제작을 위해 PCB를 어떻게 준비합니까? 설계 모범 사례로 PCB 어셈블리 가속화

이 기사에서는 수석 EE이자 MacroFab의 공동 설립자인 Parker Dillman이 제작 및 조립을 위해 PCB 설계를 가장 잘 준비하는 방법을 설명합니다.

이 기사에서는 수석 EE이자 MacroFab의 공동 설립자인 Parker Dillman이 제작 및 조립을 위해 PCB 설계를 가장 잘 준비하는 방법을 설명합니다.

일반적인 상황입니다. 귀하는 하드웨어 개발자이고 다음 제품에 대한 기한이 다가오고 있습니다. 불량한 프로토타입 PCB는 프로젝트를 몇 주 동안 지연시키며 이러한 위험을 줄여야 합니다. PCB를 처음부터 문제 없이 신속하게 올바르게 조립하는 것이 가장 중요합니다.

이러한 잠재적인 문제를 최소화하기 위해 다음 프로토타입 제조를 준비하는 데 도움이 되는 몇 가지 팁 목록을 작성했습니다.

발자국 및 패키지 이중 확인

설치 공간이 구성 요소의 패키지와 일치하는지 확인하는 것이 제조 중단을 방지하는 첫 번째 방법입니다. PCB를 종이에 1:1 비율로 인쇄한 다음 부품을 오버레이하는 구식 방식은 BGA 부품과 같은 패키지 접촉 및 일부 부품의 크기가 얼마나 작아졌는지를 고려할 때 오늘날에는 여기까지입니다.

설치 공간의 치수가 설계 단위(mm 또는 mil)와 일치하는지 다시 확인하십시오.

일부 부품 제조업체는 불친절하며 마치 바닥에서 투명하고 투명한 PCB를 들여다보는 것처럼 부품의 기계적 레이아웃을 그립니다. 이 점에 유의하십시오.

그림 1. QFN20 패키지의 Silicon Labs EFM8UB10F8G. EDA 도구에서 그린 레이아웃을 데이터시트의 방문 패턴과 비교합니다.

EDA 도구가 투영 및 치수선을 그릴 수 있는 경우 구성 요소 데이터시트의 기계 도면과 일치하는 방식으로 설치 공간을 측정하는 것이 좋습니다. 데이터시트의 측정 단위와 발자국을 확인하세요.

이것은 또한 도식 기호와 구성요소 풋프린트 간의 매핑을 확인하기에 좋은 시간입니다. 전압 조정기 핀아웃, 개별 MOSFET 및 트랜지스터는 일반적으로 쉽게 뒤집힐 수 있습니다.

극성이 있는 구성 요소는 극성 표시가 명확하게 표시되어 있는지 확인하기 위해 발자국을 확인해야 합니다. 여기에는 IC 핀 1 표시, 다이오드 음극 표시 및 극성 커패시터 표시가 포함됩니다.

그림 2. CREE LED에 핀 1 표시.

다양한 테스트를 거친 대체 부품 선택

주요 부품을 사용할 수 없고 사전 테스트 및 승인된 대체품이 없는 경우 일반적인 생산 지연이 발생합니다. 부품에 실행 가능한 대체품이 있지만 회로 또는 제품의 중요한 경로에 있는 경우 생산으로 이동하기 전에 프로토타입을 만들고 각 대체품으로 테스트하는 것이 좋습니다. 이렇게 하면 나중에 대체 부품으로 전환할 때 수반되는 위험이 줄어듭니다.

그림 3. NRND 또는 새로운 디자인에 권장되지 않음으로 표시된 Mouser의 수명 종료 부품

직접적인 대체품이 없는 고유한 부품(마이크로컨트롤러, 특수 센서 등)이 있는 경우 해당 부품의 제조부터 부품 수명을 확인하십시오. 제조업체는 중단 예정인 구성 요소를 "새로운 디자인에 권장되지 않음"으로 표시합니다.

일반적으로 제조업체는 부품 제조에 대해 정해진 수명을 보장하고 EoL(수명 종료)이 되면 부품을 사용자에게 알립니다. 비용이 많이 드는 제품 재설계를 방지하기 위해 필요한 부품을 제품의 생산 수명이 끝날 때까지 사용할 수 있는지 확인하십시오.

사전 인증된 무선 모듈 활용

제품이 Bluetooth 또는 WiFi를 사용하는 경우 사전 인증된 무선 모듈 사용을 살펴보십시오. 이러한 모듈은 관련 FCC 식별 번호와 함께 올바르게 작동하도록 보장되는 사전 설계 및 패키지된 시스템입니다. 사전 인증된 무선 모듈을 사용하면 무선 시스템이 제대로 작동할 가능성이 높아지고 FCC 및 CE 무선 방출 적합성 테스트에 실패할 가능성도 줄어듭니다.

그림 4. Particle Photon 사전 인증 라디오 모듈로 구동되는 OSBeehives의 BuzzBox. 이미지 제공:OSBeehives.

