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인쇄 회로 기판의 레이아웃 설계는 신뢰성 있고 비용 효율적인 기판을 만드는 데 매우 중요합니다. 회로 설계와 부품 선택도 필수적이지만, PCB 레이아웃에 충분한 시간을 할애해야 합니다. 오늘날의 기판이 더욱 복잡하고 컴팩트하며 경량화됨에 따라 최적의 PCB 레이아웃 설계를 결정하는 데 많은 요소가 관여합니다. 플렉스 PCB의 인기 증가는 이 과정을 더욱 복잡하게 만듭니다.
중요한 PCB 레이아웃 고려사항을 고려하지 않으면 실제 환경에 잘 맞지 않는 설계가 나올 수 있습니다. 부적절한 레이아웃은 전자기 간섭, 기판 양면의 부품 간 충돌, 제한된 기판 기능, 심지어 완전한 기판 고장 등 여러 문제를 초래할 수 있습니다. 게다가 처음부터 레이아웃을 올바르게 잡지 못하면 재작업이 필요해 제조 지연과 추가 비용이 발생합니다.
그렇다면 염두에 두어야 할 PCB 레이아웃 설계 규칙과 고려사항은 무엇일까요? PCB 레이아웃 설계 단계를 살펴보고 각 단계의 핵심 고려사항을 파악해 보겠습니다. 물론 고려해야 할 다른 사항들도 있겠지만, 여기서는 알아두어야 할 PCB 레이아웃 설계의 가장 중요한 측면들을 다루겠습니다.
PCB 설계는 PCB가 필요하다는 것을 알게 된 순간부터 최종 생산까지 인쇄 회로 기판 생산 공정의 모든 단계에서 역할을 합니다. 기본 설계 프로세스는 6단계로 구성됩니다.
PCB의 필요성을 확인한 후 다음 단계는 기판의 최종 컨셉을 결정하는 것입니다. 이 초기 단계에서는 PCB가 수행할 기능, 특징, 다른 회로와의 상호 연결, 최종 제품 내 배치, 대략적인 치수를 정의합니다. 또한 기판이 작동할 대략적인 온도 범위와 기타 환경적 우려 사항도 고려합니다.
다음 단계는 최종 컨셉을 바탕으로 회로도를 그리는 것입니다. 이 다이어그램에는 기판의 전기적 부품이 적절히 작동하는 데 필요한 모든 정보와 부품 이름, 값, 정격, 제조업체 부품 번호 등의 세부 정보가 포함됩니다.
회로도를 작성하는 동안 자재 명세서(BOM)도 함께 작성하게 됩니다. 이 BOM에는 PCB에 필요한 모든 부품에 대한 정보가 들어 있습니다. 이 두 문서를 항상 최신 상태로 유지하세요.
다음으로 PCB의 최종 치수를 설명하는 기판 레벨 블록 다이어그램을 완성합니다. 전기적 이유나 제약 조건 때문에 연결된 부품 섹션인 각 블록에 지정된 영역을 표시합니다. 관련 부품을 함께 배치하면 트레이스를 짧게 유지할 수 있습니다.
다음 단계는 부품 배치로, 각 요소를 기판의 어디에 배치할지 결정합니다. 종종 부품 배치를 여러 차례 반복하여 다듬게 됩니다.
다음으로 회로의 라우팅과 라우팅 우선순위를 결정합니다.
설계를 완료한 후에는 모든 요구사항을 충족하는지 확인하기 위해 일련의 테스트를 수행해야 합니다. 충족하면 설계가 완료된 것입니다. 그렇지 않으면 조정이 필요한 단계로 돌아가야 합니다.
PCB를 제작하면서 수많은 문서가 생성됩니다. 이러한 문서에는 다음이 포함됩니다.
PCB 레이아웃과 설계에는 고려할 사항이 많습니다. 일부 고려사항은 전체 프로세스에 적용되지만, 일부는 특정 단계에만 해당합니다. 여기에 염두에 두어야 할 7가지 관련 요소를 정리했습니다.
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가장 먼저 살펴봐야 할 제약 조건은 베어 보드와 관련된 것입니다. 이러한 기본 제약 조건에는 기판의 크기와 모양이 포함됩니다.
회로에 적절한 기판 면적이 있는지 확인해야 합니다. 최종 제품의 크기, 기판이 제공해야 하는 기능 및 기타 요인이 기판의 크기를 결정합니다. 전자 제품과 그에 내장된 회로 기판은 점점 더 작아지고 있습니다. 설계 프로세스를 시작하기 전에 기판 크기를 추정하세요. 더 단순한 설계로 필요한 모든 기능을 구현할 공간이 충분하지 않다면 다층 또는 고밀도 상호연결(HDI) 설계를 사용해야 할 수 있습니다.
