전선을 납땜해야 한다. 뒷면에 전선이 수북하게 올라오는 건 예사로 벌어지고 이 전선들이 상호 간섭을 일으켜 멀쩡한 회로가 알 수 없는 오류가 나는 등 문제가 너무 많아 연습용 이외에는 쓸모가 없다시피 한다. 물론 배선 잘하는 사람은 이쁘게 잘 정리할 수 있지만 어쨌든 이거 납땜하고 있을 시간에 PCB회로를 설계해서 업체에 맡기는게 더 빠르고 더 스트레스 덜받고 경우에 따라서는 돈도 덜 든다. 굳이 근성으로 납땜하겠다면 말리진 않는다. PCB보다 회로 수정하기는 훨씬 쉬우니까.
하지만 진짜로 딱 한 대만 만들 생각이거나 프로토타입을 만든다거나 할 때에는 매우 쓸모있다. PCB는 설계를 변경할 때마다 기판을 새로 떠야 하지만 만능기판은 선 몇개 끊고 잇고 하면 회로가 바로 변경된다. 근성이 돋보이는 엔지니어는 3차원 회로구성을 선보이기도... 다만 인두기를 자주 갖다 대면 동판이 떨어져 나가 그 자리는 납이 안붙는 참사가 일어날 수 있다.
브레드보드(일명 빵판)
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여담으로 인쇄 회로 기판이 상용화되기 이전인 20세기 초반에는 나무나 페놀(베이클라이트) 소재의 원시적인 기판을 사용하였다. 배선 또한 수작업으로 해야 했다.
프로토타이핑 보드의 일종으로 2.54mm (0.1인치) 간격으로 구멍이 나있는 플라스틱으로 된 틀 아래에 전류가 흐를 수 있는 라인이 배치된 형태가 일반적이다. 일반적인 인쇄 회로 기판(PCB)나 만능기판과는 다르게 납땜이 필요없는 형태의 기판으로 주로 교육용이나 간단한 전자회로 실험용 등으로 쓰인다.
사진의 브레드보드는 구멍 다섯 개짜리 부분은 사진 상 세로로(abcde, fghij), 구멍 두 개짜리 부분은 가로로(빨강, 파랑) 회로가 연결돼있다. abcde줄과 fghij줄은 서로 분리되어 있고 주로 이곳에 부품을 꽂는다. 빨강 파랑 부분은 다섯 개 단위로 떨어져 있으나 줄을 따라서 전부 연결되어 있어 전원(DC)을 공급하는 데 사용된다. 뜯어보면 멀티탭의 콘센트 접점처럼 긴 구리판을 반 접어서 그 틈새에 끼워 쓰는 구조로 만들어져 있다.
장점
- 부품 재활용: 납땜이 필요하지 않는 관계로 부품이나 브레드보드 자체가 고장나지 않는 이상 계속해서 재사용할 수 있다. 교육기관에서 자주 쓰이는 이유 중 하나.
- 시간 절약: PCB는 개인이 만들기에는 고난이도고 만능기판에 납땜으로 배선을 까는 방식은 은근히 시간이 많이 걸린다. 하지만 브레드보드는 그냥 점프선으로 쭉쭉 연결시키면 회로를 만들 수 있다.
단점
- 비효율성: 회로를 구성하는 방향의 문제로 만능기판에 부품을 배치해서 납땜하는 식으로 만들면 작게 만들 수 있는 회로도 브레드보드에 구성하면 너무 커지는 경우가 많다. 또한 브레드보드 특성상 부품 간을 이어주려면 필연적으로 점퍼선이 많이 필요해지는데 점퍼선을 많이 사용하다 보면 소자를 건들기 힘들 정도로 점퍼선으로 소자가 덮이는가 하면 우발적으로 뽑히거나 전기적 노이즈에 의한 간섭 현상 등 수 많은 트러블이 발생한다.
- 화재위험: 사용하는 환경 특성상 전선 조각이나 납가루 같은 게 브레드보드 접점 사이에 끼거나 내부 동판이 휘어서 옆부분과 접촉하는 등으로 합선 및 그로 인한 화재 위험이 있다. 브레드보드 내부에서 합선이 일어나면 디버깅도 어렵다.
- 부품 사용의 제약: QFP나 SMD형태의 부품은 별도의 변환 도구가 없는 이상 사용이 불가능하다. 이 때문에 사용 가능한 부품은 다리를 자유롭게 꽂을 수 있는 기초소자와 SIP/DIP 패키징 된 IC칩 정도로 제한된다. 그나마도 일반적인 크기의 브레드보드는 IC칩은 많아야 3개 정도 꽂는 게 한계다. 기초소자도 10개 이상은 배치가 어렵다. 또한 다리가 너무 굵은 부품은 별도의 전선을 납땜하지 않는 한 꽂을 수 없다.
- 간섭현상: 라디오 등과 같이 높은 주파수를 사용하는 회로를 만들 때 근처에 꽤 많은 간섭현상을 일으킬 수 있다. 점퍼선들이 일종의 안테나 역할을 하며, 줄과 줄 사이에 수 pF 정도의 기생 커패시턴스가 있기 때문이다. 따라서 시뮬레이션과는 다른 결과를 보이기도 한다. 간섭현상에 예민하거나 10MHz 이상의 주파수를 다루는 회로는 별도의 기판을 사용하는 것이 권장된다. 220V가 직결되는 회로나 모터 드라이버 같이 대전력을 사용하는 회로를 브레드보드로 구성해서는 안 된다. 같은 이유로 브레드보드에는 전류 제한 기능을 가진 전원장치(SMPS) 사용이 권장된다. 감전 위험이 있는 220V 전원 또는 리튬폴리머/리튬이온 배터리팩이나 납 축전지와 같이 고전류를 막 뿜어내는 전원을 그냥 사용하면 대단히 위험하다. 참고로 브레드보드의 최대 허용 전류는 1A 정도이며, 이를 초과하면 전기가 흐르는 부분이 녹을 수 있어 절대로 초과하면 안 된다.
- 접촉불량: 굵은 다리와 가는 다리를 가진 소자를 같은 줄에 끼우면 가는 다리 소자가 접촉이 안 돼있는 경우가 있다. 특히 한 줄의 구멍 다섯 개를 전부 사용하는 경우 이런 접촉불량이 잘 발생한다. 또한 너무 굵은 부품 다리를 무리하게 끼우려 시도하면 접점이 벌어지게 되어 해당 줄은 사용이 어렵게 될 수 있다.
참고자료
같이 보기
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