Contents
1. Rigid-Flex PCB 개요
Rigid-Flex PCB는 단단한 기판(Rigid)과 유연한 기판(Flex)이 결합된 회로 기판을 의미합니다.
일반적인 단일 PCB는 단단한 FR4 기판으로 구성되지만, Rigid-Flex PCB는 기판 일부가 폴리아미드(polyimide)와 같은 유연한 재료로 구성되어 있어 굽힐 수 있습니다.
즉, 단단한 부분은 강한 기계적 지지를 제공하고, 유연한 부분은 배선을 자유롭게 구성할 수 있는 장점이 있습니다.
Rigid-Flex PCB는 복잡한 구조의 전자 기기나 좁은 공간에 많은 회로를 배치해야 하는 제품에서 주로 사용됩니다.
Rigid-Flex PCB 설계는 단단한 Rigid 기판과 유연한 Flex 기판이 결합된 형태로, 일반 PCB에 비해 3D 공간에서 배선이 가능하다는 큰 장점을 가지고 있습니다.
일반 PCB는 단단한 FR4 재질로 구성되어 굽히거나 비틀 수 없고 주로 2D 평면에서 배선이 이루어지지만, Rigid-Flex PCB는 폴리아미드(Polyimide)와 같은 유연한 재질을 사용하여 좁은 공간에서도 복잡한 배선을 가능하게 합니다.
이로 인해 Rigid-Flex PCB는 스마트폰의 힌지, 드론 제어 모듈, 웨어러블 기기와 같이 기계적 움직임이 많거나 공간이 제한된 환경에서 자주 사용됩니다.
또한, Rigid-Flex PCB는 일반 PCB보다 굽힘과 비틀림에 더 강하며, 커넥터가 필요 없어 접촉 불량이 적고, 기계적 스트레스를 덜 받는다는 장점이 있습니다.
그러나 복잡한 설계와 제조 공정, 높은 비용은 Rigid-Flex PCB의 단점으로 작용합니다.
- 연관 참조 : PCB 설계 시 주의사항 1/2, Plane과 부품 배치,노이즈 방사, 다층 기판 등 주의 사항
- 연관 참조 : PCB 설계 시 주의사항 2/2,아날로그 PCB 패턴, 열처리,간섭,납땜 시 주의사항
- 연관 참조 : PCB 안테나 설계,안테나 유형, 설계 원칙, 성능지표 5개
- 연관 참조 : 플렉스 PCB 설계 1/2 ,장점 3개, 종류, 설계사양 정하기, 재료 선택가이드
- 연관 참조 : 플렉스 PCB 설계 2/2 ,비용 절감 및 생산성 향상, 단가 절감 체크리스트
2. Rigid-Flex PCB 시스템 구성 방식
Rigid-Flex PCB 설계에서는 전체 시스템 구조를 어떻게 나누고 구성하느냐에 따라 설계 전략과 제조 방식이 달라집니다.
특히, 기판의 유연한 부분과 단단한 부분을 어떻게 배치하고 연결할지를 결정할 때, 시스템은 크게 세 가지 유형으로 분류할 수 있습니다..
2-1) 비균질 시스템 (Inhomogeneous System)
비균질 시스템은 쉽게 말해, Rigid-Flex PCB 설계에서 기판의 각 단단한 부분(Rigid 영역)이 모두 다른 역할을 하도록 설계되는 구조입니다.
예를 들어 하나는 전원만 담당하고, 다른 하나는 고속 데이터 처리를 하며, 또 다른 쪽은 RF 통신을 맡는 식입니다.
이렇게 각 영역이 고유한 기능을 갖게 되면, 설계자 입장에서는 그에 맞춰 각각 다른 배선 구조, 층수, 소재, EMI 대응 등을 따로 고려해야 합니다.
이런 구조의 가장 큰 장점은 기능별 최적화가 가능하다는 점입니다.
데이터 처리 회로는 고속 신호에 맞춰 임피던스 제어나 차폐에 신경 쓸 수 있고, 전원 회로는 전류 흐름과 발열 해소에 집중해서 설계할 수 있습니다.
물론 단점도 있습니다.
각각 따로 설계하고 서로 잘 연결되도록 인터페이스를 맞춰야 하니 설계도 어렵고, 생산 공정도 까다롭고, 가격도 비싸게 됩니다.
하지만 복잡한 기능이 하나의 기기에 다 들어가는 요즘, 예를 들어 스마트워치나 폴더블폰, 드론 제어기 같은 데서는 이런 비균질 구조의 Rigid-Flex PCB 설계가 거의 필수에 가깝습니다.
복잡하지만 그만큼 정교하고 고신뢰성인 시스템을 만들 수 있다는 점에서 고급 제품에 많이 쓰입니다.
