데스크톱 제조 기계, PCB 생산을 대중화하다

데스크톱 밀링 머신으로 생성된 회로 기판. (출처: Green Shoe Garage)

최근 몇 년 동안 디지털 엔지니어링, 신속한 프로토타이핑, 단기 생산 및 DIY 전자 제품 운동에 대한 수요로 인해 데스크톱 회로 기판 제조 기계에 상당한 혁신이 이루어졌다. 이 기기들은 애호가들은 물론 연구원 및 소규모 생산자들이 회로 기판을 직접 설계, 반복 및 제작할 수 있으므로 컨셉트에서 작동하는 프로토타입까지 걸리는 시간을 대폭 단축할 수 있도록 해준다. 데스크톱 제조 기계의 가장 큰 장점은 기판 처리 속도이지만, 이러한 기기들을 선택할 때 고려해야 할 다른 사항도 많다. 데스크톱 회로 기판 제조에 사용할 수 있는 기계는 수천 달러에서 수만 달러까지 다양하며, 비용은 이러한 선택에 있어 중요한 요인이다. 물론 비용 차이는 다양한 등급의 기계에서 사용 가능한 기능과 기본 기술에 따라 달라진다. 이 글에서는 데스크톱 기판 제조와 기존 제조 기술의 몇 가지 차이점에 대해 중점적으로 알아볼 것이다. 또한 데스크톱 회로 기판 제조를 위해 시중에 나와 있는 다양한 기계 카테고리와 디지털 도구에 대해서도 살펴볼 것이다.

데스크톱 컴퓨터를 사용하여 회로 기판을 현장에서 제조하면 많은 이점이 따른다. 물론 단점도 있다. 기판 레이아웃이 기존 회로 기판 제조 인프라를 위해 처음 만들어진 경우 상당한 변경이 필요할 수 있다. 먼저 회로 기판 제조에 데스크톱 컴퓨터를 사용할 때 얻을 수 있는 몇 가지 이점을 살펴보자.

• 비용 효율적인 프로토타이핑: 대형 제조사들에게 아웃소싱하는 대신 기업과 개인이 적은 비용으로 소량의 PCB를 생산할 수 있다.
• 신속한 프로토타이핑: 반복 주기가 훨씬 빨라진다. 외부 제조사들을 기다릴 필요 없이 사내에서 설계를 테스트하고 수정할 수 있다. 리드 타임이 단축되므로 배송을 기다리거나 외부 제조사들로 인해 발생할 수 있는 지연에 대처할 필요가 없다.
• 편의성: 현장의 기계는 즉각적인 조정이 가능하고 서드파티 제조사들과의 커뮤니케이션에 따른 물류 문제를 줄여준다.
• 학습 기회: 교육 기관과 애호가들에게 PCB 제조에 대한 실습 경험을 제공하여 프로세스에 대한 이해를 높일 수 있다.
• 지적 재산에 대한 통제: 프로토타이핑 프로세스를 사내에 유지하면 지적 재산과 민감한 설계가 유출되지 않도록 보호할 수 있다.
• 맞춤화: 소규모 생산을 통해 대형 제조사들에서 흔히 부과하는 제약 없이 보다 정교한 맞춤화가 가능하다.

물론 모든 엔지니어링 결정에는 긍정적인 결과와 부정적인 결과가 모두 따른다. 데스크톱 회로 기판 제조 기계를 활용하기로 결정할 때는 여러 가지 차이점과 잠재적인 단점을 알고 있어야 한다. 여기에는 다음과 같은 요인들이 포함된다.

