IoT 시대의 PCB 개발 트렌드: 미래를 설계하는 10가지 핵심 기술

IoT 시대, PCB 개발의 새로운 패러다임

사물인터넷(IoT) 시대가 도래하며 디지털 세상의 거의 모든 영역을 장악하고 있습니다. 전문가들은 IoT를 "제4차 산업혁명"이자 "닷컴 붐 이후 최대 사건"으로 평가합니다.

가트너 보고서에 따르면 2020년까지 전 세계에 최소 200억 개의 인터넷 연결 디바이스가 PCB 개발 분야에 등장할 전망입니다.

개발자들은 웨어러블 기기, 홈 오토메이션, 의료 모니터링 시스템, 지능형 자동차, 미래 도시 등 혁신 플랫폼을 구축하기 위해 이 기술을 활용합니다.

IoT는 물리적·디지털 구성요소 간 연결성에 대한 낙관적 전망을 제시하는 최신 기술 트렌드입니다. 본문에서는 IoT 발전과 미래를 자세히 다룹니다.

IoT가 주도하는 PCB 개발의 새로운 접근법

현재 PCB 개발의 최대 트렌드는 플렉스(Flex) 기판과 고밀도 상호연결(HDI) 기판의 보편화입니다. 기존 PCB 배선 방식으로는 이를 구현할 수 없습니다. 대부분의 IoT 기기는 이동 중 사용을 전제로 하므로, 플렉스 PCB는 배선을 단순화하면서 열악한 환경에 대한 내성을 높여줍니다.

기판 면적이 줄어들고 배선 밀도가 높아짐에 따라 개발자들은 강성 PCB 제조로 전환합니다. 여기에는 다층, 단면, 메탈코어, 블라인드/버리드 비아 같은 HDI 기술이 적용되어 소중한 공간을 절약합니다. HDI 설계는 전력 소모를 낮추고 성능을 높여 IoT 기기에 최적입니다.

플렉스와 HDI 접근법을 결합하면 열 응력과 신호 손실 같은 요인에 덜 취약하면서도 성능을 타협하지 않는 초소형 모바일 기기 제작이 가능합니다. IoT 기기는 이제 그 어느 때보다 작고, 가볍고, 빨라졌습니다.

IoT용 PCB 제조: 기존과 다른 점

IoT가 PCB 개발을 완전히 재발명하게 하지는 않았지만, 설계 테이블에 새로운 고려사항을 가져왔습니다.

다양한 설계 접근법 때문에 IoT 기반 PCB의 레이아웃, 제조, 조립 공정은 기존 기판과 크게 다릅니다.

우선 IoT PCB는 일반적으로 강성-플렉스 또는 플렉스 회로 조립으로 구성되며, 이는 기존 기판의 평평하고 큰 형태와 대조됩니다.

플렉스 조립 제조에는 벤드 비율, 수명 주기, 신호 트레이스 두께, 강성/플렉스 회로 층수, 구리 중량, 스티프너 배치, 부품 발열량 등에 대한 광범위하고 정확한 계산이 필요합니다.

또한 IoT용 PCB 개발에는 강성 및 플렉스 양면의 층간 견고한 접착 보장과 0201, 00105 패키지 같은 초소형 부품에 대한 깊은 이해가 요구됩니다.

IoT 기기용 PCB 인쇄에는 특수 툴링과 지그가 필수입니다. 예컨대 강성-플렉스 PCB 작업 시 강성 및 플렉스 회로 부분의 두께 차이에도 보드를 완벽히 평평하게 유지하는 전용 액세서리가 필요합니다.

이러한 이유로 많은 IoT 스타트업과 신규 설계자는 전문 EMS 기업과 협력하여 PCB 개발을 진행하며 성공적이고 적시적인 제품 출시를 보장받습니다.

PCB 개발 – IoT와 PCB 설계의 미래

IoT는 PCB 산업에 수많은 미래 과제를 제시합니다. 회로기판 개발자들이 이미 기술적으로 좋은 진전을 이루고 있지만, 앞으로 더 많은 변화가 예상됩니다. IoT가 현재와 미래의 PCB 개발에 영향을 미치는 독특한 방식들을 살펴보겠습니다.

1. 레이아웃의 소형화 (Diminishing Layouts)

정교한 IoT 기기의 등장으로 개발자가 트랙, 부품, 비아를 배치할 충분한 공간이 있던 시대는 끝났습니다. IoT 트렌드는 착용 가능하거나 주머니에 넣거나 심지어 체내 삽입 가능한 소형 기기에 최대한 많은 기능을 구현할 것을 요구합니다.