무선 안테나 레이아웃 고려

PCB에 무선 연결을 롤링하여 비용을 절감할 가치가 있다고 결정했다면 안테나의 PCB 레이아웃이 중요합니다. 대부분의 무선 연결 부품(트랜시버)의 경우 제조업체의 데이터시트에 권장되는 레이아웃이 있습니다. 권장 레이아웃을 따르는 것이 성공으로 가는 가장 빠른 길일 것입니다.

PCB 레이아웃을 수행할 때 주의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. 첫째, 임피던스는 트랜시버와 안테나 사이에 일치해야 합니다. 둘째, 트랜시버의 데이터시트에는 적절한 안테나 선택, 튜닝 필터 설계 및 최대 성능에 필요한 올바른 임피던스에 대한 자세한 내용이 있어야 합니다.

자체 무선 연결을 설계하는 경우 제품에 대한 사전 적합성 테스트를 수행하는 것이 좋습니다. 사전 적합성 테스트를 통해 설계에서 명백한 문제를 발견할 수 있기를 바랍니다. 클럭, 발진기 및 전송 스펙트럼에서 목표로 하는 주파수 고조파를 찾으십시오.

디커플링 커패시터를 잊지 마세요.

전기 부품에는 안정적인 전압 소스가 필요하고 모든 단일 활성 부품 근처의 PCB에 디커플링 커패시터가 포함되어야 합니다. 디커플링 커패시터는 구성요소의 전원 핀에 가능한 한 가까이 있을 때 가장 잘 작동합니다.

그림 5. 디커플링 커패시터는 이 Texas Instruments LVDS 변환기 은 부드러운 힘을 가지고 있습니다.

여러 개의 전원 핀이 있는 더 큰 구성 요소의 경우 각 전원 핀에 디커플링 커패시터가 필요할 수 있습니다. 센서, ADC 및 FPGA와 같은 전력에 민감한 부품에는 접지 핀용 디커플링 캡도 포함할 수 있습니다. 디커플링 커패시터는 커패시터의 성능을 향상시키므로 전원 및 구성요소로부터 인라인이어야 합니다.

그림 6. 바이패스 또는 디커플링 커패시터는 전원에서 인라인으로 배치해야 합니다.

적절한 트레이스 너비와 간격으로 보드 보호

고전류 트레이스는 PCB를 태우지 않도록 적절한 크기를 지정해야 합니다. 계산을 하려면 온라인 트레이스 너비 계산기를 사용하는 것이 좋습니다. 보드 외부의 트레이스는 외부 트레이스가 생성된 열을 분산시키는 것이 더 쉽기 때문에 내부보다 더 많은 전류를 처리할 수 있습니다. 열을 낮추려면 트레이스 너비 계산기에서 온도 상승을 10C로 지정하십시오. 그러나 그렇게 넓은 트레이스를 위한 공간이 없다면 대부분의 응용 분야에서 20ºC의 온도 상승이 문제가 되지 않습니다.

트레이스를 충분히 넓게 라우팅할 수 없는 경우 전류 용량을 증가시키는 더 두꺼운 구리 중량으로 이동해야 할 수도 있습니다. 그러나 구리 중량 두께를 늘리면 DRC(Design Rule Check)에 대한 최소 트레이스 너비 및 간격 문제가 발생할 수 있으므로 이를 고려해야 합니다. 일반적으로 구리 무게로 더 두꺼워지면 더 큰 트레이스 너비와 공간이 필요하고 PCB당 단가가 높아집니다.

그림 7. 증가된 전압 절연을 위해 패드 사이를 잘라낸 경로. MAKESafe Tools의 Scott Swaley 이미지 제공

종종 간과되는 문제는 고전압 트레이스가 서로 충분히 격리되어 있는지 확인하는 것입니다. 제품이 주 전압에 연결된 경우 전압이 에어 갭을 뛰어넘어 단락되지 않도록 해야 합니다.

적합한 전원 공급 장치 조정기 라우팅 선택

임베디드 시스템에는 선형 레귤레이터와 스위칭 레귤레이터의 두 가지 주요 유형의 전압 레귤레이터가 있습니다. 각 유형에는 PCB 레이아웃 및 라우팅에 대한 지침이 다릅니다.

선형 조정기 사용

선형 레귤레이터는 초과 전압을 가져와 폐열로 변환합니다. 이는 비효율적이지만 선형 레귤레이터는 일반적으로 외부 커패시터만 있으면 올바르게 작동하고 스위칭 레귤레이터보다 잡음이 덜할 수 있습니다. 선형 레귤레이터를 올바르게 사용하려면 두 가지 사항이 있습니다.

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커패시터 선택을 고려하십시오. 레귤레이터를 우회하는 데 사용되는 커패시터의 유형, 값 및 위치에 대한 제조업체의 지침을 따르십시오. 일반적으로 커패시터는 조정기의 입력 및 출력 핀에 최대한 가깝게 배치해야 합니다.

더위 조심하세요. 일반적으로 이것은 레귤레이터에 대해 선택한 패키지가 생성할 열의 양을 처리할 수 있고 레이아웃이 이를 지원할 수 있는지 확인하는 것을 의미합니다. 구리 붓고 바느질을 통해 여기에서 당신의 친구가 될 것입니다. 구리 주입량이 충분히 크지 않으면 방열판이 필요합니다.