표준 PCB는 직사각형입니다. 이는 여전히 PCB의 압도적으로 가장 일반적인 형태입니다. 그러나 다른 형태로 기판을 만드는 것도 가능합니다. PCB 설계자는 주로 크기 제약이나 불규칙한 모양의 제품에 사용하기 위해 이렇게 합니다.
또 다른 중요한 고려사항은 필요한 레이어 수로, 전력 수준과 설계 복잡도가 이를 결정하는 데 도움이 됩니다. 레이아웃 설계 프로세스 초기에 몇 개의 레이어가 필요한지 파악하는 것이 가장 좋습니다. 레이어를 추가하면 생산 비용이 증가할 수 있지만 더 많은 트레이스를 포함할 수 있습니다. 이는 고급 기능을 갖춘 더 복잡한 기판에 필요할 수 있습니다.
모든 고전류 경로의 레이어 전환에는 최소 두 개의 비아를 사용하세요. 레이어 전환 시 여러 비아를 사용하면 신뢰성이 향상되고 열전도율이 개선되며 유도 및 저항 손실이 줄어듭니다.
기판을 생산하는 데 사용하고자 하는 제조 공정도 고려해야 합니다. 각 공정마다 다른 제한과 제약이 있습니다. 제조 공정에 맞는 참조 홀이나 포인트를 기판에 사용해야 합니다. 홀이 부품과 간섭되지 않도록 항상 확인하세요.
또한 기판 장착 방식을 염두에 두세요. 다른 접근 방식은 기판의 다른 영역을 비워두도록 요구할 수 있습니다. 스루홀과 표면 실장 부품 등 여러 기술 유형을 사용하면 기판 비용이 증가할 수 있지만 어떤 경우에는 필요할 수도 있습니다.
제조업체가 귀하가 필요로 하는 유형의 기판을 생산할 능력이 있는지 항상 확인하세요. 일부는 예를 들어 많은 레이어가 있는 기판이나 유연한 설계를 사용하는 기판을 제조하지 못할 수도 있습니다.
레이아웃 단계에서 기판에 사용할 소재와 부품을 고려하세요. 원하는 품목이 이용 가능한지 먼저 확인해야 합니다. 일부 소재와 부품은 구하기 어렵고, 다른 것들은 너무 비싸서 비용 면에서 감당할 수 없습니다. 다른 부품과 소재는 서로 다른 설계 요구사항을 가질 수도 있습니다.
기판에 가장 적합한 소재와 부품을 선택했는지, 그리고 해당 품목의 장점을 살린 기판을 설계했는지 확인하는 데 시간을 들이세요.
가장 기본적인 PCB 설계 지침 중 하나는 기판에 부품을 배치하는 순서입니다. 권장 순서는 커넥터, 전원 회로, 정밀 회로, 중요 회로, 그리고 나머지 요소 순입니다. 전력 레벨, 잡음 감수성, 발생 및 라우팅 능력도 회로의 라우팅 우선순위에 영향을 미칩니다.
부품을 배치할 때 유사한 부품들은 같은 방향으로 향하게 배치하세요. 이렇게 하면 납땜 공정이 더 효율적이 되고 공정 중 실수를 방지하는 데 도움이 됩니다.
도금된 스루홀 부품 뒤에 위치할 부품을 PCB의 납땜 면에 배치하지 마세요.
부품을 논리적으로 구성하면 필요한 조립 단계 수를 줄여 효율성을 높이고 비용을 절감할 수 있습니다. 모든 표면 실장 부품을 기판 한쪽에, 모든 스루홀 부품을 윗면에 배치하는 것을 목표로 하세요.
위의 팁은 PCB 부품 배치에 초점을 맞췄습니다. 이 부품들이 원하는 대로 작동하려면 전원, 그라운드, 신호 트레이스도 라우팅해야 합니다. 이 단계를 효율적으로 완료하면 신호가 기판을 제대로 작동시키기 위해 이동할 수 있는 신뢰할 수 있는 경로를 보장하는 데 도움이 됩니다. 여기에 염두에 두어야 할 5가지 요소가 있습니다.
기본적인 PCB 레이아웃 설계 규칙 중 하나는 전원과 그라운드 플레인을 기판 내부에 유지하는 것입니다. 또한 보우(bowing)와 트위스팅(twisting)을 방지하기 위해 중앙에 놓고 대칭을 이루어야 합니다. 보우는 부품이 제자리에서 벗어나게 하고 잠재적으로 기판을 손상시킬 수 있습니다. 기타 권장사항으로는 각 공급원에 공통 레일 사용, 신뢰할 수 있고 광범위한 트레이스 확보, 부품 연결을 위한 데이지 체인 생성 방지 등이 있습니다.
