PCB의 캐스텔레이티드 홀이란 무엇인가요?

PCB 제조는 엄청난 기술 발전을 거쳤습니다. 현대 설계자들은 고객의 요구에 맞춰 새로운 PCB를 장착하는 데 있어 다양한 발전을 이루었습니다. 이전에는 도금된 관통 홀과 비아를 사용하여 여러 층의 PCB를 상호 연결했습니다. 그러나 이는 PCB와 PCB를 상호 연결하는 데 충분하지 않았습니다.

 설계 과정에서 기존 PCB를 빌려와 설계에 통합하여 아이디어를 완성함으로써 특정 기능을 구현할 수 있다는 것을 알게 됩니다. 예를 들어, Wi-Fi 연결과 관련된 IoT 프로젝트를 진행하는 경우, Wi-Fi 회로를 처음부터 설계할 필요는 없습니다. ESP32-WROOM-32E와 같이 쉽게 구할 수 있는 모듈을 빌려오면 충분합니다. 하지만 Wi-Fi 모듈이 설계에 어떻게 연결되는지 궁금할 것입니다. 바로 이 문제를 해결하기 위해 캐스텔레이티드 PCB가 등장했습니다. ESP32-WROOM-32E는 캐스텔레이티드 기술을 적용한 PCB 모듈의 한 예입니다. 이 글에서는 캐스텔레이티드 PCB를 소개하고 자세히 이해하는 데 도움을 드리겠습니다.

그림 1: ESP32-WROOM-32E 모듈 (캐스텔레이티드 홀 포함)

캐스텔레이티드 PCB란 무엇인가요?

캐스텔레이티드 PCB는 캐스텔레이티드 홀이라고 하는 고유한 장착 구멍으로 설계된 PCB입니다. 캐스텔레이티드 홀은 PCB 가장자리에 위치합니다. 이 홀을 통해 설계자는 기판 간 납땜(Board-to-Board Soldering)이라는 공정을 통해 다른 PCB 위에 PCB를 장착할 수 있습니다. 관통 홀이나 비아와 마찬가지로, 캐스텔레이티드 홀은 전도성을 향상시키기 위해 도금됩니다. 캐스텔레이티드 홀은 일반적으로 관통 홀을 반으로 자릅니다. 표면 실장 기술을 사용할 때 이러한 특징이 더 선호됩니다.

그림 2: PCB 주변부의 캐슬레이트 홀

캐슬레이트 구멍이 있는 PCB는 다음과 같은 다양한 이점을 제공하여 여러 용도로 사용할 수 있습니다.

·       호스트 PCB에 모듈 통합: GPRS, GPS, Wi-Fi 및 Bluetooth와 같은 다양한 모듈에는 캐스텔레이션 구멍이 있어 가능합니다.

·       프로토타입 제작 과정: 캐슬레이트 구멍을 사용하면 설계자와 혁신자에게 제품 테스트, 프로토타입 제작 및 조립이 간소화됩니다.

·       PCB 소형화 가능성: 캐슬레이티드 PCB의 등장으로 제한된 공간에 장착할 수 있는 모듈을 개발하여 PCB 크기를 줄일 수 있게 되었습니다.

·       향상된 PCB 내구성: 캐슬레이티드 홀은 PCB의 기계적 구조를 개선하여 내구성을 더욱 높였습니다.

·       향상된 전기적 안정성: 캐스텔레이티드 홀이 있는 PCB는 전기적 특성이 더 우수합니다. 도금된 캐스텔레이티드 홀은 PCB 간 상호 연결을 개선하여 전기적 안정성을 향상시킵니다.

Castellation PCB의 Castellation 유형

캐스텔레이션 PCB의 캐스텔레이션은 전체 캐스텔레이션, 부분 캐스텔레이션, 계단형 캐스텔레이션으로 분류할 수 있습니다.

풀 캐스텔레이션

PCB의 완전한 캐스텔레이션은 PCB 가장자리에 배치된 도금 관통 구멍을 반으로 나누어 형성됩니다. 이렇게 하면 완전히 도금된 반원형 구멍이 형성됩니다(그림 2 참조). 완전한 도금은 기계적 견고성과 전기적 연속성을 향상시키기 위한 것입니다.

완전한 캐스텔레이션을 형성하기 위해 PCB 가장자리 근처에 완전한 구멍을 뚫습니다. 가장자리는 밀링 가공하여 관통 구멍의 절반을 그대로 유지합니다. 마지막으로, 형성된 전체 형상에 구리 도금을 합니다.