2-2. 균질 시스템 (Homogeneous System)
Rigid-Flex PCB 설계에서 균질 시스템은 기판의 모든 Rigid 영역이 비슷한 기능과 설계 조건을 갖는 구조입니다.
말 그대로 “균일하다”는 뜻입니다.
각 부분이 모두 동일한 회로 구조, 비슷한 동작 조건, 유사한 전기적 요구사항을 가지고 있어 설계가 단순하고 반복적인 것이 특징입니다.
예를 들면, 센서 여러 개를 같은 구조로 반복 배치하거나, LED 모듈을 일정 간격으로 배열하는 경우가 이에 해당합니다.
각각의 Rigid 영역은 서로 연결되어 있지만, 기능상 크게 다르지 않기 때문에 하나의 설계를 여러 번 복사해서 쓸 수 있어 설계 효율이 매우 좋습니다.
이런 균질 시스템은 생산성과 일관성을 높이는 데 유리합니다.
모든 블록이 같으니 제조 공정도 단순화되고, 오류 발생 가능성도 줄어들게 됩니다.
특히 대량 생산에 적합해서 소비자 전자제품, 산업용 제어기기 등에서 많이 사용됩니다.
물론 단점도 있습니다.
모든 영역이 같은 조건을 가지므로 제품 전체를 하나의 기준에 맞춰야 하고, 개별 최적화가 어렵다는 점입니다.
고속 신호가 필요한 영역이 하나 있어도 전체 구조를 따라야 하니 성능을 타협해야 할 수 있습니다.
요약하면, 균질 시스템은 설계를 단순하게 하고 제조 효율을 높이는 데 좋은 방식이며, 복잡한 기능 분리가 필요 없는 제품의 Rigid-Flex PCB 설계에 매우 적합한 구조입니다.
2-3) 부분적으로 균질한 시스템 (Partially Homogeneous System)
Rigid-Flex PCB 설계를 하다 보면 모든 부분이 다 똑같지도 않고, 그렇다고 완전히 다르지도 않은 구조를 자주 만나게 됩니다.
이럴 때 쓰는 개념이 바로 부분적으로 균질한 시스템입니다.
예를 들어 설명해보겠습니다.
어떤 기기에 센서 모듈이 3개 있다고 가정해 보시기 바랍니다.
이 센서들은 모두 같은 구조, 같은 동작을 하니까 ‘균질’합니다.
그런데 이 센서들이 모은 데이터를 처리하는 제어부는 구조도 복잡하고 기능도 다를겁니다.
이런 제어부는 ‘비균질’한 영역입니다.
이처럼 한 제품 안에 반복적인(균질) 구조와 고유한(비균질) 회로가 혼합되어 있으면, 그걸 ‘부분적으로 균질한 시스템’이라고 부릅니다.
이 구조는 설계 효율성과 성능 최적화 사이의 균형을 잘 맞출 수 있는 좋은 방식입니다.
센서 부분은 하나만 잘 설계해 두면 복사해서 재사용하면 되고, 중요한 중앙 회로는 따로 성능 위주로 정밀하게 설계할 수 있습니다.
물론 단점도 있습니다.
이렇게 혼합된 구조는 회로 간 인터페이스 설계가 좀 복잡하고, 제조 공정도 더 세심하게 관리해야 합니다.
그래도 전체를 전부 복잡하게 설계하는 것보다 효율적이기 때문에 실제로 많이 사용되는 방식입니다.
결론적으로, Rigid-Flex PCB 설계에서 부분적으로 균질한 시스템은 현실적인 제품 설계에서 유연하게 대응할 수 있는 매우 실용적인 방법입니다.
이처럼 시스템 구조를 어떻게 정의하느냐에 따라 Rigid-Flex PCB 설계의 방향성과 난이도가 결정됩니다.
설계 초기 단계에서 전체 시스템의 균질성 여부를 판단하고, 이에 맞춰 배선 계획, 스택업 구성, 기계적 안정성을 종합적으로 고려하는 것이 중요합니다
3. Rigid-Flex PCB 설계 체크리스트
Rigid-Flex PCB 설계를 하다 보면 회로 그리기나 부품 배치보다 더 중요한 일이 바로 설계 초기 기획입니다.
이 단계를 제대로 하지 않으면, 나중에 기구 설계나 제조 단계에서 되돌릴 수 없는 시행착오를 겪게 됩니다.
특히 Rigid-Flex PCB 설계는 리지드와 플렉스가 결합된 복합적인 구조이기 때문에, 고려해야 할 요소가 많고 복잡합니다.
Rigid-Flex 구조에서는 회로 배선만 잘해서 되는 게 아니라, 기계적 구조, 환경 조건, 부품의 물리적 제약, 제작 공정 등 다양한 관점에서 미리 시뮬레이션하듯 점검해보는 게 핵심입니다.
3-1-1) 기술 요구 사항
- 제품이 해야 할 기능은 무엇인가요?
