임베디드 PCB: 소형 웨어러블 기기를 위한 콤팩트하고 신뢰성 높은 시스템 구현

더 작고 착용 가능한 회로에 대한 수요 급증으로 임베디드 시스템 판매가 꾸준히 늘고 있습니다. 표준 PCB로 구현 어려운 복잡한 애플리케이션 제작에도 임베디드 시스템이 해답. 그 핵심이 임베디드 PCB(Embedded PCB)입니다. 이 보드들은 레이어 내부에 부품을 내장해 신호 무결성 손실 위험을 줄여줍니다.

그뿐만이 아닙니다. 임베디드 시스템과 작동 원리에 대해 더 배울 게 많습니다.

임베디드 컴포넌트란?

부품이 내장된 임베디드 PCB

임베디드 컴포넌트 이해 전, 임베디드 시스템 개념 복습: 회로 기판 크기 줄이면서 고무결성·고성능 유지.

임베디드 PCB = 레이어 내부에 부품 매립된 회로 기판. 내장 부품이 임베디드 시스템 성능 향상 기여.

임베디드 컴포넌트 활용법 다양, 사용 방식이 제조 공정 영향. 초기엔 PCB 제조와 부품 실장이 별도 공정이었으나, 지금은 통합되어 내장 부품 보드 설계·제조 가능. 내장 방식 2가지:

• 개방형 캐비티 생성해 부품 배치 → 최종 제품에서 부품 노출
• 내부 레이어에 부품 임베딩 → 회로 숨김

※ 임베디드 컴포넌트는 보통 능동 소자(Active)와 수동 소자(Passive) 두 카테고리

임베디드 저항 (Embedded Resistors)

수동 소자. 전자 성능 향상. 개별 소자 표면에서 이동 → 다른 부품용 표면 공간 확보. 특정 공차/정격 전력 필수. 미준수 시 소손/실패. 솔더 조인트/SMT 비아 불필요 → PCB 신뢰도·신호 라우팅 향상.

임베디드 인덕터 (Embedded Inductor)

에너지 저장·공급하며 회로 전류 흐름 균형. 표준 인덕터 제작 복잡 → 임베딩으로 PCB 표면 공간 절약.

임베디드 커패시터 (Embedded Capacitors)

동박 적층판(Copper-clad Laminate) 사용. 디커플링 커패시터 별도 추가 불필요. 두 구리층 사이 얇은 유전체 재료 위치. 높은 용량 밀도로 디커플링 커패시터 역할 수행.

임베디드 시스템용 PCB 어셈블리 설계법

PCB 어셈블리

임베디드 시스템용 PCB 설계 까다로움. 훌륭한 설계 위한 팁:

요구사항 정의

"PCB로何 달성하나?" → 필요 요건 도출. PCB가 임베디드 시스템 타 영역과 어떻게 상호작용할지, 크기는 어떤지가 조립 복잡도 결정.

회로도(Schematic) 작성

PCB 회로도

요구사항 → 회로도 사양으로 변환. 적합한 마이크로컨트롤러 및 부품 선택 → 제조사 배치 위치 다이어그램 작성. MCU는 임베디드 시스템 핵심 → 주변장치, 처리 속도 등 고려해 선정.

자동화 설계 소프트웨어 선정

설계 자동화 소프트웨어

회로도 정보 배치할 적절한 EDA 툴 필요. 모든 정보를 CAD 파일로 통합 → PCB 조립 공정 지시.

제조 공법 선택

앞선 요구사항, 기간, 예산 등이 제조 공법 결정.

테스트 유형 결정

조립 공정 필수 단계. 설계 기능성 승인 전 검증. 표준 요건 충족 여부 확인 위해 다양한 테스트 선택 가능.

부품 내장형 PCB 어셈블리 공정

조립 완료 PCB

임베딩 기술 = 마운팅. 두 타입: 스루홀(Through-hole), 솔더 패드(Solder Pad) 마운팅.

스루홀 마운팅

베어 마운팅, 칩 마운팅 2공정. 베어: 전도성 접착제 또는 도금 스루홀 옵션. 칩 마운팅도 유사 옵션.

솔더 패드 마운팅

베어/칩 마운팅 공정 유사하지만 방식 차이. 베어: 플립칩(Flip-chip) 또는 와이어 마운팅. 칩: 전도성 수지 또는 웨이브 솔더링 옵션 채택. 임베딩 전 공정 선택 필수.

PCB 내 임베디드 컴포넌트 조립 절차

베어 다이 임베딩 시 다이 본딩 공정 중요. 몰드 패키지/PD/WLCSP 컴포넌트면 초음파 웨이브 본딩, ESC(Epoxy Encapsulated Solder Connection) 등 적용. AD 마운팅 시 전도성 수지/웨이브 솔더 사용 권장.

패드 있는 임베디드 컴포넌트 조립 절차:

1. 임베딩 전 설계/기술 절차 숙지 → 능동 소자 실현가능성, SMD 임베딩 파악. 트레이스 설계 주의.
2. 이중층 기판 제작 → 솔더 페이스트 코팅 (이중층 PCB 작업 시)
3. 웨이브 솔더링 & IC 어셈블리 → 미드 스택업 & 절연 충진 → 탑 레이어 스택업 핫프레스

캐비티 내 부품 조립은 까다로움. 고솔더 보이드 유발 문제 직면 가능. 솔더 프린팅/진공 웨이브 솔더링 시 아래 워크플로로 문제 회피:

워크플로 프로세스

임베디드 PCB 설계 영향 요인

PCB 크기

소형 및 대형 PCB 크기

설계 구조 지배적 요소. 크기-부품 매칭 필수. 적정 크기로 올바른 배치, 과열 방지.

열 관리 (Thermal Management)

고전류 애플리케이션 → 과열 이슈. 트레이스 두께 증가나 구리 플레인 생성으로 열방산 향상.

부품 배치 (Component Placement)

잘 배치된 부품 보드

임베디드 PCB 배치 규칙: 무거운 부품 에지 근처 금지 → PCB 사이드 배치. 파워 소자 한곳 밀집 금지 → 고른 분포로 열방산 개선.

임베디드 PCB 장점

향상된 방열 (Enhanced Heat Dissipation)

임베디드 시스템 우수한 방열 능력으로 과열 문제 예방.

저비용 (Cost-Effective)

단일 칩 콤팩트 설계로 비용 효율적.

엄격한 설계 파라미터 (Strict Design Parameters)

사전 정의 파라미터. 확장/추가 형태만으로 일부 조정 가능.

임베디드 시스템 설계 과제

모든 설계 단계 세밀 주의 필요. 제조 전 수정 용이하지만, 사후 결함은 고비용 리워크 초래.

• 기타 부품용 표면 공간 부족
• 하드웨어 테스트 난제
• 패키징/통합 과제
• EMI 방출
• 과열
• 고전력 소모
• 유효성 유지 어려움

마무리

임베디드 PCB

임베디드 PCB는 군수, 가전, 항공우주 등 다분야 활용. 미니어처 크기에도 고성능·고밀도 구현. 내장 부품으로 표면 공간 절약 → 더 복잡한 설계/시스템 가능. 과제 존재하지만 설계 단계 꼼꼼 검토로 회피 가능. 임베디드 PCB 제작 문의 환영. 최고의 PCB 서비스 제공하겠습니다.