PCB 설계에서 도금처리된 관통 홀 기술을 사용하는 이유는 무엇인가요?

기술에 있어서 우리는 결코 뒤돌아보지 않습니다. 때때로, 구식 기술이 쉽게 사라지지 않는 것처럼 보입니다. 전자 부품을 위한 도금된 관통 홀 장착 기술이 한 예입니다; 이러한 유산 부품들은 오늘날까지도 새로운 설계가 더 작은 부품을 요구함에도 불구하고 여전히 남아있는 것 같습니다.

하지만 정말 그렇게 간단한가요? 표면 실장 기술(SMT) 부품이 더 작고 PCB에서 더 컴팩트한 부품 배치를 가능하게 하는 것처럼 보일 때, 왜 인쇄 회로 기판(PCB)에서 관통 홀 기술을 사용할까요? 대부분의 설계 결정처럼, 각 유형의 부품을 사용하는 데에는 장단점이 있습니다. 시작하기 전에, 인쇄 회로 기판 PCB 설계 과정에서 관통 홀 장착 기술과 표면 실장 기술에 대해 간단히 설명해 보겠습니다.

관통 홀 부품이란 무엇인가요?

다른 모든 구성 요소와 마찬가지로, 도금된 관통 구멍 회로 기판 구성 요소도 대략적으로 활성 구성 요소와 수동 구성 요소로 나눌 수 있습니다. 각 유형의 구성 요소는 동일한 방식으로 보드에 장착됩니다. 설계자는 PCB 레이아웃에 관통 구멍을 배치해야 하며, 구멍 주변에는 납땜을 위한 패드가 표면 층에 있어야 합니다. 관통 구멍 장착 과정은 간단합니다: 구성 요소 리드를 구멍에 넣고 노출된 리드를 패드에 납땜합니다. 도금된 관통 구멍 회로 기판 구성 요소는 크고 견고하여 손으로 쉽게 납땜할 수 있습니다. 수동 관통 구멍 구성 요소의 경우, 구성 요소 리드가 상당히 길 수 있으므로 종종 장착 전에 더 짧은 길이로 잘립니다.

수동 관통 구멍 기술

수동 관통 구멍 구성 요소는 레이디얼과 액시얼의 두 가지 가능한 패키지 유형으로 제공됩니다. 액시얼 관통 구멍 구성 요소는 그 구성 요소의 대칭 축을 따라 전기 리드가 있습니다. 기본 저항기를 생각해 보세요; 전기 리드는 저항기의 원통형 축을 따라 있습니다. 다이오드, 인덕터 및 많은 커패시터도 같은 방식으로 장착됩니다. 모든 관통 구멍 구성 요소가 원통형 패키지로 제공되는 것은 아닙니다; 일부 구성 요소, 예를 들어 고전력 저항기는 패키지 길이를 따라 리드 와이어가 있는 직사각형 패키지로 제공됩니다.

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축 방향 스루홀 장착 구성 요소의 측면 뷰입니다.

한편, 방사형 구성 요소는 전기 리드가 구성 요소의 한쪽 끝에서 돌출됩니다. 많은 대형 전해 커패시터가 이런 방식으로 포장되어, 리드를 홀 패드를 통해 보드에 장착하면서 회로 보드 위의 공간을 적게 차지하도록 합니다. 스위치, LED, 작은 릴레이, 퓨즈와 같은 다른 구성 요소들도 방사형 스루홀 구성 요소로 포장됩니다.

방사형(왼쪽)과 축 방향(오른쪽) 전해 커패시터.

능동 스루홀 구성 요소

전자 공학 수업을 돌이켜보면, 듀얼 인라인 패키지(DIP) 또는 플라스틱 DIP(PDIP)를 사용한 집적 회로를 기억할 것입니다. 이러한 구성 요소는 개념 증명 개발을 위해 브레드보드에 장착되는 것으로 흔히 보이지만, 실제 PCB에서도 일반적으로 사용됩니다. DIP 패키지는 오피앰프 패키지, 저전력 전압 조절기 및 많은 다른 일반 구성 요소와 같은 활성 스루홀 구성 요소에 대해 일반적입니다. 트랜지스터, 더 높은 전력 전압 조절기, 석영 공진기, 더 높은 전력 LED 등과 같은 다른 구성 요소는 지그재그 인라인 패키지(ZIP) 또는 트랜지스터 윤곽(TO) 패키지로 제공될 수 있습니다. 축형 또는 방사형 패시브 스루홀 기술처럼, 이러한 다른 패키지도 PCB에 같은 방식으로 장착됩니다.