전원 회로의 고전압은 저전압 및 전류 제어 회로에 간섭을 줄 수 있습니다. 전원 그라운드와 제어 그라운드의 배치를 이용해 이러한 간섭을 최소화할 수 있습니다. 각 전원 공급 단계의 그라운드를 분리해 두세요. 일부를 함께 배치해야 한다면 공급 경로의 끝부분에 배치하세요. 그라운드 플레인이 기판의 중간 레이어에 있다면 전원 회로 간섭을 방지하기 위해 작은 임피던스 경로를 포함하세요.
디지털과 아날로그 그라운드도 유사하게 분리해야 합니다. 아날로그 라인이 아날로그 그라운드만 통과하도록 하여 용량성 커플링을 줄이세요.
이 단계에는 회로도에 따라 신호 트레이스를 연결하는 것도 포함됩니다. 트레이스는 가능한 한 짧고 직선적으로 유지해야 합니다. PCB 한 면에 수평 트레이스 라우팅이 있다면 다른 면에는 수직 트레이스를 배치하세요.
기판에 서로 다른 전류를 가진 여러 넷이 필요할 수 있으며, 이는 필요한 넷 폭을 결정합니다. 트레이스 폭 계산기를 사용하면 이 단계에 도움이 됩니다. 얇은 트랙은 제한된 전류만 전달할 수 있습니다. 두께가 0.010인치(10밀)인 트랙은 약 1암페어의 전류만 감당할 수 있는 반면, 250밀 두께의 트랙은 30°C 온도 상승에서 최대 15암페어까지 전달할 수 있습니다.
PCB 설계 프로세스 초기에 패드와 홀 치수를 결정해야 합니다. 패드와 홀의 크기가 작아질수록 올바른 패드-홀 크기 비율을 맞추는 것이 더 중요해집니다. 비아 홀을 다룰 때 특히 중요합니다. 베어 PCB 제조업체가 요구하는 표준과 종횡비에 대한 가이드라인을 제공할 수 있습니다.
또 다른 중요한 고려사항은 PCB 패드의 모양입니다. PCB 풋프린트는 제조 공정에 따라 달라질 수 있습니다. 예를 들어 웨이브 솔더링은 적외선 리플로 솔더링보다 일반적으로 더 큰 풋프린트를 필요로 합니다.
PCB 레이아웃 설계는 신호 무결성 보장과 간섭(무선 주파수 간섭 또는 전자기 간섭이라고도 함) 같은 전기적 문제 예방에 중요한 역할을 합니다.
이러한 문제를 피하는 것은 트레이스를 어떻게 라우팅하느냐와 깊은 관련이 있습니다. 신호 문제를 방지하려면 트랙을 서로 평행하게 라우팅하지 마세요. 평행한 트랙은 더 많은 크로스토크를 발생시켜 PCB를 제작한 후에는 수정하기 어려운 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다. 트랙이 서로 교차해야 한다면 직각으로 교차하도록 하세요. 이렇게 하면 라인 간 정전용량과 상호 인덕턴스가 감소하여 크로스토크가 줄어듭니다.
낮은 전자기 방사를 생성하는 반도체 부품을 사용하는 것도 신호 무결성에 도움이 됩니다. 다만 다른 요구사항으로 인해 더 높은 전자기 방사 부품을 사용해야 할 수도 있습니다.
PCB 설계 시 안테나(전자기 에너지를 방사할 수 있음)와 고주파를 전달하는 큰 신호 및 그라운드 리턴 루프를 제거해야 합니다. 집적 회로를 신중하게 배치하여 짧은 상호 연결 라인을 달성해야 합니다.
PCB 위에 밀접한 그라운드 그리드를 배치하는 것은 리턴 라인이 신호 라인과 가깝게 유지되도록 하여 효과적인 안테나 영역을 상대적으로 작게 유지하는 또 다른 필수 RF PCB 레이아웃 설계 지침입니다. 다층 기판에서는 그라운드 플레인으로 이를 달성할 수 있습니다.
열적 문제는 설계 프로세스의 여러 부분에 영향을 미칠 수 있습니다. 더 큰 기판과 더 높은 부품 밀도 및 처리 속도를 가진 기판은 열 관련 문제가 더 많습니다. 소형 기판의 경우 문제가 되지 않을 수 있지만, 더 고급 기판의 경우 상당한 과제가 될 수 있습니다.