단순한 데이터 전달인가요, 아니면 RF 통신까지 필요한가요? - 최종 제품의 크기와 두께 제한이 있나요?
플렉스가 지나가는 공간은 좁은가요? - 반복 굽힘이 필요한가요? 아니면 조립 후 고정되나요?
- 작동 수명과 신뢰성 기준은 어느 정도인가요?
의료용이라면 수십만 번의 굽힘을 견뎌야 할 수도 있습니다.
Rigid-Flex PCB 설계는 단순히 2D 기판에 배선하는 작업이 아니라, 실제 작동 환경과 기구적 제약을 모두 통합적으로 설계해야 하는 작업입니다.
3-1-2) 상업적 요구 사항
- 예상 생산 수량은?
100개 미만의 샘플인지, 수천 개 이상 대량 양산인지에 따라 설계 전략이 달라집니다. - 목표 원가는 얼마인가요?
Flex 구조는 비용이 더 들기 때문에 필요하지 않은 부분까지 무조건 플렉스를 쓸 필요는 없습니다. - 제품 출시 일정은 충분한가요?
플렉스 제작은 일반 리지드보다 리드타임이 길 수 있습니다.
제조사와 초기에 협의하는 것이 비용과 일정을 아끼는 가장 확실한 방법입니다.
3-1-3) 법적/인증 요구 사항
- UL 인증, RoHS, CE 등 적용 법규나 인증 기준은 무엇인가요?
- 의료기기, 군수품, 항공전자 등 산업별 요구사항은 다릅니다.
- 수출 대상 국가의 규정(예: 미국 ITAR, 유럽 REACH 등)도 미리 확인해야 합니다.
IPC-2223 표준 문서를 참고하면 국제 기준에 따른 설계 체크 기준을 확인할 수 있습니다.
3-1-4） 환경 조건
- 사용 온도 범위는?
고온 환경이라면 소재 선택이 매우 중요합니다.
예: 자동차, 산업용 기기 - 진동, 습기, 먼지 등 외부 영향은 어떤가요?
반복적인 충격이 예상된다면 구조적으로 보호가 필요합니다. - 정전기(ESD)나 EMI가 문제 될 수 있나요?
EMI 차폐가 필요한 경우, 플렉스 구간에 쉴드 레이어나 하치드 그라운드를 계획해야 합니다.
3-1-5) 기구적 요소
- 제품의 조립 방식은? 조립 후 플렉스가 굽혀지는가요?
- ZIF 커넥터 등 두께 정밀도가 필요한 구조인가요?
- 하우징 내 고정이 필요한가요?
스티프너(FR4 또는 PI)의 위치와 두께도 기획 단계에서 함께 정해야 합니다.
Rigid-Flex PCB 설계에서는 단순한 2D 치수만 보면 안 됩니다.
실제 3D 모델과 기구 조립 시뮬레이션을 통해 미리 검증하는 것이 좋습니다.
3-1-6) 전기적/배선 요구 사항
- 어떤 신호들이 흐르나요?
고속 신호나 RF가 있다면, 임피던스 제어와 리턴 패스 확보가 필수입니다. - 전류량이 많아 발열이 우려되나요?
구리 두께와 라인 폭 설계를 강화해야 합니다. - EMI 민감 부품이 있다면 플렉스 영역과의 간섭도 고려해야 합니다.
3-1-7) 부품 배치/실장 관련 사항
- BGA 같은 고밀도 부품은 가능한 리지드 영역에 배치해야 합니다.
- 플렉스 영역에 부품을 실장해야 한다면, 반드시 스티프너를 사용해야 하며, 커버레이 오픈 및 접착제 흐름까지 고려해야 합니다.
- SMT 공정 중 휘어짐 방지를 위한 서포트 판넬 설계도 중요합니다.
3-1-8) 테스트 및 조립, 포장 고려
- FPC 영역은 조립 중 쉽게 손상될 수 있으므로, 테스트 지그, 고정 구조도 미리 설계에 반영해야 합니다.
- 굽힘 위치에 따라 테스트 리드선을 미리 확보해 두는 것이 좋습니다.
- 조립 후 굽힌 채로 출하된다면, 포장 시 파손 방지를 위한 형태 유지 구조도 고려해야 합니다.
Rigid-Flex PCB 설계를 처음 시작할 때, 설계 툴보다 먼저 이 체크리스트부터 점검해보는 것이 올바른 설계 방식입니다.
단순히 플렉스 기능만 보고 적용하면 낭패를 보는 경우가 많습니다.
반대로 이런 체크 항목들을 하나씩 미리 검토해두면, 실제 양산 단계에서 발생할 수 있는 문제를 미리 예방하고 개발 기간과 비용을 아낄 수 있는 효과를 얻을 수 있습니다.