풀 캐스텔레이션은 다음 영역에서 사용됩니다.

·       PCB 엣지 솔더링: 때로는 설계자나 제조업체가 SIM800L 셀룰러 모듈, ESP32 WI-FI 모듈 등의 모듈을 호스트 PCB에 부착하고 싶을 때 전체 캐스텔레이션이 도움이 됩니다.

·       접지: 풀 캐스텔레이션은 전자파 및 무선 주파수 간섭이 우선시되는 구역에서 차폐막으로 사용됩니다.

·       전기적 상호 연결: 전체 캐스텔레이션은 전기적 연속성을 보장하여 적층 가능한 보드를 제조하는 데 적합합니다.

·       프로토타입 제작 및 테스트: 프로젝트의 초기 설계 과정에서 프로토타입은 PCB 성능을 테스트하거나 테스트 중에 도움이 될 수 있는 외부 PCB를 연결하기 위한 테스트 포인트를 제공하는 풀 캐스텔레이션 기술을 사용합니다.

부분적 성벽화

부분 캐스텔레이션은 전체 캐스텔레이션을 차용한 것입니다. 차이점은 부분 캐스텔레이션의 경우 U자형 음각이 완전히 도금되지 않는다는 것입니다. 이 유형의 캐스텔레이션은 깊이도 얕습니다. 전체 캐스텔레이션과 달리 PCB 두께 전체를 절단하지 않습니다.

부분 캐스텔레이션은 다음과 같은 PCB에 사용됩니다.

·       공간 제약: 일부 PCB는 공간이 제한되어 있어 완전한 캐스텔레이션이 불가능합니다. 이 시점에서는 부분적인 캐스텔레이션이 필요합니다.

·       덜 중요한 상호 연결: 부분 캐스텔레이션은 견고한 기계적 연결이 중요하지 않은 경우에 사용됩니다. PCB 비용을 절감할 수 있기 때문에 선호됩니다.

·       유연 회로 신호 포인트: 부분 캐스텔레이션은 약한 신호에 대한 앵커 포인트를 제공하므로 유연 회로에 사용됩니다.

계단식 성벽

엇갈린 캐스텔레이션은 PCB 가장자리를 따라 불규칙하게 배치된 구멍을 통해 절반씩 도금된 형태입니다. 각인 깊이, 높이, 위치가 균일한 전체 캐스텔레이션이나 부분 캐스텔레이션과 달리, 엇갈린 캐스텔레이션은 유사한 특징을 가지면서도 다양한 변형을 가집니다. 캐스텔레이션은 전체 또는 부분적으로 도금될 수 있습니다.

계단식 성벽은 다음 영역에서 사용됩니다.

·       HDI: HDI(고밀도 상호 연결) PCB는 제한된 면적에 많은 부품을 집적합니다. 이러한 다층 PCB는 상호 연결 면적이 제한적입니다. 상호 연결을 보장하기 위해 엇갈린 캐스텔레이션(staggered castellation)이 사용됩니다.

·       브레이크아웃 보드: 계단형 캐스텔레이션은 동일한 보드의 강도를 방해하지 않고 언제든지 연결이 필요할 수 있는 모듈형 PCB에 적용됩니다.

캐스텔레이션 PCB: 캐스텔레이션 구성

PCB의 세 가지 유형의 캐스텔레이션 외에도 설계자는 캐스텔레이션 PCB에서 단일 행, 이중 행, 인터리브 캐스텔레이션의 세 가지 구성을 사용합니다.

단일 행 캐스텔레이션

가장 일반적인 캐스텔레이션 구성은 PCB 가장자리를 따라 한 줄의 노치로 구성된 단일 행 캐스텔레이션입니다. 각 캐스텔레이션은 독립적이며 다른 PCB와의 연결성을 향상시키기 위해 구리 도금이 되어 있습니다.

단일 열 캐스텔레이션은 설계가 용이하고 견고한 기계적 연결, 적절한 전기적 특성, 용이한 납땜 표면, 그리고 뛰어난 커넥터 호환성을 제공합니다. 그러나 단일 열 캐스텔레이션은 연결에 필요한 캐스텔레이션의 수가 제한적이고 HDI 및 기타 복잡한 PCB에는 적합하지 않기 때문에 접촉 표면의 제한과 같은 한계가 있습니다.

더블 로우 캐스텔레이션

복열 캐스텔레이션은 PCB 가장자리에 두 개의 평행한 노치 층을 형성합니다. 접점 수가 두 배로 늘어나 PCB 크기는 그대로 유지하면서 연결성이 향상됩니다.

