1. 개요
요즘이야 샘플 PCB 가격이 워낙 저렴해 개인도 쉽게 의뢰할 수 있지만, 과거에는 개인 단위의 소량 생산을 하기 위해서는 직접 에칭을 하는 게 거의 유일한 제작 방식이었다. 2000년대 이후 기판 자작 인프라가 좋아졌기 때문에 길어도 하루 정도의 짧은 시간 내에 제작 가능하다.그러나 자작인 만큼 전문 업체에서 제작되는 PCB처럼 높은 품질로 제작하기는 어려우며, 특히 3층 이상의 다층 기판은 개인이 자작하기에는 매우 어렵다. 그리고 패턴 인쇄 자체도 간단한 작업이 아닌데 이후에 소자를 끼울 자리에 드릴로 구멍까지 따로 뚫어줘야 하는 점도 번거로움을 더하는 부분. 그래서 개인제작 진입장벽이 낮아졌음에도 불구하고 그냥 바로 전문업체를 이용하는 사람들도 많다.
2. 케미컬 에칭법
기본적으로는 플라스틱 수지에 동판이 붙어 있는 상태에서 남길 패턴만 코팅한 뒤, 에칭 용액을 이용해 노출된 구리 부분만 녹아 나오는 것이 원리이다. 보통 에칭 용액은 온도가 올라갈수록 동판을 녹여내는 화학 반응이 빨라진다는 공통점을 지닌다. 다만 너무 뜨거우면 원치 않는 화학 반응이 일어나거나 코팅이 벗겨질 수 있으니 에칭 용액을 너무 가열해서도 안 된다. 스폰지에 에칭액을 묻혀 문질러주거나 수족관용 공기 펌프로 기포를 발생시켜도 반응 속도를 올릴 수 있다. 에칭 용액의 종류에 따라 손에 착색되거나 자극 또는 화학적 화상을 입을 수 있으므로 장갑을 착용하고 작업해야 한다. 또한 유독가스가 발생하는 종류의 에칭 용액 사용시에는 환기도 필요하다.에칭 용액으로 사용 가능한 물질은 다음과 같다.
- 염화제2철 - 이 용액은 자작 PCB에 흔히 쓰이지만 갈색으로 불투명하므로 에칭 정도를 확인하기 어려우며, 다른 물체(특히 옷)에 묻으면 착색되어 쉽게 지워지지 않는 단점을 가진다. 동판을 부식시켜 판화를 만드는 목적으로도 사용되므로 간혹 미술용품점에서 판매하기도 한다.
- 구연산/식초 + 과산화수소수 + 소금 - 이 용액은 염화제2철과 달리 투명하여 에칭 진행 정도를 확인할 수 있으며, 구매와 취급이 부담스러운 유해 화학물질이 전혀 쓰이지 않고 약국과 마트에서 쉽게 구할 수 있는 재료만을 사용한다는 장점도 가진다. 그러나 과산화수소 등의 물질이 서서히 반응하여 효과가 떨어진다는 단점이 있으므로 필요 시에만 혼합하여 사용해야 한다. 과산화수소수의 농도는 높지 않아도 되며, 3%면 충분하다.
- 과황산암모늄 기반 용액 - 이 용액 또한 투명하여 에칭 진행 정도를 확인할 수 있다. 구연산/식초 용액과 달리 장기 보존이 가능하다.
- 염산 + 과산화수소 - 이 용액은 무색투명하며 반응 속도가 빠르다는 장점이 있다. 그러나 국내에서는 규제로 인해 고농도의 염산은 일반인이 구매할 수 없으므로, 청소용 등으로 쓰이는 묽은 염산[1]을 대신 사용해야 한다. 화학물질에 대한 규제가 관대한 국가에서는 더 흔히 사용되는 방법이다. 반응 도중 염소 이온끼리 결합하여 염소 가스가 발생하기도 하므로 환기가 필요하다.
- 묽은 황산 + 과산화수소 - 염산 대신 묽은 황산을 사용하여도 기판의 에칭이 가능하다. 진한 황산을 사용하면 더 위험한 물질인 피랴냐 용액이 되므로 사용해서는 안 된다. 반응 결과물은 황산 구리이므로 전기도금 등 타 목적으로 재활용하는 것도 가능하다. 화학물질에 대한 규제가 관대한 국가에서만 사용된다.
3. 정석적인 감광법
- 동판에 수세미질을 하거나 에탄올을 통해 구리의 피막을 벗겨낸다.(정면, Scrubbing)
- 동판 위에 감광액을 바른다.(라미네이션, Lamination)
- 투명한 비닐에 기판을 인쇄하고, 감광액 위에 덮은 뒤, 자외선을 쪼여 준다.(노광, Exposing)
이때 감광액이 자외선에 노출된 부분만 경화되어 코팅이 남는다. - 감광액을 씻어낸 뒤, 염화제2철 등 에칭 용액에 담궈둔다.(에칭/식각, Etching) 용액을 따뜻하게 유지하고 스펀지로 문질러 주면 더 빠르게 끝낼 수 있다. 주의할 점은, 이때 너무 오래 담가 두면 녹지 말아야 할 곳까지 녹아 버리는 수가 있다는 것. 에칭 용액은 피부에 닿지 않도록 해야 한다.
- 필요없는 부분의 동판이 모두 녹아 없어졌으면, PCB를 꺼내어 헹궈낸 뒤 에탄올, 신나, 아세톤 등으로 코팅을 벗겨낸다.(박리, Strip)
4. 열전사법
- 동판에 수세미질, 에탄올질 등을 통해 피막을 벗겨낸다.
- OHP 필름, 사진용지 등에 레이저프린터를 이용해 토너로 된 회로를 인쇄한다.