현재 스마트워치만 봐도 일반 손목시계 크기에 LED 디스플레이, 내장 메모리, SoC 컨트롤러, 블루투스 칩, 다수 센서 같은 하드웨어가 집적되어 있습니다.

소비자는 소형 일상 기기에서 더 많은 것을 기대하며, 미래 PCB 설계자는 스마트워치보다 더 작은 기기를 다뤄야 합니다. 강성-플렉스와 HDI PCB의 보편적 사용 추세를 볼 때, 일반적인 회로기판은 향후 몇 년 내에 용인되지 않을 것입니다.

2. 향상된 패키징 기술 (Better Packing Technologies)

스루홀과 표면실장 패키징이 오랫동안 실용적이었지만, 기기가 계속 소형화됨에 따라 개발자들은 신기술 탐색이 필수적입니다. 그 하나가 멀티칩 모듈(MCM)로, 여러 IC를 단일 다이상에 연결해 폼팩터를 얇게 유지합니다.

또 다른 모델인 SiP(System-in-Package)는 디지털, 아날로그, RF 시스템을 단일 다기능 칩에 통합합니다. 3D IC(Three-dimensional Integrated Circuits)는 여러 실리콘 다이를 적층하여 풋프린트 축소와 전력 소모 감소를 동시에 달성합니다.

이러한 패키징 모델의 폭발적 증가는 인쇄기판에 엄청난 복잡성을 더할 것이며, 제조사에게 표면적 대비 훨씬 높은 가격 경쟁력을 제공하는 '집적 부품 기판(ICB)'이라 불리는 새로운 세대의 PCB를 탄생시킬 전망입니다.

3. 포괄적 설계 (Encompassing Designs)

PCB 개발자는 기판을 설계한 뒤 기계 팀에 핏 체크를, 패키징 팀에 최종 피팅을 맡기는 방식에 익숙합니다.

그러나 IoT 세계에서는 더 작은 폼팩터와 민감한 부품 때문에 모든 이해관계자가 설계 초기부터 같은 페이지에 있어야 합니다.

PCB 제조와 피팅 계산이 동시에 이루어져 기능, 형태, 비즈니스 니즈를 조화시켜야 합니다.

IoT가 급속히 확산되면서 PCB 설계자는 회로 상세 설계에 앞서 보드 크기, 제품 전체 무게, 의도한 인클로저 내 보드 핏 같은 파라미터를 평가하기 위해 가상 프로토타이핑을 훨씬 더 많이 수행하게 될 것입니다.

PCB 제조사는 제품 개발 주기의 임시 인력이 아니라, 설계 프로세스 전반에 집중하는 전문가로 자리잡을 것입니다.

4. 표준화 (Standardization)

기존 PCB 설계 표준이 이미 존재하지만, IoT는 산업을 더욱 균일한 미래로 이끌고 있습니다. IoT용 PCB는 최고 수준의 효율성과 신뢰성을 충족해야 합니다.

따라서 설계자는 뛰어난 결과를 위해 회로를 재구성하기보다, 이미 시뮬레이션되고 현장에서 검증된 블록을 재사용하는 쪽을 선택할 것입니다.

저장과 재사용이 기판 개발의 표준이 되고, 모듈 설계가 기존 회로도 프로세스를 대체할 것입니다.

5. 기계 설계자와의 협업 (Collaboration with Mechanical Designers)

가상 프로토타이핑과 제품 기획 외에도 IoT용 PCB 개발에는 회로기판 설계자와 기계 엔지니어 간의 더 긴밀한 협력이 필수입니다.

미래 제품 설계 프로세스는 전통적인 조립 라인 모델을 버리고, 기계적·회로적 변경과 수정이 실시간으로 이루어지는 방식을 채택할 것입니다.

설계자는 보드 외곽선과 부품 모델을 간섭 검사용으로 공유하기 위해 파일 포맷을 변환할 필요가 없어집니다.

대신 기계 및 전자 엔지니어는 ECAD와 MCAD 도구를 활용해 데이터를 더 가깝게 통합하여 원활한 실시간 협업을 실현할 것입니다.

물론 이는 ECAD 업계 대부분 플레이어에게 중대한 우려를 안겨줍니다. 자사 설계 유틸리티끼리도 잘 작동하지 않는데 MCAD 소프트웨어와의 연동은 더 어렵기 때문입니다.

미래 IoT 설계를 위한 최고의 도구는 엔지니어와 설계자를 같은 페이지에 서게 할 것입니다.

6. 신소재 도입 (New Materials)

현대 IoT 세계에서 회로는 작아야 하며, WellPCB는 국내외 시장에 DC 모터 컨트롤러를 공급합니다. 우리는 유연하고 모바일합니다. 그 결과 정사각형 PCB 제조용 FR4 사용이 점차 플렉스-강성 구리, 플라스틱, 심지어 메쉬 같은 신소재로 대체되고 있습니다.