그림 8. 구리가 있는 선형 전압 조정기 붓다 방열용

스위칭 레귤레이터 사용

스위칭 조정기는 선형 조정기보다 효율적이지만 설계하기가 더 복잡합니다. 일반적으로 열은 스위칭 레귤레이터에서 문제가 되지 않지만 스위칭 레귤레이터가 올바르게 작동하도록 하려면 구성 요소를 신중하게 선택해야 합니다. 스위칭 레귤레이터는 또한 원치 않는 전자기장(EMF)을 생성하고 제품의 FCC/CE 준수 단계에서 고장을 일으키기 쉽습니다.

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권장 레이아웃 따르기 제조업체에서 밀접하게 이 레이아웃은 올바르게 작동하도록 테스트되었습니다.

스위처의 피드백 루프를 가능한 한 작게 유지합니다. 이렇게 하면 EMF와 기생 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스가 감소합니다.

스위처 레귤레이터 출력 커패시터 ESR 및 ESL 정격에 세심한 주의를 기울이십시오. 구성 요소를 찾을 때 스위칭 조정기의 데이터시트는 일반적으로 값을 설정하는 위치를 알려줍니다.

스위처를 설계할 때 Texas Instruments Webench를 사용하고 싶습니다. 원하는 사양에 대한 여러 설계를 생성하고 스위처를 올바르게 설계하는 데 필요한 인덕터 및 커패시터의 부품 번호를 제공합니다.

큰 구리 흔적 및 주입을 위한 열 완화 기능 포함

열 릴리프가 있는 구리 패드는 패드를 구리 트레이스에 연결하거나 직접 연결하는 대신 더 작고 좁은 트랙을 사용하여 부어 생성합니다. 열 완화는 부품을 패드에 납땜할 때 발생하는 열 부하를 줄여줍니다. 이렇게 하면 구리가 열을 너무 빨리 발산하기 때문에 콜드 솔더 조인트가 발생할 가능성이 줄어듭니다.

그림 9. 연결부의 적절한 납땜을 촉진하기 위한 대형 SMT 패드의 열 완화.

열 완화 영역을 통과하는 전류 부하에 주의해야 합니다. 이것들이 너무 좁게 설계되면 단방향 퓨즈로 끝날 수 있습니다.

SMT 조립을 위한 설계 최적화

가능한 한 많은 SMT 구성 요소를 사용하면 생산 비용과 조립 시간이 모두 긍정적인 영향을 받습니다. SMT 커넥터는 커넥터가 제품 조립 중에만 인터페이스되는 경우(예:제품 조립 중에 내부 리튬 배터리를 부착하는 경우) 생성할 수 있습니다.

그림 10. 더 빠른 스루홀 커넥터 납땜을 가능하게 하는 웨이브 팔레트 도구.

때때로 관통 구멍 부품이 필요합니다. 사람과 인터페이스하는 커넥터는 작동 중에 부품이 강제로 제거되는 것을 방지하기 위해 거의 항상 관통 구멍이어야 합니다. 스루홀 부품을 사용할 때 계약 제조업체와 협력하여 웨이브 또는 선택적 납땜을 위해 최적화하기 위해 부품 주위에 얼마나 많은 공간을 남겨야 하는지 알아보십시오. 다른 구성 요소가 관통 구멍 접점에 너무 가까우면 계약 제조업체가 커넥터를 손으로 납땜해야 하므로 조립 프로세스가 느려지고 비용이 증가할 수 있습니다.

디자인 규칙 확인을 다시 한 번 확인

디자인 규칙 검사를 다시 확인하는 것은 아마도 이 목록에서 가장 중요한 항목일 것입니다. 설계 규칙에 대해 제조업체에 확인하십시오. 대부분의 제조업체에는 다양한 수준의 확장 설계 규칙이 있습니다. 더 크고 더 표준적인 디자인 규칙에서 벗어날 수 있다면 그렇게 해야 합니다.

디자인 파일을 제조업체에 보내기 전에 마지막으로 DRC를 실행하고 다음 사항을 확인하는 것이 좋습니다.

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디자인 규칙 검사(DRC) 실행

연결 및 경로 확인

EDA 도구의 "에어와이어" 또는 "쥐 선"을 사용하여 신호망에서 서로 연결된 부품 패드를 시각적으로 표시합니다.

날짜 코드, PCB 버전 또는 메타데이터에 대한 실크스크린 텍스트 업데이트

마무리

이 기사가 PCB 설계 프로세스를 개선하는 방법을 안내하고 PCB 어셈블리를 주문하고 제품 생산을 확장할 때 위험을 줄이는 데 도움이 되기를 바랍니다. 사전 조립을 더 많이 계획할수록 생산 문제가 줄어듭니다.

추가 정보는 All About Circuits 팀과의 인터뷰를 확인하고 사전 FAB 및 프로덕션 고려 사항에 대해 작성한 체크리스트를 읽어보십시오.

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