- 적절히 잘라 동판에 밀착시키고 다리미나 코팅기계 등을 이용해 열과 압력을 가한다. 시간은 용지에 따라 천차만별인 듯. 적절한 시간을 찾아내는 요령이 필요하다.
- 가장자리를 살짝 들어보아 토너가 종이에서 잘 떨어져나왔다고 판단되면 미지근한 물[2]에 담가 종이가 충분히 물에 불 때까지 기다린다.
- 물에 불은 종이를 살살 벗겨내며 패턴이 동판에 잘 점착되도록 종이를 벗겨낸다.[3]
- 이후 에칭을 거쳐 기판을 완성한다.
5. 아세톤 전사법
- 피막 스크러빙을 완료한다.
- 일반적인 패션잡지, 혹은 그와 유사한 재질의 종이에 회로를 인쇄한다.
- 인쇄된 회로를 동판면에 밀착시키고 테이프 등으로 고정한다. 이때, 테이프가 동판면에는 웬만하면 있지 않도록 가장자리에 여유를 남겨 뒷쪽으로 붙여야 한다.
- 아세톤과 알코올을 8:3으로 섞은 용액, 혹은 일반적은 네일리무버를 지속적으로 묻혀주며 골고루 꾹꾹 눌러준다.
- 종이가 아세톤을 먹고 표면이 벗겨지기 시작하면 가장자리부터 살짝 벗겨본다.[4] 제대로 패턴이 전사되었다면 종이를 떼어낸다.
- 에칭을 실시하고 기판을 완성한다.
6. 3D프린터 또는 플로터 이용방법
프린터를 개조하거나 유성펜을 물려서 기판에 바로 토너나 유성잉크를 흡착시키는 것이다. 이외의 원리는 다른 방법과 거의 같다. 다만 패턴을 입히는 과정에서 수작업이 줄어들기 때문에 실패 확률과 소모 시간이 적어지는 큰 장점이 있다. 반대급부로는 당연하지만 장비 구매가격이 올라간다는 단점이 생긴다.7. 기타
- 에칭 직전에 패턴이 끊어져있는 등의 간단한 오류를 발견했을 경우 매직 등 유성펜으로 보수를 할 수도 있다.
- 간단한 회로는 토너를 전사하는 대신 아예 유성펜만으로 동판 위에 선로를 그린 뒤 에칭하는 방법으로도 만들 수 있다. 그러나 매직펜과 같은 일반 유성펜은 에칭 용액과 반응하여 벗겨지는 경우가 있으므로 코팅이 쉽게 벗겨지지 않는 페인트 펜을 사용하는 것이 권장된다. 굳이 매직펜을 써야겠다면 동판 재질이 아예 보이지 않을 정도로 떡칠하다시피 정성껏 두텁게 칠해주어야 좋은 결과가 나온다.
- 안료가 제대로 묻지 않아 끊어지지 말아야 할 부분이 끊어진 상태로 제작된걸 뒤늦게 발견했다면 점퍼선으로 이어주거나 컨덕티브 펜으로 보수할 수 있다. 끊어진 부분의 면적이 넓다면 구리 테이프를 사용하여도 된다. 다량 제작용이라면 물론 제작방식을 보완해 다시 만드는 것이 더 나은 대응책이다.
- 반대로 이어지지 말아야 할 부분이 이어진 상태로 제작되었을 경우 커터칼이나 드레멜 등을 사용하여 떼어내면 된다.
- 완성된 자작 PCB의 동판을 그대로 방치하면 서서히 산화되어 나중에는 납땜이 어려워진다. 땜납을 얇게 입혀주면 산화를 방지할 수 있다. 동판 전체에 플럭스를 바르고 일반 인두 팁보다는 칼팁을 사용하면 더 쉽게 도금이 가능하다. 동박에 바르면 전기 없이 주석이 도금되는 무전해도금 용액을 사용하면 손쉽게 작업이 가능하다.
- 이미 기판 동박 표면이 산화되어 납땜이 어렵다면 고운 사포로 문지르거나 에칭액에 짧게 담갔다 빼는 방식으로 산화물을 제거할 수 있다.
- 기판에 부품들을 조립한 이후 방수나 절연이 필요하다면 에폭시 경화제나 방수 스프레이 등으로 코팅하면 된다. 물론 기판의 보호 및 방수를 위한 전용 제품들도 존재하나, 이들은 국내에서 화학물질 관리법 및 화학물질 평가법 규제 대상이여서 산업체 관계자가 아닌 일반인 신분으로는 절대 구매할 수 없다. 따라서 안전인증을 받은 생활 화학제품으로 대신해야 한다.
[1] 농도가 10% 미만이면 규제 대상이 아니여서 일반 판매가 가능하다. 또한 저농도의 염산도 에칭용으로 사용하기에는 충분하다.[2] 너무 뜨거운 물은 안된다. 손이 데이는 문제도 있겠지만 열전사법이라는 이름에서 알 수 있듯이, 토너에 열을 가해 인쇄용지에서 동판으로 옮겨주는 방법인데 물이 너무 뜨거우면 기껏 동판에 전사된 토너가 다시 떨어져 나온다.[3] 열전사법의 가장 큰 단점으로, 이 종이를 벗기는 과정에서 조금만 실수해도 패턴이 같이 떨어져 나가기 일쑤다.[4] 이때 패턴이 제대로 전사되지 못하고 종이와 함께 떨어져나온다면 실패했다고 봐도 좋다. 한번 전사가 되지 못하고 같이 떨어져나온 패턴은 아무리 다시 아세톤을 바르고 압력을 가해주어도 잘 붙지 않는다.