향후 FR4 설계자는 대체 소재를 다루는 전문가와 협력해야 할 것입니다.

Holst Centre와 Wearable Technologies 같은 연구기관은 무선 자율 센서와 플렉시블 회로에 대한 컨설팅과 테스트 서비스를 찾는 IoT 개발자들에게 현재 최고의 선택지입니다.

7. 무선 연결성 강조 (More Emphasis On Wireless Connectivity)

무선 모듈과 RF 회로는 IoT 제품에 주변과 통신하고 데이터를 수집해 온오프라인 서버로 전송하는 핵심 능력을 부여합니다.

현재 시장은 풋프린트를 작게 유지하면서 최대한 많은 기능을 담은 IoT 친화적 모듈과 RF 부품으로 가득합니다.

세계의 연결성 니즈가 진화함에 따라 무선 기술은 더 많은 기기에 탑재될 것이고, PCB 설계자는 훨씬 더 작은 보드에 더 견고하고 신뢰성 높은 모듈을 탑재하는 과제에 직면하게 될 것입니다.

범위, 데이터 전송 속도, 보안을 규정하는 프로토콜은 새로운 니즈를 충족하도록 개정되고 업데이트될 것입니다.

표준화가 일반화됨에 따라, 미래 IoT 세상을 지배하는 단일 주요 무선 프로토콜이 등장할 가능성도 충분합니다.

8. 전력 소모 최적화 (Sharper Focus On Power Consumption)

미래 IoT 제품은 배터리와 에너지 하베스팅 기능을 선호하여 물리적 전원 포트와 플러그인 소스를 대체함으로써 휴대성과 인공지능을 증진할 것입니다.

IoT 시장은 사람의 개입이 거의 없이 지속적으로 작동하는 스마트 기기를 갈망합니다. 따라서 PCB 설계자는 미래 성공을 위해 에너지 효율에 더 집중해야 합니다.

유망한 접근법은 제품을 전체로 보지 않고 PCB 상의 개별 기능 블록별로 전력 예산을 수립하는 것입니다. 이렇게 하면 설계자가 전력 소모가 큰 부품을 식별하고 개선하는 데 필요한 유연성을 확보할 수 있습니다.

9. 인체 착용형 PCB (PCBs For The Human Body)

IoT 개발자들이 일상을 개선하는 새로운 방법을 발굴함에 따라 헬스·피트니스 전자제품 풀은 매년 확장되고 있습니다. 그러나 인체는 PCB 설계자에게 독특한 도전을 안겨줍니다.

예컨대 인체의 높은 손실 특성으로 인해 착용형 또는 휴대형 기기는 노이즈를 극복하기 위해 견고한 신호를 유지해야 합니다.

또한 수분과 회로는 상극이므로, IoT 웨어러블 설계 시 땀과 물의 영향을 신중히 고려해야 합니다.

기계 엔지니어들이 방습 패키지 개발에 중요한 역할을 하지만, IoT 기기 용도가 늘어남에 따라 PCB 설계자는 민감한 부품을 더 철저히 보호하기 위해 훨씬 더 많은 노력을 기울여야 할 것입니다.

10. 신뢰성에 대한 확고한 접근 (A Firmer Take On Reliability)

소형 IoT 기기는 제조 시 높은 정밀도를 요구합니다. 대부분의 설계자는 기존 기판에서 타버린 스루홀 부품을 교체하는 데 익숙하지만, IoT 시장에는 실패에 대한 관용이 없습니다.

손목시계나 보청기 같은 민감한 기기는 항상 작동해야 합니다.

IoT 제품 수요가 지속 증가함에 따라 PCB 설계자는 자사 보드가 박스 개봉 즉시 완벽하게 작동하도록 보장해야 합니다.

이는 PSpice 같은 시뮬레이션 프로그램에서 많은 시간을 보내며, 물리적 제조에 앞서 시제품을 최적의 성능으로 최적화하는 것을 의미합니다.

결론: IoT 시대의 PCB 개발

전자 설계는 IoT에 발맞추기 위해 광범위한 변화를 겪고 있습니다. 새로운 접근법이 중심이 되고, PCB 제조사는 단순한 회로기판 설계가 아닌 제품 개발 전체를 포용하는 방향으로 점차 나아가고 있습니다.

작고 가벼운 부품으로 강력한 회로기판에 대한 수요가 더욱 확대됨에 따라, 상상력과 전문성을 갖추고 새로운 기회를 포착하는 설계자와 제조사가 큰 혜택을 누릴 것입니다.

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