열 관련 문제를 방지하려면 열이 방출되도록 해야 합니다. 먼저 많은 열을 발생시키는 부품을 식별하세요. 각 부품의 데이터시트에서 열 저항 정격을 찾을 수 있어야 합니다. 그런 다음 해당 부품에서 열을 분산시키기 위한 권장 지침을 따르세요.
열이 발생할 수 있는 모든 부품 주변에 충분한 공간을 두세요. 열을 더 많이 생성할수록 냉각을 위해 더 많은 면적이 필요합니다. 중요한 부품을 열원 근처에 배치하지 않는 것도 매우 중요합니다.
이상적으로는 기판 전체가 동일한 작동 온도를 가져야 합니다. 열전도성 플레인을 사용하여 넓은 영역에 열을 분산시키면 열전달에 사용되는 표면적을 늘려 온도 감소 속도를 높일 수 있습니다.
열적 문제가 기판에 상당한 경우 냉각 팬, 히트싱크, 서멀 릴리프를 포함해야 할 수 있습니다. 이는 다층 기판의 웨이브 솔더링과 구리 함량이 높은 조립에 필수적입니다. 히트싱크 페이스트(미세하게 분산된 고체 입자로 채워진 폴리머)를 사용하여 히트싱크를 만들 수 있습니다. 이 페이스트는 스크린 또는 스텐실 인쇄로 도포할 수 있습니다. 건조 또는 베이킹 공정 후 고정되어 히트싱크 역할을 합니다.
스루홀 부품에는 항상 서멀 릴리프를 사용하는 것이 좋습니다. 이는 열이 부품 플레이트를 통해 싱크되는 속도를 늦춥니다. 일반적인 규칙으로, 비아 또는 홀이 그라운드 또는 전원 플레인에 연결될 때마다 서멀 릴리프 패턴을 사용하세요. 트레이스와 패드가 만나는 곳에 티어드롭(teardrop)을 사용하여 추가 지지를 제공하고 열 스트레스를 줄이는 것도 좋습니다.
PCB 설계 프로세스 전반과 나머지 PCB 제조 프로세스에서 작업을 지속적으로 확인해야 합니다. 문제를 조기에 발견하면 영향을 최소화하고 수정 비용을 줄일 수 있습니다.
수행해야 할 두 가지 일반적인 테스트는 전기 규칙 검사(ERC)와 설계 규칙 검사(DRC)입니다. 이 테스트들은 직면할 수 있는 더 중요한 문제들을 많이 해결하는 데 도움이 됩니다.
ERC와 DRC 테스트를 문제없이 통과하면 모든 신호의 라우팅을 확인하고 기판을 회로도와 상세히 비교해야 합니다.
오늘날 대부분의 PCB 설계자는 고급 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어 시스템을 사용하여 PCB를 만듭니다. 마찬가지로 제조업체는 컴퓨터 지원 제조 소프트웨어를 사용합니다. 이러한 시스템을 사용하면 직면할 수 있는 많은 레이아웃 문제를 해결할 수 있습니다. 이러한 소프트웨어 시스템 사용의 이점은 다음과 같습니다.
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PADS 개요 PADS는 Mentor Graphics에서 개발한 PCB 설계 패키지로 Standard, Standard Plus, Professional 세 가지 트림 레벨로 제공되며 하이엔드 상용 소프트웨어로 평가받습니다. 신호 무결성 분석, 고급 오토라우터, 열 설계 고려 분석, 다양한 프로젝트 관리 기능 지원 등 고급 기능을 다수 갖추고 있습니다. 세 버전은 각각 다른 역량과 대상 사용자를 가집니다. 아래 표는 이들을 비교한 것입니다. 본 튜토리얼에서는 PADS Standard를 예로 들어 퀵스타트를 소개합니다. 버전 대
PCB에 적용되는 가장 기본적인 제조용 설계(DFM)는 PCB 설계 소프트웨어에서 설계 규칙과 설계 규칙 검사(DRC)를 사용하는 것입니다. 설계 규칙 검사(DRC)는 설계가 PCB 제조업체 제조 능력을 준수하는지 확인하는 과정입니다. 일반적으로 설계자는 PCB 제조업체가 지원하는 최고 공차를 받아 설계 프로그램에 로드한 다음 예비 설계에 설계 규칙 테스트를 실행합니다. 설계 규칙 검사는 일반적으로 PCB 설계 소프트웨어에 통합되어 있으며 일반적으로 추가 서비스로 간주되지 않습니다. 더 고급 DFM 분석 소프트웨어도 더 복잡하고 덜