• 제한적인 확장성: 데스크톱 머신은 대규모 생산용으로 설계되지 않았다. 대량 제조의 경우 대형 산업용 기계 또는 아웃소싱이 여전히 필요하다.
• 품질 편차: 데스크톱 컴퓨터에서 생산되는 PCB의 품질은 특수 산업 등급 장비에서 생산되는 품질과 항상 일치하지 않을 수 있다.
• 재료의 제약: 데스크톱 컴퓨터는 작업할 수 있는 재료 유형에 제한이 있거나 모든 유형의 PCB 재료에 최적화되지 않을 수 있다. 단면 및 양면 구리 피복 기판 FR-1 및 FR-4는 주로 엔트리 레벨 기계에 사용된다.
• 유지보수: 모든 기계와 마찬가지로 데스크톱 PCB 기계는 정기적인 유지보수가 필요하며, 이는 시간이 많이 걸리고 전문 지식이 필요할 수 있다.
• 공간 요구 사항: 데스크톱용으로 설계되었지만 이 기계는 여전히 공간을 차지하며 최적의 작동을 위해 특정 환경 조건이 필요할 수 있다.
• 초기 투자: 장기적으로는 비용 효율적이지만 기계를 구매할 때에는 초기 비용이 상당히 든다.
• 숙련도: 기계의 올바른 작동, 유지보수 및 문제 해결을 위해서는 트레이닝과 경험이 필요하다.
• 제한된 기능: 모델에 따라 일부 데스크톱 컴퓨터는 다층 PCB 생산, 미세 피치 부품이나 고급 표면 마감과 같은 고급 기능을 지원하지 않을 수 있다.

데스크톱 회로 기판 제조에 적합한 엔지니어링 도구는 여러 가지 유형이 있다. 요구 사항과 재정 상황에 맞는 기계를 선택하려면 그 맥락을 이해해야 한다. 데스크톱 회로 기판 제조에 사용되는 가장 일반적인 디지털 엔지니어링 도구 몇 가지를 살펴보자.

밀링 머신은 회전식 커팅 비트를 사용하여 PCB 블랭크에서 재료를 제거하여 회로 트랙을 생성한다. 데스크톱용으로 가장 대중적인 PCB 밀링 머신으로는 Bantam Tools(구 OtherMill)의 데스크톱 CNC 밀링 머신과 Makera Carvera가 있다. 이 두 제품들은 회로 기판 생산에 이상적인 빠르고 안정적인 기기들로, 사용자 친화적인 기계를 제작하여 PCB를 매우 미세한 트레이스까지 밀링할 수 있어 SMD 부품에 적합하다. 일반적으로 밀링 작업에는 구리 피복 FR-1 및 FR-4 기판이 사용된다. 단점으로는 밀링은 공정의 절삭 특성으로 인해 더 많은 재료를 소비한다는 점을 들 수 있다. 밀링 작업 시에는 소음이 발생하고 잔해물이 발생할 수도 있다.

밀링 머신의 감산 방식과 달리 회로 기판 프린터는 전도성 잉크를 기판에 증착하여 회로 패턴을 생성하는 적층 방식을 채택한다. 시장에서 대중적인 장비로는 PCB를 인쇄할 뿐만 아니라 솔더 페이스트와 리플로우 부품을 분배할 수 있어 포괄적인 데스크톱 PCB 생산 솔루션 Voltera V-One이 있다. BotFactory Squink는 회로를 인쇄하는 것 외에도 부품을 배치하고 잉크를 경화할 수 있어 데스크톱에서 완전한 기판을 생산할 수 있는 또 다른 혁신적인 PCB 프린터이다. PCB 프린터의 가장 큰 장점은 생산 과정에서 발생하는 이물질이 거의 없어 매우 깨끗하다는 것이다. 여기에 언급된 특정 기계는 소량 PCB 제조를 위해 거의 원스톱 상점으로 만들 수 있는 추가 기능을 제공한다. PCB 프린터의 단점 중 하나는 전도성 잉크가 기존의 에칭된 구리만큼 견고하지 않을 수 있다는 점이다. 또한 프린트 헤드의 해상도로 인해 트레이스와 패드가 더 큰 크기로 제한될 수 있으므로 매우 미세한 피치 부품에는 프린터가 적합하지 않을 수 있다.