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스루홀 구성 요소는 설계자들이 전자 시스템을 기계적으로 안정적으로 만드는 데 더 관심을 가지고 있었고, 미학과 신호 무결성에 대해서는 그다지 신경 쓰지 않았던 시기에 등장했습니다. 구성 요소가 차지하는 공간을 줄이는 데에 대한 초점이 덜 했으며, 신호 무결성 문제는 걱정거리가 아니었습니다. 나중에, 전력 소비, 신호 무결성, 보드 공간 요구 사항이 중심 무대를 차지하기 시작하면서, 설계자들은 더 작은 패키지에서 동일한 전기적 기능을 제공하는 구성 요소를 사용해야 했습니다. 여기서 표면 실장 구성 요소가 등장합니다.

표면 실장 기술

현대의 PCB 디자인을 살펴보면, 표면 실장 구성 요소로 지배되는 보드를 쉽게 볼 수 있습니다. 새로운 디자인은 여전히 스루홀 구성 요소를 사용하지만, 이러한 구성 요소는 주로 많은 열을 발생시키는 전력 전자 및 기타 장치에서 더 자주 사용됩니다. 표면 실장 기술은 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소 패키지 기술입니다. 이러한 유형의 구성 요소는 전기적 리드를 위해 핀을 사용하지 않습니다. 대신, 리드는 구성 요소의 같은 쪽에 작은 금속 패드로 나타납니다. 이 패드의 주요 목적은 조립 중 PCB 표면에 직접 납땜할 수 있도록 하는 것입니다.

표면 실장 기술에서 패드를 사용하는 것은 관통 구멍 기술에 비해 특정 장점을 제공하는데, 이는 아래에서 논의될 것입니다. 또한, 더 작은 패드 크기와 전체 구성 요소 크기로 인해 이러한 구성 요소는 덜 두드러진 기생 소자를 가지게 됩니다. 이는 신호 무결성 문제를 시작하기 전에 더 높은 속도/주파수에서 작동할 수 있게 합니다.

예전 PC를 기억한다면, 패키지 하단에 핀 배열이 있는 펜티엄 프로세서를 기억할 것입니다. 이러한 유형의 패키지를 핀 그리드 배열(PGA)이라고 하며, 더 현대적인 랜드 그리드 배열(LGA) 패키지와 유사합니다. PGA 구성 요소는 관통 구멍 구성 요소처럼 보일 수 있지만, 보드에 구멍에 납땜되지 않습니다. 대신, 보드에 납땜되는 표면 실장 패키지에 꽂힙니다. 이를 통해 필요한 경우 PGA 구성 요소를 쉽게 교체하거나 업그레이드할 수 있습니다.

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관통 구멍 대 표면 실장 비용

표면 실장 부품은 일반적으로 동일한 기능을 가진 관통 구멍 부품보다 작습니다. 그러나 이것이 제조에 사용되는 원자재가 적다는 이유로 표면 실장 부품의 비용이 항상 더 저렴하다는 것을 의미하지는 않습니다. 표면 실장 부품 자체의 가격은 동일한 관통 구멍 부품과 비슷할 수 있습니다. 그러나 부품당 자동 조립 비용을 고려하면, 동일한 부품 값, 전력/전압 등급 및 허용 오차를 가진 표면 실장 부품의 총 비용은 관통 구멍 부품보다 저렴하게 됩니다.

이 차이는 PCB에 구멍을 뚫는 데 필요한 관통 구멍 부품 배치가 공구 비용을 발생시키기 때문에 생깁니다. 반면, 표면 실장 부품에는 드릴링이 필요하지 않아 비용 차이가 발생합니다. 이 모든 것은 표면 실장 부품이 더 작고, 더 빠르며, 더 저렴하다면 왜 관통 구멍 장착 기술을 전혀 사용하는지에 대한 질문을 불러일으킵니다. 답변은 PCB 설계의 사용 사례에 따라 달라집니다. 네, 관통 구멍 PCB 기술은 오래되었고, 크며, 비싸지만 일부 장점이 있습니다.

