리지드-플렉스 PCB 설계 마스터하기: 고품질 기판을 위한 전문 기술

리지드-플렉스 PCB 설계는 기술적 숙련도가 필요하기 때문에 설계하기 가장 복잡한 PCB로 간주됩니다. 정교함 덕분에 일반 회로 기판 설계와 차별화되며, 그 특징 덕분에 현대 기술 발전에 널리 채택되고 있습니다.

따라서 품질 좋은 PCB를 설계하려면 설계 과정을 알고 마스터하는 것이 필수적입니다. 이 글에서는 가이드와 함께 설계 과정을 배우고, 발생할 수 있는 특정 문제와 예방 조치도 다룹니다.

1. 리지드-플렉스 PCB란?

이름에서 알 수 있듯이 리지드-플렉스 인쇄 회로 기판(RFP)은 전자 애플리케이션에서 플렉시블과 리지드 보드 기술을 통합한 하이브리드 보드입니다. 거의 모든 리지드-플렉스 PCB는 고정형 난연 4형(FR4) 보강재 위에 플렉시블 폴리이미드 구성 요소를 설계합니다.

조사해 보면 보드의 일부는 플렉시블하고 다른 부분은 리지드함을 알 수 있습니다. 또한 더 많은 지지가 필요한 영역의 형태를 유지하면서 회로를 쉽게 구부리거나 접을 수 있습니다.

2. 리지드-플렉스 레이어 스택 유형 설계

제조업체는 각 레이어의 레이아웃을 수직으로(Z 평면) 정의하기 위해 PCB를 다층 스택으로 설계합니다. 레이어 스택은 모든 보드에서 단일 단위로 제작됩니다.

2.1 최적의 레이어 스택업 전략

완벽한 레이어 스택업 전략은 트레이스와 그라운드 플레인을 배치하여 EMI를 차단할 수 있어야 합니다. 또한 리지드-플렉스 설계와 설계의 온도에도 적응해야 합니다.

다층 스택이 바람직한 이유는 다음과 같습니다:

• 신호와 그라운드 플레인을 번갈아 배치할 수 있습니다.
• 각 레이어 사이에 유전체 또는 프리프레그가 있습니다.
• 열 문제를 고려합니다.
• 아날로그와 디지털 요소가 있는 장치를 수용합니다. 하지만 스택업에서 별도의 그라운드 레이어를 사용해야 합니다. 분리의 본질은 노이즈 커플링을 방지하고 EMI를 예방하기 위함입니다.

2.2 단일 레이어 특징

• 하나 또는 두 개의 폴리이미드 외부 커버 레이어가 있습니다.
• 한쪽 또는 양쪽에서 접근 가능한 홀이 있습니다.
• 부품 홀에는 도금이 없습니다.
• 단일 레이어 유형에서 부품, 보강재, 핀, 커넥터를 사용할 수 있습니다.
• 정적 및 동적 플렉스를 다루는 애플리케이션에 적극 권장됩니다.

2.3 이중 레이어 특징

• 설계자가 홀을 통해 도금하여 두 레이어 간 연결을 가능하게 합니다.
• 보강재가 없을 수 있지만 부품, 보강재, 핀, 커넥터를 사용할 수 있습니다.
• 두 개의 도전 레이어가 있고 그 사이에 절연체가 샌드위치 구조로 있습니다. 설계자는 외부 레이어를 덮거나 패드를 노출시킬 수 있습니다.
• 노출된 패드 또는 접근 홀은 양쪽에 있습니다. 비아도 양쪽에 커버가 있을 수 있습니다.
• 정지 및 활성 플렉스 애플리케이션에 적용 가능합니다.

2.4 다중 레이어 특징

• 첫째, 다층 PCB는 3개 이상의 플렉시블 도전 레이어를 가집니다. 설계자는 각 레이어 사이에 플렉시블 절연 구성 요소를 배치합니다. 마지막으로 외부 레이어를 덮거나 패드를 노출시킬 수 있습니다.
• 비아도 덮거나 노출시킬 수 있습니다.
• 접촉 홀 또는 프리 패드는 PCB의 양쪽 또는 한쪽에 있습니다.
• 부품, 보강재, 핀, 커넥터 등 다양한 재료를 사용할 수 있습니다.
• 주로 정적 플렉스 애플리케이션에서 발견됩니다.