또 다른 종류의 CNC 기계에는 레이저 에칭기와 커터가 있다. 레이저 커터는 PCB 제조를 위해 특별 제작된 것은 아니지만, PCB에서 불필요한 구리를 에칭하거나 PCB 재료 자체를 절단하는 데 사용될 수 있다. 최근 레이저 기술의 발전으로 비용이 절감되고 있으며, 레이저는 매우 세밀한 정밀도와 결합하여 PCB 생산에 인기를 얻고 있다. 레이저 커터는 작업장의 작업대에서 점점 더 많이 사용되고 있으며 회로 기판 제작에 적합한 매우 미세한 디테일을 만들 수 있다. LPKF Laser & Electronics 및 Glowforge와 같은 회사들은 간단한 PCB에서 RF 회로에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 적합한 다양한 레이저 기반 PCB 프로토타이핑 기계를 제공한다. 레이저 기술의 가장 큰 장점은 가장자리를 깔끔하게 처리할 수 있는 높은 정밀도이다. 이 기능은 매우 미세한 부품이나 트레이스에서 빛을 발한다. 또한 레이저는 에칭과 절단 작업에 모두 적합하다. 이와 같은 레이저 커터의 긍정적인 측면들과는 달리 대비되는 점으로는 레이저를 사용할 때 발생하는 명백한 안전 문제를 꼽을 수 있다. 절단 볼륨에서 연기를 빠르고 안전하게 추출하려면 HEPA 등급 필터가 필요하다. 레이저 커터는 에칭 공정에서 발생하는 연기에 취약하며 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 마지막으로 레이저 커터, 특히 고출력 커터는 다른 수단에 비해 가격이 대개 비싸다.

PCB 제작은 전체 과정의 일부분일 뿐이다. 작동 시스템을 구현하려면 전자 부품을 회로 기판에 부착해야 하며, 이를 통해 조립된 인쇄 회로 기판(PCBA)이 생성된다. PCB 제조 하드웨어 외에도 리플로우 오븐 및 픽 앤 플레이스 기계는 PCB에서 PCBA로 전환하는 데 필요한 추가 장비이다. Neoden과 같은 일부 회사들은 회로 기판 생산 공정의 여러 단계를 통합하는 포괄적인 PCBA 솔루션을 갖춘 기계를 제공하기도 한다. Neoden은 소량이지만 전문적인 PCBA 제조를 위한 데스크톱 제품군을 제공한다. Neoden FP2636 스텐실 프린터는 PCB에 납땜을 적용하기 위한 안정적이고 반복 가능한 메커니즘을 제공한다. Neoden YY1은 릴에서 PCB로 부품을 이동하기 위한 데스크톱 픽 앤 플레이스 제품이다. 마지막으로, Neoden IN6는 리플로우 납땜을 제공한다. 이 기기들을 모두 결합하면 단순한 PCB 생산을 넘어 완전한 기판 조립으로 전환하려는 사람들에게 최고의 퍼포먼스를 선보일 것이다. 이와 같은 기기들은 제조 공정을 간소화하는 원스톱 솔루션이지만 가격은 수천 달러에 불과하기 때문에 전문적인 제작자의 영역에서 완전히 벗어난 것은 아니라고 할 수 있다. 하지만 이는 물리적, 전기적으로 더 큰 설치 공간을 필요로 하는 경향이 있기 때문에 데스크톱 제조에 대한 정의가 확장된다.

데스크톱 회로 기판 제조 기기의 확대로 PCB 프로토타이핑 및 생산에 대한 접근이 대중화되었다. 정밀도, 속도, 다양성 또는 절삭이나 적층과도 같은 생산 특성 등 특정 요구 사항에 따라 이 같은 요구 사항에 맞는 기기들이 보급되고 있다. 기술이 발전함에 따라 속도, 경제성 및 기능이 더욱 향상되고 있기 때문에 향후에는 모든 사람들이 사내 PCB 생산에 지속적으로 액세스할 수 있을 것으로 예상된다.