4. Rigid-Flex PCB 주요 제작 공정
Rigid-Flex PCB 설계를 해보신 분들이라면 잘 아시겠지만, 이 구조는 단순히 리지드(Rigid)와 플렉스(Flex)를 붙여놓은 게 아닙니다.
각각의 구조가 별도로 제조된 후, 열과 압력, 정밀한 정렬을 거쳐 하나의 회로로 통합되는 고난도 공정입니다.
4-1) 플렉스 회로 제작
Rigid-Flex PCB 제작은 일반적으로 플렉스 회로부터 먼저 가공합니다.
보통은 폴리이미드(PI) 필름에 동박을 적층한 상태로 시작하며, 아래와 같은 공정이 순차적으로 진행됩니다.
4-1-1) 접착제 또는 시드 레이어 코팅
- 접착제 방식: 아크릴 또는 에폭시를 PI 필름에 도포
- 무접착 방식: 구리의 초기 증착을 위해 ‘시드 레이어’를 형성 (보통 스퍼터링 사용)
참고로 무접착 방식은 얇고 고성능이 필요한 고급 Rigid-Flex PCB 설계에 적합합니다.
4-1-2) 동박 적층 또는 도금
- RA 동박 적층 또는 시드 위에 화학적 구리 도금
- 최근에는 접착제 없이 직접 접합하는 무접착 PI 필름도 많이 사용됨
4-2) 드릴링 및 스루홀(Through-hole) 도금
플렉스 구간이 완성되면, 회로 간 연결을 위한 홀 가공이 이뤄집니다.
4-2-1) 드릴링
- 기계식 드릴: 일반적인 중대형 홀에 사용
- 레이저 드릴: 마이크로비아, 블라인드 비아용 (CO₂, YAG, Excimer 등)
- 펀칭: 컷아웃 및 대량 제작용 (양산에 적합)
4-2-2) 무 전해 도금
- 스루홀(Through-hole) 내부에 구리 도금을 실시
- 도금 두께는 보통 1mil 이상을 권장 (플렉스의 기계적 내구성 확보를 위해)
4-3) 패턴 형성
4-3-1) 포토레지스트 인쇄 및 노광
- 감광성 포토레지스트(PR)를 인쇄하고, 마스크 패턴을 통해 노광
- 이후 현상(Develop) 과정을 거쳐 패턴이 완성됨
4-3-2) 에칭 및 스트리핑(stripping)
- 노출된 구리 부분을 화학적으로 에칭하여 회로 패턴을 형성
- 레지스트는 이후 화학적 스트리핑으로 제거
4-4) 커버레이(Coverlay) 또는 커버코트(covercoat) 적용
플렉스 회로는 외부 자극에 민감하므로, 보호막이 반드시 필요합니다.
4-4-1) 커버레이
- PI 필름 + 접착제로 구성된 적층형 보호막
- 자주 굽히거나 외부 접촉이 예상되는 회로에 사용
4-4-2) 커버코트
- 감광성 솔더마스크처럼 인쇄 방식으로 도포
- 단순한 제품이나 저비용 설계에 적합
참고로 설계자는 부품이 실장될 부분의 커버레이 오픈 위치와 크기를 정확히 정의해야 납땜 불량을 방지할 수 있습니다.
4-5) 블랭킹/절단
플렉스 회로를 만드는 마지막 단계는 잘라내는 것입니다
- 펀치 & 다이 세트: 대량 생산에 적합
- 레이저 절단: 정밀한 외형 가공 가능, 프로토타입에 적합
- 블랭킹 나이프: 저비용 공구로 소량 생산 대응
4-6) 리지드 파트와 적층
이제 플렉스 회로와 리지드 코어를 하나의 회로로 만드는 작업이 진행됩니다.
- 프리프레그(FR4, PI 등)와 접착제를 적층
- 열과 압력으로 라미네이션 (보통 프레스 장비 사용)
- 리지드 코어에는 기존과 동일한 방식으로 회로 형성, 도금, 마감 처리
리지드-플렉스 구조는 설계 시 스택업 정의가 핵심입니다.
모든 층의 순서, 두께, 소재, 굽힘 위치를 명확하게 문서화해야 제조 불량을 방지할 수 있습니다.
4-7) 마무리 공정
- 구리 외층 에칭, 솔더마스크 인쇄, 실크스크린 적용
- ENIG, HASL 등 표면처리 선택
- E-Test (Electrical Test)로 오픈/쇼트 검사
- 스티프너 부착, 포장, 납품 전 검수
Rigid-Flex PCB 설계는 단순한 아트웍 작업이 아니라, 제조 공정 전체를 이해하고 고려한 통합 설계입니다.
설계자는 공정 흐름을 충분히 이해함으로써 불필요한 시제품 반복 제작을 줄이고, 납기와 비용을 모두 절감할 수 있습니다