이 방식은 HDI에 적합한 소형 설계를 구현하고, 도터보드와 마더보드, 그리고 다양한 통신 프로토콜을 사용하는 더욱 복잡한 장치들을 연결할 수 있습니다. 그러나 이러한 구성은 높은 제조 비용, 복잡한 설계, 그리고 조립의 어려움으로 인해 한계가 있습니다.

인터리브 캐스텔레이션

인터리브 캐스텔레이션 구성에서는 캐스텔레이션이 PCB 가장자리에 두 줄 이상으로 엇갈리게 배치됩니다. 즉, 지그재그 형태로 배열됩니다. 이를 통해 연결 표면이 늘어나고 간격이 최대화됩니다.

인터리브 캐스텔레이션은 다른 방식보다 연결 표면이 넓고, 배선 유연성이 뛰어나며, 신호 무결성이 우수합니다. 그러나 조립 공정이 비교적 복잡하고 비용이 많이 들며, 더 진보된 제조 기술이 필요합니다.

캐슬레이티드 PCB 설계

캐스텔레이티드 PCB 제조에는 고급 지식, 기술 및 장비가 필요합니다. 제조 전에 프로젝트 설계 과정에서 다음 사항을 고려해야 합니다.

·       사양: 캐슬레이티드 홀의 최소 직경은 0.6mm, 최대 직경은 1.2mm여야 합니다. 적용 부위에 따라 선택 크기가 결정됩니다. 전도성과 납땜성을 향상시키기 위해 전체가 구리 도금되어야 합니다.

·       단락 방지: 주변의 캐슬레이티드 홀은 단락을 방지하기 위해 솔더 마스크로 덮여 있습니다. 솔더 마스크는 또한 보드의 외관을 개선합니다.

·       PCB 가장자리 도금: PCB 가장자리는 전도성 표면을 확보하기 위해 구리 도금되어야 합니다.

·       마우스 바이트 만들기: 캐슬레이티드 PCB는 가장자리에 마우스 바이트가 있습니다. 이 작은 구멍 덕분에 신호 무결성을 저해하지 않고 PCB를 쉽게 탈부착할 수 있습니다.

캐슬레이티드 PCB의 응용 분야

캐슬레이티드 PCB가 사용되는 분야는 다음과 같습니다.

·       테스트 및 프로토타입 제작: 제조 과정에서 캐슬레이트 PCB를 사용하여 보드를 테스트하여 예상 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

·       IoT 장치에 사용됨: GPRS, GSM, GPS, Bluetooth, Wi-Fi 모듈과 같은 장치는 손쉬운 통합을 위해 캐슬레이팅 기술을 채택합니다.

·       전력 관리 시스템: 원활한 연결이 필요한 BMS 시스템은 캐슬레이티드 PCB 기술을 채택합니다.

캐슬레이티드 PCB의 과제

캐스텔레이티드 PCB는 많은 장점과 용도 외에도 여러 가지 어려움을 안고 있습니다. 제조 공정이 매우 복잡하고, 충분히 주의하지 않으면 캐스텔레이팅 도금이 손상될 수 있습니다. 이 기술은 고전류 PCB에는 적합하지 않기 때문에 캐스텔레이팅 PCB는 설계상 한계가 있습니다. 또 다른 어려움은 납땜 문제입니다. 납땜이 제대로 되지 않으면 캐스텔레이팅된 구멍이 막힐 수 있습니다.

맺음말

캐스텔레이티드 PCB는 현대 전자 분야에서 자리를 잡았습니다. 캐스텔레이티드 PCB의 등장으로 PB(패키징 보드) 간 상호 연결이 가능해졌습니다. 다양한 활용성을 갖춘 캐스텔레이티드 PCB 덕분에 IoT, 임베디드 시스템, 프로토타입 제작, 그리고 혁신 분야에서 기대 수준의 품질이 구현되었습니다. 하지만 설계자는 캐스텔레이티드 PCB 기술을 최대한 활용하기 위해 관련 사전 지식이 필요합니다.

취미인과 설계자들은 캐스텔레이티드 PCB의 전기적 및 기계적 견고성으로부터 많은 이점을 얻었습니다. 납땜 용이성, 열 전도성, 그리고 기계적 강도 덕분에 더욱 발전된 프로젝트를 수행할 수 있었습니다. 캐스텔레이티드 PCB 관련 서비스에 대한 자세한 내용은 PCBASICS 웹사이트를 방문하세요.