3. 리지드-플렉스 PCB의 적용 범위

RFP는 전자 분야에서 광범위한 적용 범위를 가지며 때로는 제어 시스템에서도 사용됩니다. 사용되는 제품에 따라 다음과 같은 분야에 적용됩니다:

• 가전제품
• 자동차 산업
• 항공우주 산업
• 관제탑 시스템
• CCTV 감시 시스템
• 산업 자동화 시스템
• 제어 패널

4. 리지드-플렉스 설계 가이드라인

리지드-플렉스 PCB를 조립/설계할 때 적절한 가이드라인이 없으면 최종 제품에 문제가 생길 수 있습니다. 따라서 정해진 지침을 철저히 따르는 것이 큰 도움이 됩니다.

PCB 설계 시 따를 수 있는 표준 가이드라인은 다음과 같습니다:

• 첫째, 재료 유형(접착제, 도체 등), 제조 방법(압력과 열 필요 여부), 레이어 수를 준비합니다.
• 둘째, 리지드와 플렉시블 벤드 부분에서 구리 트레이스를 90° 각도로 배치합니다.
• 셋째, 플렉스 회로와 리지드 보드에 영향을 미치는 전기화학적 요소를 고려합니다. 이를 위해 벤드 반경과 두께의 비율에 집중해야 합니다. 규칙적으로 벤드 반경은 플렉스 재료 두께의 최소 10배 이상이어야 합니다.
• 또한 구리 환형 링과 인접 비아 사이에 0.5mm 거리를 두어야 합니다. 밀접한 연결은 잦은 벤딩 후 피로감을 유발할 수 있습니다. 또한 비아는 보드에서 움직임이 없는 영역, 즉 거의 움직이지 않는 곳에 있어야 합니다.
• 마지막으로 제품 작동 조건을 확인합니다. 즉, 온도 변화, 냉각, 습도, 충격, 난연성, 진동 등 주변 조건을 확인합니다.

5. 리지드-플렉스 PCB 설계에 어떤 재료를 선택해야 할까?

기판 및 커버레이 필름

선호되는 유형은 에폭시 수지에 샌드위치된 직조 유리섬유입니다. 유리섬유는 일정 정도의 탄성을 가집니다. 반면 경화된 에폭시는 보드를 리지드하게 만듭니다. 에폭시 사용은 움직임이 적은 상태에서 필요합니다.

폴리이미드는 향상된 유연성 때문에 에폭시의 대체재입니다. 또한 이 재료는 손으로 쉽게 찢거나 늘릴 수 없습니다. 마지막으로 내열성이 뛰어나 온도 변동 시 안정성을 유지합니다.

폴리에스터(PET)는 설계 시 흔히 사용됩니다. 단점은 극한 온도에서 오래 견디지 못한다는 것입니다. 따라서 저가 전자 제품에 적용됩니다.

폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 PET의 대체재로 사용될 수 있습니다. 주로 저유전율의 고주파 제품에 사용됩니다.

커버레이는 절연체 역할을 하며 외부 표면을 손상과 원치 않는 열화로부터 보호합니다.

도체

선택지는 탄소 필름과 은 기반 잉크 등 다양하지만 가장 선호되는 것은 구리입니다. 구리 선택은 용도에 따라 달라집니다. 예를 들어, 라미네이팅된 구리 포일(전착)은 단순 플렉시블 회로 부분에 적합하고, 헤비급 구리는 대전류 도체 유지에 적합합니다.

시장에 있는 또 다른 도체는 압연 어닐링(RA) 포일입니다. 표준 구리보다 비용이 높지만 신축성과 스프링 백 품질이 탁월합니다.

접착제

접착제는 유연성을 위해 사용됩니다. 열과 압력만으로는 신뢰할 수 있는 연결을 형성할 수 없으므로 구리 포일을 폴리이미드나 다른 필름에 접합하는 기능입니다. 사용 재료로는 약 0.5~1밀 두께의 아크릴 또는 에폭시 기반 접착제가 있습니다.

실리콘과 핫멜트 접착제도 플렉스와 리지드 인터페이스에 사용할 수 있습니다.