관통 구멍 기술: 장점과 단점

장점	단점
프로토타이핑에 더 쉬움	드릴링으로 인한 높은 보드 비용
강한 물리적 연결	보드 공간을 더 많이 차지함
열 내성	PCB 조립 과정이 더 복잡함
전력 처리 능력	속도가 느림

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표면 실장 기술: 장단점

장점	단점
작은 크기 → 더 조밀한 보드	PCB에 대한 물리적 연결이 약함
감소된 기생성 → 높은 속도에서도 안정적	열 내성이 낮음
더 빠르고 저렴한 조립	낮은 전력 처리 능력
드릴링 없음 → 보드 제작 비용 절감	DFM: 묘비현상, 팝 코너링 등

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두 PCB 설계 기술을 비교할 때, 표면 실장이 왜 우세한지 쉽게 알 수 있습니다. 표면 실장 부품은 더 작고, 저렴하며, 더 높은 속도로 작동할 수 있습니다. 이는 특히 IoT 기기, 새로운 무선 기기, 웨어러블과 같은 혼합 신호 및 아날로그 중심 애플리케이션에서 중요합니다. 네트워크 속도가 증가하고 새로운 기기가 더 높은 데이터 속도로 작동함에 따라, 표면 실장 부품은 일반적으로 스루홀 부품으로 대체될 수 없기 때문에 계속해서 등장할 것입니다.

스루홀 구성 요소와 PCB 레이아웃에서 생성되는 기생성분의 문제는 매우 견고해야 하면서도 GHz 대역까지 운용할 필요가 있는 자동차, 항공우주 및 군사 제품에 대한 도전을 만듭니다. 스루홀 구성 요소가 mmWave 주파수에서 연결 손실을 증가시킬 수 있는 많은 도전이 있습니다. 그러나 이러한 응용 분야에서는 운용 중에 납땜 지점이 실패할 가능성이 적기 때문에 스루홀 구성 요소가 선호됩니다. 이 분야에서는 여전히 많은 혁신이 일어날 수 있습니다.

기술 리더들은 또한 연결된 사회를 향해 나아가고 있으며, PCB 디자인에서 크기는 중요합니다. 유비쿼터스 컴퓨팅, IoT 또는 우리 모두가 갈망하는 "주변 지능"을 위한 추진력은 보드 자체를 포함하여 점점 더 작은 구성 요소를 만드는 것입니다. 작은 구성 요소는 더 작은 보드를 가능하게 하여 거의 모든 형태의 인쇄 회로 기판을 구축할 수 있습니다. 작은 크기는 제조 비용을 낮춥니다. 저렴한 구성 요소와 보드는 최종 고객에게 비용 절감을 제공합니다.

스루홀 장착 기술은 프로토타이핑 및 테스트에 적합합니다. 인쇄 회로 기판에서 구성 요소를 쉽게 교체할 수 있기 때문입니다. 보드를 디자인하기 전에도 스루홀 기술로 디자인을 브레드보드할 수 있습니다.

프로토타이핑 및 테스팅 외에도, 스루홀 구성 요소는 보드의 상단과 하단에서 모두 납땜되기 때문에 보드에 매우 강한 물리적 결합을 가집니다. 이로 인해 스루홀 장착 기술을 사용하는 보드는 매우 내구성이 뛰어나며, 이는 부분적으로 군사 및 항공우주 분야에서 사용되는 이유입니다. 또한, 고온에 대한 내성이 높습니다. 스루홀 기술은 광고판이나 경기장의 LED 조명에서부터 다양한 곳에서 찾아볼 수 있습니다. 스루홀 LED는 매우 밝고 내구성이 뛰어나 외부 환경을 견딜 수 있습니다.

또한, 산업용 기계 및 장비를 살펴보면, 거의 전적으로 스루홀 구성 요소를 사용하여 제작된 많은 보드를 찾을 수 있습니다. 이 역시 온도의 극단적 변화나 고전력 소비와 같은 가혹한 운영 조건 때문입니다. 스루홀 기술은 오래되었고 구식으로 보일 수 있지만, 오늘날 연결된 세계에서 그 물리적 내구성과 강도를 위해 사용될 목적과 가치가 있습니다.

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