6. 리지드-플렉스 PCB 설계 소프트웨어

PCB 설계 소프트웨어를 사용하여 PCB를 애니메이션화하고 독특하게 정의할 수 있습니다. 프로세스를 시작하는 두 가지 알려진 방법은 다음과 같습니다:

통합 ECAD/MCAD 도구

ECAD/MCAD는 전기 및 기계 도메인 간 양방향 협업을 가능하게 합니다. 이 도구는 사실적인 3D로 설계를 시각적으로 검증하여 반복 작업을 줄입니다. 다음을 확인하여 설계 과정을 단순화합니다.

알티움 디자이너(Altium Designer)

알티움 디자이너의 PCB는 약 32개의 신호 레이어와 16개의 플레인 레이어를 지원하는 다층 설계 설정입니다. 단일 플랫폼에서 리지드-플렉스 PCB 조립에 필요한 도구를 제공하는 유일한 PCB 설계 소프트웨어는 고급 알티움 디자이너뿐입니다.

또한 알티움 디자이너는 강력한 3D 렌더링 엔진을 탑재하여 회로 기판의 사실적인 3차원 표현을 제공합니다. 이 엔진은 리지드-플렉스 회로 기판을 지원하며 평평한 상태에서 보드를 검사할 수 있습니다.

7. 리지드-플렉스 PCB 설계 시 주의사항

가이드라인을 따르지 않으면 재앙적인 결과를 초래할 수 있습니다. 또한 절차를 놓치면 자재, 시간, 비용이 낭비될 수 있습니다.

설계 프로세스 전에 염두에 두어야 할 몇 가지 일반적인 주의사항은 다음과 같습니다:

• 코너에서 벤딩을 피하세요. 해야 한다면 코너를 둥글게, 날카롭지 않게 만드세요.
• 부품이나 비아를 벤드 라인 근처에 배치하지 마세요. 벤드 라인은 재료 응력을 유발하여 라우팅에 영향을 줍니다.
• 해치드 폴리곤을 사용하여 플렉스 회로에 전원 또는 그라운드 플레인을 실을 때 유연성을 유지하세요.
• 트레이스 폭을 점진적으로 변경하세요. 트레이스 폭의 급격한 변화는 약한 지점을 만들 수 있습니다.
• 최대 유연성과 저비용을 위해 플렉스 레이어를 최소 2개로 유지하세요.
• 가장 얇은 두께와 적은 재료 유형의 인쇄 회로 기판을 사용하세요. 두꺼운 RFP는 조립 제품의 소형화에 영향을 주고 제조 공정에 불편을 초래합니다.
• 와이어 배열은 폴딩 저항 요구 사항을 보여주며 내충격성을 향상시킵니다.

8. 리지드-플렉스 PCB 설계에서 자주 발생하는 문제

• 플렉시블 PCB 벤딩 반경 및 위치

보드가 오랜 기간 구부러지면 일부 플렉스 회로 부품은 다른 부품보다 더 많은 스트레스를 받습니다. 덜 둥근 반경도 물리적 스트레스에 기여합니다.

• 리지드-플렉시블 PCB의 기계적 요구 사항 관련 문제가 있을 수 있습니다. 회로 기판 두께(두꺼운 보드는 비효율적), 벤딩 형태, 벤딩 빈도, 드릴 홀 직경과 보드 두께 비율과 관련됩니다.
• 패드와 구리 트레이스 사이의 간격을 올바르게 배치하지 않으면 쇼트가 발생할 수 있습니다. 따라서 마스크를 수용할 수 있는 거리가 되어야 합니다.
• 유전체의 반대쪽 면에서 같은 위치에 쌓인 트레이스는 위치 때문에 스트레스를 받아 파손됩니다.
• 설계자가 PCB에 과도한 양의 커버 필름을 적용하면 하부 트레이스에 손상을 줄 수 있습니다.

요약

전반적으로 예방 조치를 취하면 PCB 설계에서 더 높은 효과를 볼 수 있습니다. 이러한 조치는 비용 절감, 보드 수명 연장, 전반적인 설계 품질 유지에 기여하므로 권장됩니다.

이 글을 통해 기본적인 리지드-플렉스 지식을 얻으셨기를 바랍니다. 문의, 우려 사항, 의견이 있으시면 언제든 연락 주세요. 점진적인 학습 세션에 여러분을 모시게 되어 기쁩니다.